Тенденции развития электромеханических преобразователей энергии

Во внутренних взаимосвязях электрических машин, трансформаторов, а также электромеханических динамических и статических преобразователей дискретного действия, в принципах их действия есть очень много общего. Эту всеобщность основных взаимосвязей, конкретных свойств и тенденций развития ЭМПЭ, более легко установить на историческом фоне их создания и практического использования.

Началом практического развития электротехники и ее важной части - электромеханики — можно считать 1800 г., когда Вольта обнаружил первый химический источник ЭЭ — вольтов столб. С появлением источника по­стоянного электрического тока возникло новое широкое поле для исследования тепловых, световых, магнитных и других проявлений электрического тока. Открытие новых свойств и законов в электротехнике и их и фактическое использование определили новые направления развития и тенденции научно-технического прогресса во второй половине XIX ст., в течение XX ст. и на следующие десятилетия.

В 20-ые годы XIX ст. Эрстед, Ампер, Араго и другие ученые определили четкие количественные законы электродинамики. Ом и Кирхгоф сформулировали первые законы электрических цепей. Эпохальным для всех направлений электротехники стало открытие Фарадеем в 1831 г. фундаментального закона электротехники и электромеханики — закона электромагнитной индукции. Наиболее обобщенную модель закона электромагнитной индукции дал Максвелл. Открылась возможность создания ЭМПЭ самого разнообразного назначения, в том числе промышленного.

С открытием электрического освещения, электрического телеграфа и других потребителей ЭЭ, возникла потребность в создании мощных источников ЭЭ. Ими стали генераторы постоянного тока (ГПТ) на базе гидравлических источников естественной энергии. В свою очередь достаточно мощные источники постоянного тока создали предпосылки для широкого использования на местах электрических двигателей постоянного тока (ДПТ). Вследствие этого на смену распространенному на то время групповому паровому приводу станков и механизмов пришел индивидуальный электропривод.

Это кардинально изменило кинематические схемы станков, технологию производства и заложило основы для широкой механизации и автоматизации производственных процессов. Научно-технический прогресс во второй половишь XIX ст. во многом определялся электроэнергетикой постоянного тока.

В конце XIX ст. были созданы новые предпосылки и тенденции в электроэнергетики. Доливо-добровальский разработал и практически осуществил новую систему переменного тока — трехфазную, а также синхронный генератор (на базе МПС), АМ в режиме электродвигателя и трехфазный трансформатор. Это были основы современной электроэнергетики и электромеханики. Теперь на этих принципах базируется электроэнергетика во всем мире. За экспертными оценками такие принципы будут сохраняться в электроэнергетике еще много лет.

Системы трехфазного переменного тока не только дополнили системы постоянного тока, но и стали их вытеснять. Такие тенденции выявились еще в начале XX ст., а в дальнейшем стали усиливаться. На разных производствах интенсивно и широко использовались асинхронные двигатели, особенно с короткозамкнутыми роторами. Они уступали двигателям постоянного тока лишь регулировочными возможностями, а во всем другом — существенно их превосходили: непосредственным использованием стандартного переменного напряжения, простотой пуска и обслуживания, высокой надежностью, в работе.

До 70—80-ых гг. XX ст. электрические системы постоянного тока оставались лишь только там, где была необходима широкая и плавная регулировка частоты вращения вала электродвигателя (электротранспорт, подъемники, механизмы, со сложным управлением). Для обеспечения их источниками ЭЭ производилось необходимое количество ГПС. Но в отличие от своих предшественников ГПС получали МЭ не от гидротурбин или паровых турбин, а от электродвигателей асинхронных (АД) или синхронных (СД). Такие двигатели питаются от общей сети переменного тока, создают МЭ, которая через жесткую механическую муфту передается на вал ГПС. Подобные двухмашинные системы Г—Д иногда используются и до сих пор.

Однако в последние 10—15 лет произошли новые качественные сдвиги в развитии электроэнергетики — в производственную практику широко вошли силовые полупроводниковые неуправляемые и управляемые вентили Они позволяют создавать более эффективные мощные статические выпрямительные устройства, то есть превращать переменный ток общих электрических сетей в постоянный ток. Поэтому исчезает потребность в использовании генераторов постоянного тока.

Управляемые полупроводниковые вентили дают возможность создавать схемы и устройства, которые изменяют частоту переменного тока, — преобразователи частоты — на базе статических ЭМПЭ трансформаторного типа. Они значительно более дешевы и более надежны, чем используемые до этого динамические двухмашинные системы. Такие условия создали широкие возможности

относительно использования статических преобразователей частоты для питания АД и СД и плавной регулировки частоты вращения их валов; это — частотнорегулированные двигатели. Они еще больше суживают сферу использования ДПС.

Эффективное сочетание статического ЭМПЭ с полупроводниковыми управляемыми вентилями открыло пути для подобных сочетаний и с динамическими ЭМПЭ; это — вентильные двигатели и вентильные генераторы. Такие соединения ЭМПЭ с электронными устройствами называют елетромеханотронными (от слов " электромеханика" и " электроника"). их также изучают в последующих специальных курсах.

Классификация электромеханических преобразователей

Электрические машины преобразуют механическую энергию в элек­трическую и обратно электрическую — в механическую. Электромехани­ческое преобразование энергии одно из основных преобразований в ок­ружающем нас мире. Это преобразование энергии используется в живой и неживой природе и в созданных человеком электрических машинах.

Понятие электромеханический преобразователь более широкое, чем электрическая машина Принято считать, что электрические машины созданы человеком и применяются в различных сферах его деятельности. Это же пре­образование энергии природа использует как в мельчайших живых организ­мах— бактериях и макрообъектах таких, как планеты и звезды.

Электрические машины — электромеханические преобразователи (ЭП) — можно разделить на три класса: индуктивные электрические ма­шины, в которых рабочим полем является магнитное поле; емкостные ЭП, в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществляется электрическим полем, и индуктивно-емкостные ЭП, в которых электромеханическое преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями..

В индуктивных ЭП электромеханическое преобразование энергии происходит за счёт изменения индуктивности (потокосцеплений)обмоток, а в ёмкостных –за счёт изменения ёмкости.Индуктивно-ёмкостные электромеханические преобразователив простешем случае представляют собой объединение в одну электромеханическую системудвижущихся частей и электрических цепей индуктивной и ёмкостной машин.

В индуктивных ЭП энергия концентрируется в магнитном поле, а в емкостных — в электрическом поле. В индуктивно-емкостных машинах преобразование энергии происходит в магнитном и электрическом полях.

Хотя ЭП с электрическим рабочим полем появились раньше индуктивных, они как силовые ЭП не нашли промышленного применения. Сделаны пока лишь робкие попытки создания индуктивно-емкостных ЭП при использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Дальше рассматриваем только индуктивные электриче­ские машины, которые получили господствующее положение во всех сферах жизни современного общества.

Все разновидности индуктивных электрических машин по роду питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные (не­синхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах угловая скорость ротора и угловая ско­рость магнитного поля равны друг другу.

В асинхронных машинах угловая скорость ротора не равна угловой скорости поля:. При может быть меньше или больше угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора могут быть противоположными.

Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхронных и синхронных машин тем, что имеют механический преобразователь частоты и числа фаз -— коллектор, который соединен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы –электромагнитные преобразователи энергии. В них не происходит преобразования электрической энергии в механиче­скую и обратно а имеет место преобразование электрической энергии одного вида в другой. Трансформаторы выполняются таким образом, что обмотки не могут перемещаться относительно друг друга.

По режиму работы электрические машины делятся на генераторы и двигатели.

В генераторах механическая энергия, подводимая к валу машины,преобразуется в электрическую энергию.В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию.

Одна и та же электрическая машина может работать и двигателем, и ге­нератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструктивные отличия и на заводском щите машины указывается режим работы.

Синхронные машины могут работать в режиме потребления или отдачи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами. Электрические машины, как правило; выполняются с одной вра­щающейся частью -—ротором и неподвижной частью — статором. Когда вращается только ротор, машина имеет одну степень свободы. Такие ма­шины называются одномерными.

Электромагнитный момент в электрических машинах приложен и к ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям ма­шины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машины, в которой может вращаться и ротор; и статор, — две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается двумя статорами, расположенными под углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электромеха­нические системы, в которых статор и ротор имеют три степени свободы.

Электрические машины могут иметь возвратно-посгупательное движение. Однако в машинах с возвратно-посгупательньш движением статор и ротор разомкнуты и магнитное поле отражается от краев, что приводит к искажению поля в воздушном зазоре. Краевой эффект в линейных элек­трических машинах ухудшает энергетические показатели. Низкие энерге-тические показатели ограничивают применение электрических машин с возвратно-поступательным движением.

Особое место среди ЭП занимают индикаторные машины автомати­ческих устройств Это различные датчики, преобразователи цифровой информации в угловые и линейные перемещения, приборы времени и другие электромеханические устройства навигационных систем.

Бесчисленны конструктивные исполнения электрических машин, которые работают под водой, в космосе, под землей и в обычных условиях. Почти все индуктивные электрические машины имеют вращательное движение, причем обычно вращается одна часть машины — ротор, а ста­тор неподвижен. Однако находят применение и машины с возвратно-поступательным, колебательным, импульсным движением ротора. Используются машины с жидким и газообразным роторами.

Таблица 1.1 - Некоторые даты развития электротехники

Дата	Событие
	У.Гильберт опубликовал первое научное сочинение о магнитных и электрических явлениях, опубликовав трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Впервые введен в науку термин «электричество»
	О.Герике построил первую электростатическую машину
	Т.Эпинус установил связь между электрическими и магнитными явлениями
	Ш.Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов
	И.П. Кулибин сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов, что послужило началом создания емкостных электрических машин
	А. Вольта создал первый электрохимический генератор, получивший название «вольтов столб»
	Х. Эрстед открыл явление электромагнетизма, что явилось исходным положением для создания электрической машины
	Т. Зеебек открыл явление термоэлектричества
	М. Фарадей создал макет первого электродвигателя, в котором применялся постоянный ток в проводнике, а магнитное поле создавалось постоянным магнитом.
	М. Фарадей сформулировал принцип превращения электрической энергии в механическую, что послужило началом конструирования электродвигателей
	П. Барлоу дал первую принципиальную модель электродвигателя
	Г.Ом сформулировал закон, устанавливающий связь между ЭДС, сопротивлением и током электрической цепи, известный как «закон Ома»
	М. Фарадей проведя тысячи опытов показал возможность «превращения магнетизма в электричество», открыв закон электромагнитной индукции. Исключительно важной частью работы Фарадея явилось представление об электромагнитном поле. Он впервые ввел понятие о магнитных силовых линиях. Фарадей приписывал магнитным, а затем и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделяя эти линии свойством тяжести, т.е. формировал представление о некоторой материальной среде, в которой возбуждаются электромагнитные явления и через которую передаются те или иные действия.
	Э. Ленц сформулировал закон о направлении индуктированного тока, установил принцип обратимости электрических машин
	Б.С. Якоби создал многополюсный электродвигатель с вращательным движением якоря, который имел приспособление для переключения тока (прототип современного коллектора)
	Первое практическое применение электрического двигателя. Б.С. Якоби объединил 40 электродвигателей, которые работали на два вала. Вместе с гальванической батареей из 320 элементов они были установлены на катере, имевшем 8,5 м в длину и 2,1 м в ширину. Катер вместе с 16 пассажирами плавал по Неве несколько часов при сильном ветре и против течения.
	Э.Ленц экспериментально показал возможность работы машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах в зависимости от вида подводимой энергии (принцип обратимости электрических машин)
	Д.Максвеллом опубликован «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором изложены основы учения об электромагнетизме.
	И. Фонтен в Вене демонстрировал обратимость электрических машин и возможность передачи электроэнергии на расстояние.
	М. Депре и Д.А. Лачинов независимо друг от друга опубликовали результаты исследований о возможности передачи электроэнергии на большие расстояния.
	М. Депре построил первую линию электропередачи Мисбах – Мюнхен протяженностью 57 км на постоянном токе
	Начала эксплуатироваться в Одессе электрическая сеть однофазного переменного тока напряжением 2000 В.
	М.О. Доливо-Добровольский изобрел систему трехфазного тока
	М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор и трехфазный асинхронный двигатель
	М.О. Доливо-Добровольский построил первую трехфазную линию электропередачи напряжением 15 кВ, мощностью около 200 кВт, протяженностью 175 км (Лауфен – Франфурт-на-Майне)
	М.О. Доливо-Добровольский изобрел линейный асинхронный двигатель

Во́льтов сто́лб — применявшееся на заре электротехники устройство для получения электричества.

В 1800 году итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека.

Извещение об открытии было опубликовано в письме Вольта президенту Лондонского Королевского общества Бэнксу и произвело сенсацию не только в научном мире. Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.

Благодаря этим первым батареям постоянного тока были немедленно сделаны два выдающихся открытия:

Электролиз: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл металлический калий.

Электрическая дуга. В 1803 году русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4 200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2 500 вольт. С помощью этого прибора ему удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, применяемая в электросварке; а в Российской армии стал применяться электрический запал пороха и взрывчатки.

Дата добавления: 2014-01-13