В.2. Електричні машини - електромеханічні перетворювачі енергії

Вивчення електричних машин засновано на знаннях фізичної сутності електричних і магнітних явищ, що викладають у курсі теоретичних основ електротехніки. Однак перш ніж приступитися до вивчення курсу «Електричні машини», нагадаємо фізичний зміст деяких законів й явищ, що лежать в основі принципу дії електричних машин, у першу чергу закону електромагнітної індукції.

Рис. В.1. До понять про «елементарний генератор» (а) і «елементарному двигуні» (б)

У процесі роботи електричної машини в режимі генератора відбувається перетворення механічної енергії в електричну. Природа цього процесу порозумівається законом електромагнітної індукції: якщо зовнішньою силою  впливати на поміщений у магнітне поле провідник і переміщати його (мал. В. 1,а), наприклад, ліворуч праворуч перпендикулярно вектору індукції  магнітного поля, то в провіднику буде наводитися електрорушійна сила (ЕРС)

,                                      (В. 1)

де – магнітна індукція, Тл;  – активна довжина провідника, тобто довжина його частини, що перебуває в магнітному полі, м;  – швидкість руху провідника, м/с.

Для визначення напрямку ЕРС варто скористатися Правилом «правої руки» (мал. В. 2,а). Застосувавши це правило, визначимо напрямок ЕРС у провіднику (від нас). Якщо кінці провідника замкнуті на зовнішній опір  (споживач), то під дією ЕРС у провіднику виникне струм такого ж напрямку. Таким чином, провідник у магнітному полі можна розглядати в цьому випадку як елементарний генератор.

У результаті взаємодії струму  з магнітним полем виникає діюча на провідник електромагнітна сила

,                 (В. 2)

Рис. В.2. Правила «правої руки» й «лівої руки»

Напрямок сили  можна визначити за правилом «лівої руки» (мал. В. 2, б). У розглянутому випадку ця сила спрямована праворуч ліворуч, тобто протилежно руху провідника. Таким чином, у розглянутому елементарному генераторі сила  є гальмуючою стосовно рушійної сили .

При рівномірному русі провідника . Помноживши обидві частини рівності на швидкість руху провідника, одержимо

Підставимо в це вираження значення  з (В. 2):

                                  (В. З)

Ліва частина рівності визначає значення механічної потужності, затрачуваної на переміщення провідника в магнітному полі; права частина – значення електричної потужності, що розвиває в замкнутому контурі електричним струмом . Знак рівності між цими частинами показує, що в генераторі механічна потужність, затрачувана зовнішньою силою, перетвориться в електричну.

Якщо зовнішню силу  до провідника не прикладати, а від джерела електроенергії підвести до нього напруга  так, щоб струм  у провіднику мав напрямок, зазначений на мал. В. 1, б, то на провідник буде діяти тільки електромагнітна сила . Під дією цієї сили провідник почне рухатися в магнітному полі. При цьому в провіднику индуктується ЕРС із напрямком, протилежним напрузі . Таким чином, частина напруги , прикладеного до провідника, урівноважується ЕРС , наведеної в цьому провіднику, а інша частина становить спадання напруги в провіднику:

,                                (В. 4)

де  – електричний опір провідника.

Помножимо обидві частини рівності на струм :

.

Підставляючи замість  значення ЕРС із (В. 1), одержимо

,

або, згідно (В.2),

.                             (В. 5)

Із цієї рівності треба, що електрична потужність (  ), що надходить у провідник, частково перетвориться в механічну (  ), а частково витрачається на покриття електричних втрат у провіднику(  ). Отже, провідник зі струмом, поміщений у магнітному полі, можна розглядати як елементарний електродвигун.

Розглянуті явища дозволяють зробити вивід: а) для будь-якої електричної машини обов'язкова наявність електропровідного середовища (провідників) і магнітного поля, що мають можливість взаємного переміщення; б) при роботі електричної машини як у режимі генератора, так й у режимі двигуна одночасно спостерігаються індукування ЕРС у провіднику, що перетинає магнітне поле, і виникнення сили, що діє на провідник, що перебуває в магнітному полі, при протіканні по ньому електричного струму; в) взаємне перетворення механічної і електричної енергій в електричній машині може відбуватися в будь-якому напрямку, тобто та сама електрична машина може працювати як у режимі двигуна, так й у режимі генератора; ця властивість електричних машин називають оборотністю. Принцип оборотності електричних машин був уперше встановлений росіянином ученим Э. X. Ленцем.

Розглянуті «елементарні» електричні генератор і двигун відбивають лише принцип використання в них основних законів й явищ електричного струму. Що ж стосується конструктивного виконання, то більшість електричних машин побудовано на принципі обертового руху їхньої рухливої частини. Незважаючи на велику розмаїтість конструкцій електричних машин, виявляється можливим уявити собі деяку узагальнену конструкцію електричної машини. Така конструкція (мал. У.З) складається з нерухомої частини 1, називаної статором, і обертової частини 2, називаної ротором. Ротор розташовується в розточенні статора й відділений від нього повітряним зазором. Одна із зазначених частин машини постачена елементами, що збуджують у машині магнітне поле (наприклад, електромагніт або постійний магніт), а інша - має обмотку, що будемо умовно називати робочою обмоткою машини. Як нерухома частина машини (статор), так і рухлива (ротор) мають сердечники, виконані з магнітно-м'якого матеріалу який володіє невеликим магнітним опором.

Якщо електрична машина працює в режимі генератора, то при обертанні ротора (під дією приводного двигуна) у провідниках робочої обмотки наводиться ЕРС і при підключенні споживача з'являється електричний струм. При цьому механічна енергія приводного двигуна перетвориться в електричну. Якщо машина призначена для роботи як електродвигун, то робоча обмотка машини підключається до мережі. При цьому струм, що виник у провідниках обмотки, взаємодіє з магнітним полем і на роторі виникають електромагнітні сили, що приводять ротор в обертання. При цьому електрична енергія, споживана двигуном з мережі, перетвориться в механічну енергію, затрачувану на обертання якого-небудь механізму, в ЕРС та й т.п.

Можливі також конструкції електричних машин, у яких робоча обмотка розташована на статорі, а елементи, що збуджують магнітне поле, - на роторі. Принцип роботи машини при цьому залишається колишнім.

Діапазон потужностей електричних машин досить широкий - від часток ватів до сотень тисяч кіловат.

Рис. В.З. Узагальнена конструктивна схема електричної машини