Электромеханическое и электрическое преобразование энергии

Электромеханика

Уровень развития материальной культуры человеческого общества в первую очередь определяется созданием и использованием источников энергии. Применение пара, а в последние 100 лет электричества, совер­шило техническую революцию в промышленности и оказало решающее влияние на развитие социальных отношений.

В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека приходится до 10 кВт всех видов энергии. Это примерно в 100 раз боль­ше, чем мускульная мощность человека, которая еще 200 лет назад была основной в промышленности и сельском хозяйстве.

С полным основанием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими ма­шинами. Но электрические машины могут работать не только в генера­торном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расхо­дами материалов на единицу мощности, экологически чистые электроме­ханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества ог­ромное значение!

Подавляющее большинство электромеханических преобразователей имеют вращательное движение. Обычно в электрических машинах имеет место взаимное перемещение проводников, в которых проходит электрический ток.

В электромеханических преобразователях энергии, взаимно перемещающиеся части разделены воздушным зазором. В воздушном зазоре сосредоточена энергия электромагнитного поля, связывающего вращающуюся и неподвижную обмотки. Именно в воздушном зазоре происходит преобразование энергии из электрической в механическую и обратно.

История развития электромеханики свидетельствует о существовании двух крайних подходов к теории электромеханического преобразования энергии: на базе теории поля и теории цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей – на основе уравнений Кирхгофа.

Третий, наиболее прогрессивный подход к анализу процессов электромеханического преобразования энергии – комбинированный подход, сочетающий теорию поля и теорию цепей. Магнитное поле не отделимо от токов, его создающих, а токи не могут существовать без магнитного поля. Третий метод, объединяющий два фундаментальных метода, и составляет теоретическую основу, когда исходя, из картины поля в воздушном зазоре записывают уравнения напряжений, а через токи или потокосцепления выражаются уравнения электромагнитного момента.

Электромеханическое преобразование энергии в индуктивных электрических машинах происходит в воздушном зазоре – пространстве, где сосредоточена энергия магнитного поля. Зная картину поля, можно определить напряжение, токи, моменты, потери, электрические параметры и другие величины в установившемся и переходном процессах.

Однако определить магнитное поле в любом электромеханическом преобразователе – трудная задача, решить которую сложно даже с помощью вычислительной техники.

Преобразование энергии из электрической в механическую и обратно невозможно без участия электромагнитного поля. В машине должен быть воздушный немагнитный зазор, в котором создается поле, обеспечивающее накопление магнитной энергии, численно равной преобразуемой энергии.

При электромеханическом преобразовании энергии одно поле должно быть неподвижно относительно другого.

Энергия магнитного поля W_м=1/2 BH, если магнитное поле создается N токами, через потокосцепления и токи, энергия поля определится:

.

Для магнитной цепи с воздушным зазором, что имеет место в электрических машинах, магнитную энергию можно определить через н.с. F и поток :

или через магнитное сопротивление и магнитную проводимость , тогда в линейной системе .

Зная магнитную энергию, можно для линейной системы определить силу притяжения, которая определяет момент.

; или .

Можно эту силу определить и через изменения н.с. F, , и по изменению индуктивности , так как Lсвязана с магнитной проводимостью через геометрию магнитной системы. Из последнего уравнения видно, что изменение индуктивности необходимо для электромеханического преобразования энергии. Из выше перечисленных уравнений следует, что для электромеханического преобразования энергии необходимо, чтобы среди была хотя бы одна переменная. При этом может изменяться либо один параметр, либо одновременно несколько.

Первые городские электростанции появились в самом конце XIX ве­ка. В настоящее время установленная мощность электростанций на Земле равна, примерно, 4000 млн. кВт. Выработка электроэнергии достигла, примерно, 25000 млpд. кВт∙ч в год. Если и в дальнейшем производство электроэнергии будет расти такими же темпами, то в ближайшие годы производство электроэнергии достигнет 0,1 % всей энергии, получаемой Землей от Солнца. Производство электроэнергии становится глобальным и влияет на окружающую нас среду.

Электротехническая про­мышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хо­зяйства. Без электрических ма­шин не может развиваться ни одна комплексная научная про­грамма. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в жи­вотноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без пре­увеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.

Дата добавления: 2014-10-15