Преобразователи энергии в виде электрических машин
Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.
Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.
Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:
Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.
Вращающиеся преобразователи мощности
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.
Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.
Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.
Статические преобразователи мощности
В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.
В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.
Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.
Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.
Роль электромеханического преобразования энергии
Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.
Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.
Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.
На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.
Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы
Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии
Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.
Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:
Процесс электромеханического преобразования энергии
Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.
Три наиболее важных типа электрических машин:
Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.
Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.
Вращающиеся электрические машины
Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.
Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.
Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.
Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.
Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.
Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.
Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.
Реверсивные машины
Электрические машины в основном реверсивны.
Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.
Потери при преобразовании энергии
Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.
В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.
В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Электрические двигатели в автомобиле
Электрические двигатели в автомобиле — это электрические машины (электромеханические преобразователи), в которых электрическая энергия преобразуется в механическую. В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Вот о том, что представляют собой электрические двигатели, мы и поговорим в этой статье.
Систематика роторных электрических машин
Электрические двигатели в автомобиле являются электро-магнето-механическими преобразователями энергии. При энергии Wm, имеющейся в магнитном поле, разряд, согласно углу вращения γ, создает магнитную силу Ft:
Она служит тангенциальной силой для создания крутящего момента, вычисляемого по радиусу ротора r (рис. «Принцип работы роторных электрических машин» ). Это можно описать выражением:
Электрические машины можно поделить на категории по их управлению (табл. «Систематический подход к электрическим двигателям»). Часть этой систематизации взята из стандарта DIN 42027.
Двигатели постоянного тока
Для работы в качестве двигателей часто выбираются двигатели постоянного тока. Они используются, например, в качестве приводов для электрических топливных насосов, вентиляторных электродвигателей, пусковых электродвигателей, электродвигателей стеклоочистителей ветрового стекла и стеклоподъемников.
Двигатель постоянного тока (рис. «Структура двухполюсного эектродвигателя переменного тока» ) состоит из статора с возбуждающей, компенсирующей и коллекторной обмотками, а также ротора (якоря) с роторной обмоткой. Ротор запитывается через коллекторные щетки и коллекторные пластины. Обмотки можно соединять параллельно или последовательно.
Двигатели постоянного тока классифицируются по различным характеристикам (с последовательным или параллельным возбуждением). Приведенные вычисления относятся к самокоммутирующимся двигателям. Схемы соединений двигателей постоянного тока регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.
Коммутация в двигателе постоянного тока
Для работы двигателя постоянного тока необходимо, чтобы направление тока в роторе оставалось постоянным относительно полюсов статора (рис. «Принцип коммутации тока» ). 
Процесс изменения направления тока в роторе происходит в нейтральной зоне и называется коммутацией. Коммутатор получает ток IR через коллекторные щетки. Он делится на токи ветвей Izw. Напряжение, наводимое в обмотках, вычисляется по формуле:
Тангенциальная скорость vt поверхности коллектора:
Для определения длительности цикла Тс учитывается количество коллекторных пластин:
Изменение тока в коллекторной обмотке происходит за время Тс. Если учесть, что имеет место лишь ток Izw, то для наведенного напряжения применяется следующее:
Обозначения берутся из DIN 1304. часть 7.
Коммутирующая и компенсирующая обмотки
Распределение поля
Главное поле, беспрепятственно проникающее в ротор при отсутствии тока, имеет симметричное распределение (рис. а, «Наложение полей» ). Аналогично, имеется симметричное разделение потока, когда ток подается только на ротор (рис. Ь, «Наложение полей» ).
При наложении этих полей нейтральная зона отклоняется на угол β (рис. с, «Наложение полей» ). Таким образом, эта магнитно-нейтральная зона больше не соответствует геометрически нейтральной зоне (положение коллекторных щеток).
В геометрически нейтральной зоне это создает магнитное поле, которое в процессе коммутации наводит напряжение в обмотке ротора, вызывая искрение между щеткой и движущейся коллекторной пластиной. Во избежание этого в процессе коммутации в этой обмотке наводится другое напряжение, где амплитуда и направление компенсируют эффект изначально наведенного напряжения. Это достигается с помощью коммутирующей обмотки (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Коммутирующая обмотка последовательно подключается к обмотке ротора. Она использует обратную реакцию ротора для противодействия смещению в магнитно-нейтральной зоне.
В случае с двигателями без коммутирующей обмотки щетки нужно смещать в магнитно-нейтральную зону. Возмущение основного поля, возникающее в области полюсного башмака, ведет к снижению доступной поверхности клеммы вкупе с ростом магнитного сопротивления. Вот почему у более крупных двигателей имеется компенсирующая обмотка, встроенная как полюсный башмак (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Компенсирующая обмотка последовательно соединяется с обмоткой ротора, и ее размеры таковы, чтобы компенсировать поперечное поле ротора.
Эффект коммутирующей и компенсирующей обмоток
Последовательность изображений на рис. «Эффект компенсирующей и коммутирующей обмоток» описывает эффект обеих обмоток. Показаны распределения полей в воздушном зазоре. Расположение полюсов с обмоткой и нейтральной зоной показано на рис. а. Распределение поля возбуждения ВE(х) под полюсным башмаком, а также полюсное деление τР показаны на рис. Ь. На рис. с показано распределение поперечного поля ротора Br(x). Наложение обоих распределений полей можно увидеть на рис. d. Компенсирующая индукция Bk(x) (рис.5е) и наложение из рис. d показаны на рис. f. Если коммутирующая индукция Bw(x) на рис. g накладывается на распределение поля из рис. f, то получаем желаемое распределение поля согласно рис. h.
 |  |
Расчет тангенциальной силы ротора
Для создания крутящего момента на роторе необходима тангенциальная сила. Объекты исследования — статор и ротор с канавкой (рис. «Расположение статора и ротора» ), в которой находится токоведущий проводник (прядь обмотки). Ротор перемещается из положения 1 в положение 2. Поток статора Фs создает индукцию Bs в воздушном зазоре, а проводник в роторе, через который протекает ток, вызывает индукцию ВR. С левой стороны канавки образуется деструктивное, а с правой стороны — конструктивное наложение этих двух индукций. Энергия, накопленная в воздушном зазоре с левой стороны канавки, равна:
С правой стороны канавки она равна:
dW1 = (δIL/2μ0) (Bs 2 +BR 2 )dx (уравнение 2).
Работа dW, выполняемая в этой части, получается из разности между энергиями dW1 и dW2:
dW = dW1- dW2 = Ft dx (уравнение 3).
Уравнения 1, 2 и 3 можно использовать для вычисления силы Ft. Это можно описать выражением:
Ft = (lRδ/2μ0) BR 2
Магнитно-эффективная длина ротора равна lR. Сила Ft — это квадратичная функция индукции провода, по которому протекает ток. Влияния индукции статора компенсируют друг друга. Поскольку силы на пограничных слоях всегда воздействуют в направлении низкой проницаемости, то они влияют на крутящий момент из-за потоков, возникающих по бокам от канавки.
Электродвигатель параллельного возбуждения
Особенностью электродвигателя параллельного возбуждения является то, что обмотка ротора параллельно соединяется с обмоткой возбуждения. 
Для электродвигателя параллельного возбуждения действуют следующие условия подключения (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с параллельным возбуждением» ):
Расчет электродвигателя параллельного возбуждения базируется на сопротивлении ротора RA и напряжении, наводимом обмоткой ротора. Напряжение на клеммах UKl составляется из напряжения ротора UA = IА RA и наведенного напряжения Uind = c1 n ФS:
UKl = IА RA + c1 n ФS (уравнение 4).
Здесь с1 обозначает конструктивно определяемую константу двигателя, зависящую от количества катушек в обмотке ротора, n — частота вращения, ФS — поток статора, IА — ток ротора.
Решение уравнения 4 для n дает скорость вращения (уравнение частоты вращения — тока ротора):
Если момент двигателя Мм = с2ФS IАвставить в уравнение частоты вращения — тока ротора (уравнение 5), то получим уравнение частоты вращения — крутящего момента
с2 — это тоже конструктивно определяемая константа двигателя, зависящая от количества катушек в обмотке ротора.
На рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с параллельным возбуждением» показаны рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения. Для преодоления трения двигатель должен развивать фрикционный момент MR. В момент включения частота вращения равна нулю. Это позволяет вычислить пусковой момент
в уравнении 6. При теоретически самой высокой частоте вращения на характеристической кривой (холостые обороты), двигатель не развивает крутящий момент. Холостые обороты n0 равны
Электродвигатель с последовательным возбуждением
У электродвигателя с последовательным возбуждением коммутирующая, компенсирующая, возбуждающая обмотки статора и обмотка ротора соединяются последовательно (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с последовательным возбуждением» ). D обозначает обмотку возбуждения электродвигателя с последовательным возбуждением. Чтобы определить рабочие характеристики, суммируем сопротивления обмоток, и получаем сопротивление RA.
Точно таким же образом, как и в случае с электродвигателем параллельного возбуждения, напряжение на клеммах UKL складывается из напряжения ротора и наведенного напряжения:
В результате получаем уравнение скорости вращения:
Магнитный поток можно вычислить с помощью другой константы двигателя с3:
Ф = с3 IА (уравнение 9).
Константа двигателя с3 имеет единицу индуктивности и поэтому зависит от геометрии, количества катушек и проницаемости. Крутящий момент двигателя Мм вычисляется по формуле
Мм = с2с3IА 2 (уравнение 10).
Если уравнение 10 скорректировать согласно IА, это выражение будет действительно в уравнении 9 и оно, в свою очередь, в уравнении частоты вращения — тока (уравнение 8). В результате получаем:
n = (- RA/c1·с3) + (UKl √с2·с3/с1·с3) (1/√Мм ) (уравнение 11).
В отличие от электродвигателя с параллельным возбуждением, здесь частота вращения пропорциональна соответствующему значению корня крутящего момента (рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с последовательным возбуждением» ). Двигатель характеризуется значительным падением частоты вращения при малой нагрузке. Если внешняя нагрузка на двигатель будет равна нулю, то частота вращения теоретически будет стремиться к бесконечности.
Классификация электрических машин
Электрические машины, как и другие устройства, также можно классифицировать. Классифицируют электрические машины по назначению, принципу действия и роду тока, мощности, по частоте вращения.
Классификация по назначению
Электрические машины по своему назначению подразделяют на:
Классификация по роду тока и принципу действия
Как известно, существует два рода электрического тока – переменный и постоянный. Исходя из этого, электрические машины также подразделяют по роду тока на два вида –машины электрические переменного тока и машины электрические постоянного тока.
Электрические машины переменного тока
В свою очередь электрические машины переменного тока делят на:
Электрические машины постоянного тока
В недалеком прошлом были они самыми популярными в регулируемом электроприводе из-за простоты управления ими. Они работают практически во всех сферах промышленности и транспорта. Из-за повышенной стоимости и требовательности в обслуживании активно вытесняются частотно-регулируемыми электроприводами переменного тока.
В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока. Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте (тепловозы, теплоходы и другие), а также в промышленности (система генератор — двигатель). Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем.
Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей.
Электрические микромашины
Микромашины активно применяются в устройствах автоматических. Соответственно их подразделяют на группы:
Машины первых двух групп довольно часто называют силовыми, а электродвигатели третьей – пятой групп информационными.
Классификация по мощности
Также электрические машины классифицируют еще и по мощности. И по мощности их делят на:
Классификация по частоте вращения
Условно их разделяют на:
Микромашины же могут изготавливать с частотой вращения вала от нескольких оборотов в минуту до 60 000 оборотов в минуту. Скорость вращения машин средней и большой мощности, как правило, не превышает 3000 об/мин.