Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100%.

Мы не сделаем большой ошибки, если скажем, что окружающий нас мир состоит из преобразователей энергии. Все преобразователи энергии можно разделить на простые и сложные.

В простых преобразователях энергия одного вида полностью преобразуется в энергию другого вида. Примером такого преобразователя может служить электрическая печь, в которой электрическая энергия полностью преобразуется в тепло.

В сложных преобразователях, а их большинство, энергия одного вида преобразуется в энергию двух (реже трех или нескольких) видов. К сложным преобразователям относятся преобразователи световой энергии в электрическую, химической энергии — в механическую, ядерной энергии — в электрическую и др. В сложных преобразователях обычно есть сопутствующее преобразование энергии в тепло.

Говоря о КПД, следует отметить, что вкладывается в понятие полезного действия. Инженеры, занимающиеся электропечами, вводят понятие КПД печи, считая, что только часть тепла расходуется на технологический процесс. Поэтому КПД электропечи в этом смысле не равен 100%.

В электрических машинах энергия, преобразующаяся в тепло, относится к потерям, и КПД есть отношение электрической мощности, отдаваемой в сеть, к механической (режим генератора) или отношение полезной механической — к электрической мощности, забираемой из сети (режим двигателя).

Электромеханические преобразователи энергии относятся к сложным преобразователям, так как электромеханическое преобразование энергии в них всегдасопровождаетсяпреобразованиемэлектрическойPэл илимеханическойРмех энергиив тепловую Рт (рисунок1.30).

Рисунок 1.30. Направления по токов энергии в электрической машине

В самом общем виде ЭП (или электрическую машину) можно представлять как шестиполюсник с внутренним сопротивлением Zэп и двумя электрическими, двумя механическими и двумя тепловыми выводами.

При создании ЭП стремятся уменьшить потери — потоки тепловой энергии, что приводит к уменьшению габаритов и удешевлению электромеханических преобразователей. Созданы электрические машины с КПД, равным 99%, а в трансформаторах достигнут КПД, равный 99,8%. Такие высокие КПД являются исключительным техническим достижением. Следует иметь в виду, что высокие КПД имеются в электрических машинах большой мощности. В ЭП небольшой

мощности КПД может составлять всего несколько процентов, т.е. большая часть механической или электрической энергии в таких машинах преобразуется в тепло. Для электрических машин, в которых осуществляется электромеханическое преобразование энергии, предложено математическое описание, адекватно отражающее процессы, происходящие в машине. Математические модели — уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, — весьма разнообразны. Наиболее общее математическое описание процессов преобразования энергии в электрических машинах дают дифференциальные уравнения, которые справедливы для переходных и установившихся процессов. При исследовании электрических машин, как и при исследовании других физических объектов, целесообразно работать с математической моделью и реальной машиной.

Уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, не имеют решения, если активные сопротивления, входящие в эти уравнения в виде коэффициентов перед переменными, равны нулю. Если математическая модель не дает решения, то и реальная машина не должна преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно. Нельзя создать электрическую машину, в которой вся энергия преобразовывалась бы из электрической в механическую или, наоборот, из механической в электрическую, а преобразование энергии в тепло отсутствовало бы. Чтобы не было в электрической машине преобразования энергии в тепло, машина должна быть выполнена без стали, со сверхпроводящими обмотками и без механических потерь. Такое электротехническое устройство построить можно. Однако оно будет не электромеханическим преобразователем, а накопителем энергии.

Накопители по своей конструкции близки к электрическим машинам. Накопители энергии могут быть выполнены как статические устройства и как вращающиеся машины; примером может служить гироскоп со сверхпроводящими обмотками. Это электрическая машина, которая могла бы вращаться бесконечно долго, так как в ней практически нет потерь. Но если к ее валу приложить момент сопротивления, то она остановится. Нормальным состоянием ЭП является вращение, и гироскоп со сверхпроводящими обмотками может вращаться вечно, не создавая электромагнитного момента.

Электромеханика — наука о замкнутых контурах. Электромеханический преобразователь можно представлять как шестиполюсник (рисунок 1.31) с двумя электрическими выводами, характеризуемыми напряжением U и частотой f с двумя механическими выводами, определяемыми моментом М и частотой вращения — механической частотой n, а также тепловым контуром, характеризуемым количеством тепла Q и температурой t.

Рисунок 1.31 Представление электрической машины в виде шестиполюсника

Рисунок 1.32. Представление электрической машины в виде четырехполюсника

При анализе процессов преобразования энергии в электрической машине считают внешние сопротивления электрической, механической и тепловой цепей равными нулю. При этом электрическая сеть считается сетью бесконечной мощности и поэтому изменение режима работы электрической машины не влияет на изменение напряжения и частоты. Нагрев машины не влияет на температуру окружающей среды. Механическая нагрузка на валу обычно считается постоянной.

При исследовании электрических машин нельзя забывать об электрической сети, в которой могут изменяться внутреннее сопротивление, а также частота и напряжение. Машина может работать в ограниченном пространстве, и температура среды, окружающей машину, может изменяться. Изменение инерционных масс на валу машины и момента нагрузки также влияет на работу машины.

Нельзя подходить формально к законам электромеханики, так как может показаться, что машины со сверхпроводящими обмотками не будут работать. Это не так. Можно представить электрическую машину без потерь (без стали со сверхпроводящими обмотками), но для того чтобы осуществлялось преобразование энергии в такой машине, необходимо активное сопротивление, которое может быть включено в контуры тока вне машины. Здесь потери вынесены из машины в электромеханическую систему, и в машине со сверхпроводящими обмотками будет происходить электромеханическое преобразование энергии.

В большинстве исследований тепловой контур рассматривается как имеющий бесконечный объем с неизменной температурой. Поэтому электромеханический преобразователь можно представлять как четырехполюсник с внутренним сопротивлениемZэп (рисунок1.32),с двумя электрическими выводами напряжением U и электрической частотой f а также двумя механическими выводами — моментом на валу М и частотой вращения n. Электрическая машина в виде четырехполюсника с двумя электрическими и двумя механическими выводами и внутренним сопротивлением Zэп=0рассматриваетсяпри решениизадач электромеханики, когда процессы преобразование энергии внутри машины не имеют определяющего значения.

При работе электрической машины в ней выделяется тепловая энергия. Однако можно создать электрическую машину, в которой за счет эффекта Пельтье внутри машины на холодных спаях поглощается тепло и которая не нагревается даже может охлаждаться. При этом на горячих спаях, расположенных вне машины, выделяется тепловая энергия. К сожалению, существующие спаи проводниковых материалов обеспечивают охлаждение при низких плотностях токов, что приводит к значительному увеличению габаритов машины и снижению энергетических показателей. Этот пример свидетельствует о том, что тепловые контуры, так же как механические и электрические, в электрической машине надо рассматривать как замкнутые.