Лекция №2. Электромеханическое и электрическое преобразование энергии в электрических машинах

Цель лекции:

- ознакомить студентов с ээлектромеханическим и электрическим преобразованием энергии в электрических машинах.

Содержание лекции:

- электромеханическое преобразование энергии;

- основные режимы работы электрической машины;

Электромеханическое преобразование энергии сопровождается обязательным пре­образованием электрической или механиче­ской энергии в тепловую. Преобразование энергии в тепло в электрических машинах принято называть потерями, так как тепло­вая энергия при эксплуатации электрических машин, как правило, не используется в прак­тических целях. В электрических машинах большой мощности в тепло преобразуются единицы или даже доли процентов энергии, подводимой к электрическим выводам или валу машины. В машинах малой мощности в тепло может преобразовываться большая часть энергии, подводимой к машине, поэтому КПД машин малой мощности неболь­шой.

Рисунок 2.1 - Электрическая машина как шестиполюсник

Для общего представления о работе машины как преобразователя энергии ее можно представить в виде шестиполюсника (см. рисунок 2.1), у которого есть два электрических вывода U, 1, два механических вывода М, п и два тепловых Q, t. Электрические выводы связаны с электрической мощностью и ха­рактеризуются напряжением U и током 1; механические связаны с механической мощ­ностью и характеризуются моментом на валу машины М и частотой ее вращения и; тепловые выводы связаны с потерями энер­гии, возникающими в процессе преобразова­ния, и характеризуются количеством выде­ленного тепла Q и температурой частей электрической машины t. Внутреннее сопро­тивление машины в самом общем случае можно охарактеризовать сопротивлением Z_э,м.

Работа электрической машины - может происходить в двух основных режимах: уста­новившемся и динамическом, или переход­ном. В установившемся режиме все входные величины на выводах шестиполюс­ника, представляющего электрическую ма­шину, и сопротивления самой машины неиз­менны во времени. В динамическом режиме обязательно изменяются одна, не­сколько или все входные величины и пара­метры машины. В связи с этим анализ работы машины в динамических режимах значительно более сложен, чем в установив­шихся.

При работе электрической машины ге­нератором механическая энергия подво­дится к валу, т.е. к механическим выводам М, п (см. рисунок 2.1), а электрическая энергия сни­мается с выводов U, I. При работе двига­телем энергия подается на электрические выводы, а снимается с механических. По­мимо двигательного или генераторного ре­жима электрические машины могут работать также в тормозном и трансформаторном режимах.

Трансформаторный режим ха­рактерен для асинхронных машин с фазными роторами. Он возникает при заторможенном (неподвижном) роторе и включении обмотки статора в сеть. Преобразования электриче­ской энергии в механическую в этом режиме не происходит, так как частота вращения ро­тора равна нулю. Электрическая энергия, подводимая к статору, преобразуется в элек­трическую энергию, которая снимается с выводов роторной обмотки. В этом случае механические выводы рассматриваемого ше­стиполюсника должны быть заменены на электрические.

Специально рассчитанные асинхронные машины могут длительное время работать в трансформаторном режиме. При различ­ных положениях фазного ротора такой ма­шины оси фаз обмотки ротора изменяют свое положение относительно обмотки ста­тора, что вызывает изменение амплитуды и фазы напряжения на обмотке ротора. Этот принцип регулирования используется в ин­дукционных регуляторах и фазорегуляторах, получивших распространение в различных схемах регулирования, например в испыта­тельных установках большой мощности.

В тормозном режиме направление вращения ротора обратно направлению вра­щения поля. При этом машина потребляет как электрическую энергию со стороны элек­трических выводов, так и механическую энергию со стороны механических выводов шестиполюсника (см. рисунок 2.1). Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую и расхо­дуется внутри машины на нагрев ее частей, а также рассеивается в окружающую среду. Тормозные режимы — самые тяжелые с точ­ки зрения нагрева частей электрической ма­шины, поэтому большинство электрических машин рассчитано лишь на кратковремен­ную работу в тормозных режимах.

Различают два вида электрического тор­можения: динамическое и рекуперативное. При динамическом торможении, при­меняемом, например, в двигателях постоян­ного тока, якорь машины отключается от сети и включается на резистор при остав­шейся включенной обмотке возбуждения. Машина работает как генератор постоян­ного тока, потребляя механическую энергию вращающихся частей и генерируя электриче­скую энергию, которая расходуется на на­грев включенного резистора.

При рекуперативном торможении двигатель также переходит в генераторный режим и генерируемая энергия отдается в сеть. Рекуперативное торможение харак­терно для асинхронных двигателей, напри­мер для двигателей приводов лифтов, в которых путем переключения во время работы машины статорной обмотки на большее чис­ло полюсов уменьшается частота вращения поля. Ротор по инерции некоторое время продолжает вращаться с прежней частотой, большей, чем частота вращения поля после переключения числа полюсов обмотки. В это время машина работает в генераторном режиме и отдает электрическую энергию в сеть, потребляя кинетическую энергию дви­жущихся частей приводного механизма. При замедлении частоты вращения ротора до ча­стоты ниже синхронной машина опять пере­ходит в двигательный режим и работает с частотой вращения, соответствующей но­вому числу полюсов обмотки статора.

Для синхронных машин важным явля­ется режим синхронного компенсатора, при котором активная электрическая мощность, получаемая из сети, расходуется только на потери внутри машины, а синхронная ма­шина генерирует или потребляет из сети реактивную мощность. В компенсаторном режиме могут работать все синхронные ма­шины, однако для практического использо­вания производят специальный тип машин — синхронные компенсаторы, в которых ге­нерирование или потребление реактивной мощности происходит с наименьшими поте­рями активной энергии.

По характеру нагрузки и частоте вра­щения ротора различают также режимы нагрузки, холостого хода и короткого за­мыкания машины.

При холостом ходе нагрузка на валу в двигательном режиме или электриче­ская мощность на выводах в генераторном режиме равна нулю. В режиме, близком к холостому ходу, работают многие электри­ческие машины, в том числе и целый класс индикаторных машин, к которым относятся тахогенераторы, вращающиеся трансформа­торы, сельсины и т. п.

В режиме короткого замыкания генераторов сопротивление нагрузки равно нулю. В режиме короткого замыкания двига­телей равна нулю частота вращения. Режим короткого замыкания характерен для на­чального момента пуска двигателя из непо­движного состояния. При включении об­мотки статора на номинальное напряжение ток двигателя достигает больших значений, поэтому длительный режим короткого замы­кания опасен для машин, не рассчитанных на работу при таких условиях. Короткое замы­кание двигателей и генераторов, проводимое при пониженном напряжении, используется при испытаниях электрических машин для опытного определения ряда их параметров.

Дата добавления: 2014-12-07