В.2. Электромеханическое преобразование энергии

Рассмотрим элементарную электрическую машину, обмотка якоря которой состоит из 1 проводника (рис. 2).

Рис. 2. Элементарная электрическая машина

Если этот проводник перемещать в магнитном поле, например, слева направо, то в нем будет наводиться ЭДС, значение которой можно определить по (1), а направление – по правилу правой руки. Машина в этом случае будет работать генератором. При замыкании проводника на внешнее сопротивление по нему потечет ток , имеющий такое же направление, как и ЭДС. Ток , взаимодействуя с магнитным полем, создает электромагнитную силу , значение которой можно определить по формуле:

(2)

Направление силы определяется по правилу левой руки. Направление этой электромагнитной силы будет противоположно направлению силы , приложенной извне к проводнику. При этом выполняется условие равновесия сил:

(3)

Проведя несложные преобразования (умножив обе части равенства (3) на и использовав выражения (2) и (1)), получим:

(4)

Откуда следует, что в генераторе механическая мощность преобразуется в электрическую .

Если от постороннего источника через проводник пропустить ток , то в результате взаимодействия тока с магнитным полем возникнет электромагнитная сила , под действием которой проводник придет в движение со скоростью . В этом случае машина будет работать двигателем. Направление движения проводника определяется правилом левой руки.

При перемещении проводника в нем наводится ЭДС . Электрическая мощность преобразуется в механическую:

(5)

Выражения (3) – (5) показывают, что в электрической машине происходит электромеханическое преобразование энергии. При этом следует отметить, что и в режиме генератора и в режиме двигателя в машине наводится ЭДС и создается электромагнитная сила, но их роль в разных режимах различна.

В.3. Классификация электрических машин

Электрические машины классифицируются по разным признакам.

По роду тока они подразделяются на машины постоянного и машины переменного тока. Особенностью машин постоянного тока является наличие у них специального механического переключающего устройства – коллектора.

Машины переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные. И в тех и в других возникает вращающееся магнитное поле. У асинхронных машин частота вращения ротора отличается от частоты вращения поля, а у синхронных машин частота вращения ротора совпадает с частотой вращения поля. Существуют также коллекторные асинхронные машины переменного тока.

Специальные электрические машины, предназначенные для преобразования рода тока, частоты, числа фаз переменного тока и т. д называются электромашинными преобразователями.

По числу фаз переменные машины бывают однофазными, двухфазными и трехфазными.

Подвижная часть электрической машины – ротор − может совершать вращающее или поступательное движение. В первом случае это вращающиеся машины (наиболее распространенные), во втором – линейные. Линейные электрические двигатели находят применение в устройствах автоматического управления.

К электрическим машинам относятся и трансформаторы, в которых электрическая энергия преобразуется в электрическую. Строго говоря, трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не происходит преобразования одного вида энергии в другой. В нем электрическая энергия с одними параметрами преобразуется в электрическую энергию других параметров. Однако физические процессы в трансформаторе и электромашинах имеют много общего. Аналогичны и уравнения, описывающие эти процессы. Поэтому теорию трансформаторов рассматривают совместно с теорией электрических машин.

По мощности электрические машины разделяют на микромашины, машины малой мощности, машины средней мощности и машины большой мощности. Поскольку габариты машины зависят не только от ее мощности, но и от конструкции, то нет строгих границ по мощности в указанной классификации. Условно принимают так: микромашины – мощностью до 500 Вт, машины малой мощности – от 0,5 кВт до 10 кВт, машины средней мощности – от 10 кВт до 200 кВт, машины большой мощности – свыше 200 кВт.