Как называется машина преобразующая механическую энергию в электрическую

Электрическая машина

Электри́ческая маши́на (электромашина), машина , преобразующая механическую энергию в электрическую ( генератор ) или электрическую энергию в механическую ( двигатель ), а также электрическую энергию в электрическую (например, преобразователи напряжения , частоты ). В электрической машине, в отличие от других электромеханических преобразователей, обычно совершается однонаправленное непрерывное преобразование энергии. В соответствии с правилом Ленца электромашина энергетически обратима, т. е. может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме.

Электрическая машина представляет собой электромагнитную систему, состоящую из взаимосвязанных магнитной и электрической цепей. Магнитная цепь включает неподвижный и подвижный магнитопроводы и немагнитный воздушный зазор, отделяющий их друг от друга. Электрические цепи – в виде одной или нескольких обмоток – могут перемещаться одна относительно другой совместно с магнитопроводами, на которых они размещены. Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине основано на электромагнитной индукции и связано с электродвижущими силами , которые индуктируются в процессе периодического изменения магнитного поля при механическом перемещении обмоток или элементов магнитопровода. Такая электрическая машина называется индуктивной. Конструктивно она состоит из двух основных частей: неподвижной ( статора ) и подвижной ( ротора ), между которыми обеспечивается электромагнитная связь.

Наибольшее распространение получили электрические машины с цилиндрическим вращающимся ротором, размещённым внутри статора, выполненного в виде полого цилиндра . В некоторых электромашинах в целях увеличения момента инерции вращающихся частей ротор, имеющий форму кольца, располагается снаружи статора (т. н. электрические машины с внешним ротором). Возможно исполнение электрической машины, в которых статор и ротор имеют форму дисков, обращённых друг к другу плоскими торцевыми поверхностями (торцевые электрические машины).

Электрические машины могут работать в сети как переменного , так и постоянного тока и подразделяются, соответственно, на электрические машины переменного тока и электрические машины постоянного тока . Электрические машины переменного тока делятся на асинхронные электрические машины и синхронные электрические машины .

В качестве преобразователя энергии (генератора, двигателя) электрические машины являются важнейшим элементом любой энергетической или промышленной установки. Широко применяются на электрических станциях, промышленных и сельскохозяйственных объектах, на транспорте , в авиации , системах автоматического управления и регулирования и т. д.

М. В. Панихин. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2017.

Опубликовано 27 марта 2023 г. в 22:23 (GMT+3). Последнее обновление 27 марта 2023 г. в 22:23 (GMT+3). Связаться с редакцией

Синхронная электрическая машина

Синхро́нная электри́ческая маши́на, электрическая машина переменного тока , у которой частота вращения ротора кратна частоте тока в электрической сети . Наибольшее распространение получили синхронные электрические машины с трёхфазной обмоткой переменного тока на статоре и обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током , на роторе (основное исполнение); синхронную электрическую машину небольшой мощности иногда изготовляют в обращённом исполнении – с обмоткой возбуждения на статоре и трёхфазной обмоткой на роторе (рис.). В основном исполнении неподвижный статор, в обмотке которого наводится переменная электродвижущая сила , называется якорем, а ротор, несущий обмотку возбуждения, – индуктором ; в обращённом исполнении, наоборот, якорем является ротор, а индуктором – статор.

Конструктивная схема синхронной электрической машины. Конструктивная схема синхронной электрической машины.

Магнитопровод статора обычно представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехнической стали, на внутренней поверхности которого располагаются пазы для укладки трёхфазной обмотки (рис., а). В зависимости от конструкции ротора синхронные электрические машины подразделяются на явнополюсные (ротор имеет выступающие полюсы, на которых размещена обмотка возбуждения) и неявнополюсные (полюсы выражены неявно). Явнополюсная конструкция обычно применяется при числе полюсов от 4 и более, неявнополюсная – в высокоскоростных (частота вращения 1500, 3000 об/мин и более) двух- и четырёхполюсных машинах.

На полюсах ротора часто размещают демпферную (т. н. успокоительную) обмотку (обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной электрической машины). Стержни этой обмотки, выполненные из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением, замыкают накоротко на торцах пластинами или кольцами, образуя обмотку типа «беличье колесо».

В зависимости от режима работы машины различают синхронные генераторы , синхронные электродвигатели , а также синхронные компенсаторы . В синхронном генераторе при протекании постоянного тока через обмотку возбуждения полюсы ротора создают постоянное магнитное поле чередующейся полярности; при вращении (от внешнего привода ) ротора магнитное поле индуцирует в проводниках обмотки якоря переменной ЭДС , частота которой f = р ⋅ n / 60 f = р·n/60 f = р ⋅ n /60 , где р и n – соответственно число пар полюсов и частота вращения ротора. Если к трёхфазной обмотке якоря подсоединить нагрузку, то в обмотке возникает ток, который создаёт вращающееся магнитное поле якоря с частотой вращения ротора.

При работе синхронной электрической машины в режиме электродвигателя трёхфазная обмотка статора подключается к электрической сети переменного тока; при этом образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создаёт вращающий момент , приводящий ротор в движение. Ротор (как при холостом ходе, так и при нагрузке) будет вращаться с постоянной частотой, равной частоте вращения поля.

Помимо основных конструкций, к синхронным электрическим машинам относятся также машины специального исполнения, такие как синхронные реактивные, вентильно-индукторные и гистерезисные электродвигатели, синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов, шаговые двигатели, индукторные машины (с электромагнитной редукцией частоты вращения) и др.

Основная область применения синхронных электрических машин – преобразование механической энергии в электрическую. Преобладающая часть потребляемой электрической энергии производится с помощью трёхфазных синхронных турбогенераторов и гидрогенераторов мощностью до нескольких десятков и сотен мегаватт. Синхронные двигатели применяются, например, в электроприводах , не требующих регулирования частоты вращения ( насосов , компрессоров , вентиляторов и т. п.).

Опубликовано 19 января 2023 г. в 21:51 (GMT+3). Последнее обновление 29 ноября 2023 г. в 22:55 (GMT+3). Связаться с редакцией

6.3. Назначение и классификация электромашинных устройств. Машины постоянного тока. Асинхронные машины. Синхронные машины

6.3.1. Назначение и классификация электрических машин

Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.

Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, в которых происходит обратное преобразование, — генераторами.

Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением. В то же время электрические машины могут использоваться для преобразования рода электрического тока, например, постоянного в переменный или же преобразования величины напряжения. Кроме того, ЭМ широко используются в качестве датчиков угла, перемещения и скорости, для выполнения математических операций и усиления мощности электрических сигналов, а также для повышения коэффициента мощности электрических установок.

Помимо деления по назначению электрические машины классифицируются по принципу действия на коллекторные и бесколлекторные (рис. 6.20), отличающиеся друг от друга принципом действия и конструкцией.

Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе. Лишь коллекторные машины обычно небольшой мощности выполняют универсальными, работающими на постоянном и переменном токе.

Бесколлекторные машины делятся на асинхронные и синхронные (многофазные и однофазные).

Широкое распространение электрических машин привело к разработке их многочисленных конструктивных форм. Поэтому приведенная на рис. 6.20 классификация является весьма условной и не отображает всего многообразия типов электрических машин.

6.3.2. Преобразование энергии в электрических машинах

При работе электрической машины в режиме генератора механическая энергия преобразуется в электрическую. Это происходит в соответствии с законом электромагнитной индукции: если внешняя сила перемещает проводникв магнитном поле, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции (рис. 6.21), то в проводнике будет наводиться ЭДС:

, (6.1)

где — ЭДС, индуктируемая в проводнике, В; — магнитная индукция, Тл; — активная длина проводника (длина его части, находящейся в магнитном поле), м; — скорость движения проводника, м/с.

Формула (6.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения ее направления следует воспользоваться правилом правой руки. Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике («от нас»). Если концы проводника замкнуть, под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления.

Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила , действующая на проводник: .

Направление силы определяется по правилу левой руки. В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила является тормозящей по отношению к движущей силе . При равномерном движении проводника эти две силы равны по величине.

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение , в цепи возникнет ток (рис. 6.22), и на проводник будет действовать только электромагнитная сила , направление которой определяется правилом левой руки.

Под действием этой силы проводник начнет передвигаться в магнитном поле со скоростью . При этом в проводнике индуцируется ЭДС, противоположная по направлению приложенному напряжению . Таким образом, напряжение уравновешивается электродвижущей силой , наведенной в этом проводнике, и падением напряжения в электрической цепи: ,где — электрическое сопротивление цепи.

Электрическая мощность (), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Указанный процесс преобразования энергии дает возможность сделать важный вывод: необходимым условием работ электрической машины является наличие проводников и магнитного поля, имеющих возможность перемещаться друг относительно друга, т.е. электромагнитный механизм электрической машины должен содержать часть, создающую магнитное поле, и часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах чаще всего оно создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создавать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики машины.

Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются; в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращается и поле, и проводники подвижной части, причем их вращение возможно либо в одну сторону, либо в разные. При этом преобразование энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Указанное свойство электрических машин называется обратимостью.

Неподвижная часть ЭМ называется статором, а подвижная (вращающаяся) — ротором.

ЭДС, индуцируемая основным полем возбуждения в перемещающихся относительно поля проводниках машины, вызывает в этих проводниках ток, величина которого зависит от нагрузки машины. Ток создает свое собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения. Такое влияние поля токов в перемещающихся проводниках на поле возбуждения называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное поле возбуждения машины может искажаться и уменьшаться по величине.

Подводимая к электрической машине за время энергияпреобразуется в ней в энергию , причем , так как приработе машины имеются потери, связанные с процессом преобразования в ней энергии. Потери энергии, равные , рассеиваются в виде теплоты, нагревая отдельные части машины.

Потери при работе электрической машины в основном складываются:

— из электрических потерь, обусловленных нагревом проводников обмоток и других проводящих контуров при протекании по ним тока (их еще называют потерями в меди);

— магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов в перемагничиваемых ферромагнитных частях машины (потери в стали);

— механических потерь на трение вращающихся частей в подшипниках и о воздух (зависят от скорости ротора).

Отношение называется коэффициентом полезного действия электрической машины. Электрические машины малой и средней мощности имеют КПД, равный 0,8. 0,9, доходящий в машинах большой мощности (тысячи киловатт) до 0,97 ..0,99.

На рис. 6.23 представлены диаграммы преобразования мощности в генераторе и двигателе.

Для генератора (рис. 6.23, а) ,где — мощность механических потерь; — механическая мощность, подводимая к генератору; — мощность электрических потерь в генераторе; — полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором.

Для двигателя (рис. 6.23б) , где— мощность электрических потерь в двигателе;— электрическая мощность, подводимая к двигателю;— мощность механических потерь, обусловленная вращением двигателя;— его полезная механическая мощность.

Электрический момент, создаваемый в электрической машине в процессе преобразования энергии, в генераторе направлен против момента приводного двигателя. Чем большую электрическую мощность развивает генератор, тем больше его противодействующий момент.

В случае электрического двигателя его электромагнитный момент используется для совершения полезной механической работы; он преодолевает момент сопротивления рабочего механизма.

Электрические машины, определение, назначение, обратимость машин

Электрической машиной называют устройство, преобразующее или механическую энергию в электрическую (генератор), или электрическую энергию в механическую (электродвигатель) Электрические машины разделяют по назначению на 2 основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели – для приведения в движение колесных пар электрических локомотивов, вращение валов вентиляторов, компрессоров и т.п. В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции – паровой турбиной, на гидроэлектростанции – водяной турбиной. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии или включить в электрическую сеть. Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель.

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина состоит из двух частей:

I неподвижная часть.

II подвижная часть.

Неподвижная часть электрической машины состоит из:

1. Станина — выполняет роль корпуса и магнитопровода.

1. Дополнительные полюса служат для улучшения работы машины большой мощности, устройство аналогично устройству главных полюсов. Количество дополнительных полюсов кратно 2 и равно количеству главных.

1. Щетки со щеткодержателями выполняют две роли: