Основы электромеханического преобразования энергии

Электрическая энергия, потребляемая из сети, преобразуется в механическую энергию рабочего органа, совершающего полезную работу. Электромеханическое преобразование энергии происходит в электродвигателях в соответствии с двумя фундаментальными законами электротехники, установленными А. Ампером (1820 г.) и М. Фарадеем (1831 г.).
Согласно закону Ампера на проводник с током / элементарной длины d\ действует элементарная сила d¥y значение и направление которой определяется векторным произведением, где В — вектор магнитной индукции поля, в которое помещен проводник с током.
Применяя этот закон для определения силы, действующей на проводник с током, уложенный в пазу электрической машины (рис. 2.1), и полагая, что индукция по всей активной длине I прямолинейного проводника имеет одно и то же значение, получаем выражение для силы, действующей на проводник якоря, в направлении, определяемом правилом левой руки.
Для электромеханических систем, показанных на рис. В.2 и В.З, важной является связь между током и моментом электродвигателя.
С учетом того, что ток /я, потребляемый якорем двигателя, делится поровну между 2а параллельными ветвями /=/я/2а, а также что при общем числе проводников N на якоре под каждым из 2р полюсов располагается NJ2p распределенных по якорю проводников, выражение электромагнитного момента Мэм, развиваемого двигателем относительно оси вращения, будет представлять собой сумму моментов, развиваемых каждым из проводников якоря, трудностями. Это характерно для машин постоянного тока, где магнитный поток создается постоянными магнитами, или при электромагнитном возбуждении и является неизменным во времени или меняется по законам, сравнительно легко устанавливаемым и контролируемым.
В соответствии с законом Фарадея движение проводника со скоростью v в магнитном поле вызывает на его выводах ЭДС, значение которой для прямолинейного проводника в равномерном по его длине поле определяется выражением
а направление устанавливается правилом правой руки. С учетом конструктивного выполнения якоря электрических машин уравнение (2.3), определяющее ЭДС вращения, можно представить в виде, где о) — угловая скорость вращения якоря.
Электромагнитный момент двигателя отличается от момента на его валу на значение момента потерь в железе статора и ротора, подшипниках и вентиляционных. Но в расчетах обычно пользуются значениями электромагнитного момента, считая момент потерь составляющей момента сопротивления.
Использование выражения электромагнитного момента двигателя в виде (2.2) целесообразно в тех случаях, когда известны законы изменения потока и тока в электрической машине или вычисление их не сопряжено.
Электрические машины содержат индуктивно-активные цепи, для которых характерным является общее выражение для ЭДС, вытекающее из закона Фарадея, где w — число витков контура, пронизанного потоком Ф.
Количественная оценка процесса электромеханического преобразования энергии сводится к задаче расчета токов, потребляемых обмотками двигателя из сети, и магнитного потока, пересекающего витки обмоток. Затем с использованием формул, характеризующих электромеханическое преобразование энергии, вида (2.2) и (2.4) выполняется переход к механическим величинам: моменту М машины и ее скорости.
При выводе зависимостей механических (момента, скорости) и электрических (тока, ЭДС, частоты и т. д.) величин, их связи с параметрами (активными и реактивными сопротивлениями) и конструктивными особенностями электрических машин широко используются уравнения баланса мощностей в машине.
В большинстве случаев при рассмотрении процесса электромеханического преобразования энергии в электродвигателе, питающемся от сети, полагают, что питающая сеть является источником энергии бесконечной мощности. Это значит, что сопротивление сети пренебрежимо мало, т. е. напряжение на выводах машины неизменно и не зависит от тока. При питании же двигателя от индивидуального преобразователя, как это показано на рис. В.2, такое допущение неправомерно, так как мощность преобразователя, как правило, соизмерима с мощностью двигателя и внутреннее сопротивление преобразователя существенно влияет на характеристики электродвигателей и энергетические показатели привода.
Принцип действия многофазных машин переменного тока также основан на законах (2.1) и (2.3). Но конструктивно машины выполнены так, что при питании их многофазным симметричным напряжением зазор машин пронизывают вращающиеся поля, являющиеся результатом совместного действия фазных обмоток, распределенных по статору и ротору, при протекании по ним симметричных многофазных токов.
На рис. 2.2,а показаны области распределения фазных обмоток статора трехфазного двухполюсного асинхронного двигателя. Результирующим действием симметричных трехфазных токов в такой системе за период будет полу-фазовые операторы, означающее вектора переменной на 120 и 240° эти в часовой стрелки.
Такое же поле будет создаваться в двухфазной машине со взаимно перпендикулярными осями обмоток, питаемых двухфазным напряжением с фазовым сдвигом 90°. Это иллюстрируется рис. 2.3,а, б. В отличие от трехфазной системы амплитуда результирующего поля будет равна амплитуде МДС фазной обмотки, где = /7msina)0/;— мгновенные значения МДС фазных обмоток. Соотношение вида справедливо и для других переменных— результирующих токов, потоков, напряжений.
Вращение поля в машинах переменного тока происходит с угловой скоростью, где f — частота питающей сети; р — число пар полюсов машины.
В асинхронном режиме работы машины скорость ротора со отлична от скорости поля, происходит движение проводников ротора относительно поля. Относительная скорость этого движения называется скольжением.
В проводниках ротора согласно (2.5) наводится ЭДС, под действием которой в замкнутой распределенной обмотке ротора появляется ток с частотой.
Результирующим действием токов многофазной распределенной обмотки ротора будет поле ротора, вращающееся по отношению к ротору со скоростью, а по отношению к статору — со скоростью, т. е. в установившемся режиме работы поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга (рис. 2.4). Их взаимное положение оценивается углом между осями векторов. полей, который изменяется с изменением нагрузки на валу машины, т. е. в переходном процессе от одного установившегося режима к другому имеет место взаимное перемещение полей статора и ротора.
В синхронном режиме при равенстве скоростей ротора и поля статора <й=о)о скольжение s=0, проводники ротора неподвижны относительно поля, и согласно закону М. Фарадея в них не наводится ЭДС. Асинхронные двигатели в этом режиме не могут нести нагрузку на валу. В синхронных двигателях поле ротора создается питанием обмотки возбуждения, расположенной на роторе, от источника постоянного тока. Таким образом, и в этом случае поля статора
и ротора будут в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга, вращаясь с синхронной угловой скоростью ©о- Их взаимное положение будет также оцениваться углом между осями векторов полей статора и ротора, изменяющимися в зависимости от нагрузки.