Раздел 3. Электрические машины постоянного тока

1. ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ. РЕЖИМЫ ИХ РАБОТЫ

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генера­торы предназначены для выработки электрической энергии, а электро­двигатели — для приведения в движение колесных пар электрических локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электри­ческую. Это означает, что для работы, генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор при­водят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной. Электриче­ские двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в ме­ханическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить прово­дами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на ис­пользовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и маг­нитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразова­ния энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со сво­ими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Ин­дуктор создает в машине магнитное поле; в обмотке якоря индуктиру­ется э. д. с. и возникает ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Принцип действия электрического генератора. Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитномполе (рис. 68, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3. При вращении витка с некоторой частотой вращения п его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуктируется э. д. с. е. При принятом на рис. 68, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки, направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом — к нам. Если подключить к обмотке якоря прием­ник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электриче­ский ток i. В проводниках обмотки якоря ток i будет направлен также как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле прихо­дится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). Как было установлено, при прохождении тока i по расположенным в магнитном поле провод­никам на каждый проводник действует электромагнитная сила F. При указанном на рис. 68, а направлении тока согласно правилу ле­вой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположен­ный под северным полюсом, — сила F, направленная вправо. Ука­занные силы создают совместно электромагнитный момент М, направ­ленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 68, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, на­правлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора. Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент М_вн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора. Следовательно, для продолже­ния нормальной работы генератора к нему необходимо подводить из­вне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двига­телем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генера­тора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механиче­ской энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенса­ции других внутренних потерь энергии в генераторе. При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Р_эл, увеличивается сила тока i, проходящего по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, долж­на быть соответственно увеличена и механическая мощность Р_мх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для про­должения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора вытекает, что характерным для него является:

· совпадение по направлению тока i и э. д. с. е в проводниках об­мотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электриче­скую энергию;