Электрические машины — устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую или наоборот, с помощью электромагнитных процессов. Они делятся на электродвигатели, генераторы и трансформаторы. Работа электрических машин основана на взаимодействии токов и магнитных полей.
1. По назначению:
2. По типу тока:
Машины постоянного тока.
Машины переменного тока:
3. По конструкции:
Основой работы генераторов и двигателей является явление электромагнитной индукции:
$$ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt} $$
где ℰ — электродвижущая сила (ЭДС), Φ — магнитный поток.
Если проводник движется в магнитном поле, в нём индуцируется ЭДС. Если по проводнику течёт ток в магнитном поле, на него действует сила Ампера:
F⃗ = I ⋅ (l⃗ × B⃗)
Таким образом, электрическая энергия может быть преобразована в механическую, и наоборот.
Основные элементы:
Генератор: при вращении якоря в магнитном поле в его обмотке индуцируется ЭДС, преобразующая механическую энергию во вращение в электрическую.
Двигатель: подача тока в обмотку якоря вызывает взаимодействие с магнитным полем статора, создающее вращающий момент.
U = E + I ⋅ R
где U — напряжение на выводах, E — противо-ЭДС, R — сопротивление якорной цепи, I — ток якоря.
Асинхронная машина состоит из:
Магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью:
$$ n_1 = \frac{60 \cdot f}{p} $$
где f — частота сети, p — число пар полюсов.
Ротор вращается с меньшей скоростью:
n = n1(1 − s)
где s — скольжение, характеризующее относительное отставание ротора.
Вращающееся магнитное поле индуцирует токи в роторе, которые, взаимодействуя с этим полем, создают вращающий момент.
$$ M = \frac{P_2}{\omega} $$
где P2 — мощность, передаваемая ротору, ω — угловая скорость.
Мощность:
P2 = (1 − s) ⋅ P1
где P1 — мощность, подведённая к статору.
Ротор синхронной машины вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Чтобы достичь синхронного вращения, на ротор подаётся постоянный ток возбуждения, создающий собственное магнитное поле. Взаимодействие полей создаёт вращающий момент.
Вращение ротора приводит к изменению магнитного потока через обмотки статора, индуцируя ЭДС:
E = 4.44 ⋅ f ⋅ N ⋅ Φ
где N — число витков, Φ — магнитный поток.
Синхронные генераторы широко используются на электростанциях благодаря стабильной частоте выходного напряжения.
Синхронные двигатели требуют внешнего пускового устройства. После достижения синхронной скорости они «прилипают» к полю и работают без скольжения.
Трансформатор — статическая электрическая машина, изменяющая уровень напряжения переменного тока без изменения частоты.
На основе взаимной индукции: переменный ток в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, который индуцирует ЭДС во вторичной обмотке.
$$ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} $$
где U1, U2 — напряжения на обмотках, N1, N2 — число витков.
Коэффициент полезного действия приближается к 98–99% за счёт отсутствия движущихся частей. Потери — в основном на вихревые токи и гистерезис в сердечнике.
Характеристика двигателя — зависимость вращающего момента и тока от скорости. Характеристика генератора — зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.
Для генераторов и синхронных двигателей требуется система возбуждения:
Основные виды потерь:
Для отвода тепла применяются:
С развитием силовой электроники и систем управления появились:
Электрические машины — основа современной энергетики, транспорта и промышленности. Знание их принципов и характеристик необходимо для эффективного проектирования и эксплуатации систем электроснабжения и автоматизации.