Принцип действия электрических машин

   Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил, законах Ома, Джоуля-Ленца. Используя их можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими процесс работы электрической машины.

Режим генератора. Рассмотрим два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В него между полюсами помещен проводник, сечение . Если этот проводник передвигать слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет ЭДС

 

, [В]                                                         (1)

 

В – индукция в месте нахождения проводника (в сек/см²)

l - длина проводника [см]

V - скорость движения проводника [см/сек]

Рис.2

       

   Направление наведенной ЭДС определяем по правилу правой руки. Правило дается для определения направления ЭДС в проводнике, пере                                          мещающемся относительно магнитного поля. ЭДС в проводнике направлена “от нас”, обозначаем . Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникает электромагнитная сила

                 (2)

Направление силы F_эм определяем по правилу “левой руки”. В нашем случае сила F_эм направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассмотренном элементарном генераторе сила F_эм является тормозящей для движущей силы. F.

При равномерном движении проводника к нему должна быть приложена механическая сила равная электромагнитной.

F=F_эм                                                                                           (3)

Если умножить обе части равенства на скорость V, то получим

                                                                              (4)

 

Представляя в правую часть F_эм из (2) и V из (1), то

                                                                (5)

Отсюда видно, что механическая мощность FV преобразуется в электрическую мощность Ie.

 

 

Режим двигателя. Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление как на рис.3 то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_эм, которая согласно правилу «левой руки» заставит проводник передвигаться влево в магнитном поле.

 

При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением противоположным напряжению U и току I. Таким образом, часть напряжения U, приложенная к проводнику, уравновешивается ЭДС, а другая часть составляет падения напряжения в проводнике:

U = Е + Ir,                                                    (6)

где r – электрическое сопротивление проводника

   Умножим обе части равенства на I

UI = IЕ + I²r,

   Представляя вместо Е значение ЭДС из (4)

UI = BlVI + I²r и согласно (2)

UI = F_эм V+ I²r,

 

Таким образом, электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_эм V) энергию и частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод:

А) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения (кроме трансформатора);

Б) при работе электрической машины, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, одновременно наблюдается индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока;

В) взаимное преобразование механической и электрической энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, то есть одна и та же машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют ОБРАТИМОСТЬЮ. Принцип обратимости был впервые установлен русским ученым Ленцем в 1833 году.        

Диапазон мощностей электрических машин очень широк - от долей Вт до сотен тысяч КВт, следовательно, и требования, предъявленные к электрическим машинам различны.

   Для изготовления электрических машин и трансформаторов применяются материалы, подразделяющиеся на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.

   Конструктивные материалы применяют для изготовления таких деталей и частей машины, которые служат для передачи и восприятия механических воздействий (валы, станины, подшипниковые щиты, стояки, крепежные детали). Это те же материалы что и в общем машиностроении: чугуны (простой, ковкий), сталь (литая, кованая), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.

   Активные материалы подразделяют на магнитные и проводниковые (токопроводящие), которые предназначены для создания в трансформаторах или машинах необходимых условий, в которых протекают электромагнитные процессы (обмотки и сердечники магнитопровода). Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к материалам предъявляются требования к их механическим, магнитным и электрическим свойствам.

Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих части трансформаторов и машин от других их частей и друг от друга. Изоляция – один из основных элементов трансформатора и электрической машины, она во многом определяет надежность в работе. Нагревостойкость изоляции определяет допустимые температуры обмоток, а следовательно и нагрузки активных материалов (плотность тока для проводников, индукция для стали). Большое значение имеет теплопроводность, а так же влагостойкость и химическая стойкость. Большое значение уделяется механической прочности изоляции, т.к. в процессе установки и эксплуатации изоляция подвергается высоким механическим нагрузкам.

 

Трансформатор

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: