В электротехнике электрическая машина — это общий термин для машин, использующих электромагнитные силы , таких как электродвигатели , электрогенераторы и другие. Они являются электромеханическими преобразователями энергии: электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, в то время как электрогенератор преобразует механическую энергию в электричество. Движущиеся части в машине могут быть вращающимися ( вращающиеся машины ) или линейными ( линейные машины ). Хотя трансформаторы иногда называют «статическими электрическими машинами», [1] поскольку они не имеют движущихся частей , обычно они не считаются «машинами», [2], а являются электрическими устройствами, «тесно связанными» с электрическими машинами. [3]
Электрические машины в виде синхронных и индукционных генераторов производят около 95% всей электроэнергии на Земле (по состоянию на начало 2020-х годов), [4] а в виде электродвигателей потребляют около 60% всей произведенной электроэнергии. Электрические машины были разработаны в середине 19 века и с тех пор стали повсеместным компонентом инфраструктуры. Разработка более эффективной технологии электрических машин имеет решающее значение для любой глобальной стратегии сохранения, зеленой энергии или альтернативной энергетики .
Электрический генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Генератор заставляет электроны течь через внешнюю электрическую цепь . Он в некоторой степени аналогичен водяному насосу, который создает поток воды, но не создает воду внутри. Источником механической энергии, первичным двигателем, может быть возвратно-поступательный или турбинный паровой двигатель , вода, падающая через турбину или водяное колесо , двигатель внутреннего сгорания , ветряная турбина , ручная рукоятка , сжатый воздух или любой другой источник механической энергии.
Две основные части электрической машины можно описать либо механическими, либо электрическими терминами. В механических терминах ротор — это вращающаяся часть, а статор — неподвижная часть электрической машины. В электрических терминах якорь — это компонент, вырабатывающий энергию, а поле — это компонент магнитного поля электрической машины. Якорь может быть как на роторе, так и на статоре. Магнитное поле может обеспечиваться либо электромагнитами , либо постоянными магнитами, установленными либо на роторе, либо на статоре. Генераторы подразделяются на два типа: генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока .
Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в переменный ток . Поскольку мощность, передаваемая в цепь возбуждения, намного меньше мощности, передаваемой в цепь якоря, генераторы переменного тока почти всегда имеют обмотку возбуждения на роторе, а обмотку якоря на статоре.
Генераторы переменного тока подразделяются на несколько типов.
Генератор постоянного тока — это машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Генератор постоянного тока обычно имеет коммутатор с разъемным кольцом для получения постоянного тока вместо переменного.
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую . Обратный процесс электрогенераторов, большинство электродвигателей работают посредством взаимодействия магнитных полей и токопроводящих проводников для создания вращательной силы. Двигатели и генераторы имеют много общего, и многие типы электродвигателей могут работать как генераторы, и наоборот. Электродвигатели встречаются в таких разнообразных приложениях, как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и дисководы . Они могут питаться постоянным током или переменным током, что приводит к двум основным классификациям: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока .
Двигатель переменного тока преобразует переменный ток в механическую энергию. Обычно он состоит из двух основных частей: внешнего неподвижного статора с катушками, снабжаемыми переменным током для создания вращающегося магнитного поля, и внутреннего ротора, прикрепленного к выходному валу, которому вращающееся поле придает крутящий момент. Два основных типа двигателей переменного тока различаются по типу используемого ротора.
Щеточный электродвигатель постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно из постоянного тока, подаваемого на двигатель, с помощью внутренней коммутации, неподвижных постоянных магнитов и вращающихся электрических магнитов. Щетки и пружины переносят электрический ток от коммутатора к вращающимся проволочным обмоткам ротора внутри двигателя. Бесщеточные двигатели постоянного тока используют вращающийся постоянный магнит в роторе и неподвижные электрические магниты на корпусе двигателя. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в переменный . Такая конструкция проще, чем у щеточных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности извне двигателя к вращающемуся ротору. Примером бесщеточного синхронного двигателя постоянного тока является шаговый двигатель , который может делить полный оборот на большое количество шагов.
Другие электромагнитные машины включают Amplidyne , Synchro , Metadyne , вихретоковую муфту , вихретоковый тормоз , вихретоковый динамометр , гистерезисный динамометр , вращающийся преобразователь и набор Ward Leonard . Вращающийся преобразователь представляет собой комбинацию машин, которые действуют как механический выпрямитель, инвертор или преобразователь частоты. Набор Ward Leonard представляет собой комбинацию машин, используемых для обеспечения управления скоростью. Другие комбинации машин включают системы Kraemer и Scherbius.
Электромагнитные роторные машины — это машины, имеющие в роторе некоторый электрический ток, который создает магнитное поле, взаимодействующее с обмотками статора. Ток ротора может быть внутренним током в постоянном магните (машина с постоянными магнитами), током, подаваемым на ротор через щетки (щеточная машина) или током, создаваемым в замкнутых обмотках ротора переменным магнитным полем (индукционная машина).
Машины с постоянными магнитами имеют постоянные магниты в роторе, которые создают магнитное поле. Магнитодвижущая сила в PM (вызванная вращающимися электронами с выровненным спином) обычно намного выше, чем возможная в медной катушке. Однако медная катушка может быть заполнена ферромагнитным материалом, что придает катушке гораздо меньшее магнитное сопротивление . Тем не менее, магнитное поле, создаваемое современными PM ( неодимовыми магнитами ), сильнее, что означает, что машины с постоянными магнитами имеют лучшее отношение крутящего момента к объему и крутящего момента к весу, чем машины с роторными катушками при непрерывной работе. Это может измениться с введением сверхпроводников в ротор.
Поскольку постоянные магниты в машине с постоянными магнитами уже вносят значительное магнитное сопротивление, то сопротивление в воздушном зазоре и катушках менее важно. Это дает значительную свободу при проектировании машин с постоянными магнитами.
Обычно возможна кратковременная перегрузка электрических машин, пока ток в катушках не нагреет части машины до температуры, вызывающей повреждение. Машины с постоянными магнитами хуже переносят такую перегрузку, поскольку слишком высокий ток в катушках может создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы размагнитить магниты.
Щеточные машины — это машины, в которых обмотка ротора снабжается током через щетки примерно так же, как ток подается в вагон в электрической вагонетке . Более прочные щетки могут быть изготовлены из графита или жидкого металла. Можно даже исключить щетки в «щеточной машине», используя часть ротора и статора в качестве трансформатора, который передает ток, не создавая крутящего момента. Щетки не следует путать с коммутатором. Разница в том, что щетки передают электрический ток только на движущийся ротор, тогда как коммутатор также обеспечивает переключение направления тока.
Между роторными катушками и зубцами из железа (обычно ламинированные стальные сердечники из листового металла ) находится железо (обычно ламинированные стальные сердечники из листового металла) между статорными катушками, а также черное железо за статорными катушками. Зазор между ротором и статором также сделан как можно меньше. Все это делается для минимизации магнитного сопротивления магнитной цепи , по которой проходит магнитное поле, создаваемое роторными катушками, что важно для оптимизации этих машин.
Крупные щеточные машины, работающие с постоянным током на обмотках статора с синхронной скоростью, являются наиболее распространенными генераторами на электростанциях , поскольку они также поставляют реактивную мощность в сеть, поскольку их можно запустить с помощью турбины и поскольку машина в этой системе может вырабатывать мощность с постоянной скоростью без контроллера. Этот тип машины часто упоминается в литературе как синхронная машина.
Эту машину можно также запустить, подключив катушки статора к сети и подавая переменный ток на катушки ротора от инвертора. Преимущество в том, что можно контролировать скорость вращения машины с помощью инвертора с дробным номиналом. При работе таким образом машина известна как «индукционная» машина с двойной подачей щеток . «Индукция» вводит в заблуждение, поскольку в машине нет полезного тока, который создается индукцией.
Индукционные машины имеют короткозамкнутые роторные катушки, где ток устанавливается и поддерживается индукцией . Это требует, чтобы ротор вращался с отличной от синхронной скоростью, так что роторные катушки подвергаются воздействию переменного магнитного поля, создаваемого статорными катушками. Индукционная машина является асинхронной машиной.
Индукция устраняет необходимость в щетках, которые обычно являются слабой частью в электрической машине. Она также позволяет создавать конструкции, которые значительно упрощают изготовление ротора. Металлический цилиндр будет работать как ротор, но для повышения эффективности обычно используется ротор с «беличьей клеткой» или ротор с замкнутыми обмотками. Скорость асинхронных индукционных машин будет уменьшаться с увеличением нагрузки, поскольку для создания достаточного тока ротора и магнитного поля ротора необходима большая разница в скорости между статором и ротором. Асинхронные индукционные машины могут быть изготовлены таким образом, что они запускаются и работают без каких-либо средств управления, если подключены к сети переменного тока, но пусковой момент низкий.
Особым случаем будет индукционная машина со сверхпроводниками в роторе. Ток в сверхпроводниках будет устанавливаться индукцией, но ротор будет работать с синхронной скоростью, поскольку не будет необходимости в разнице скоростей между магнитным полем в статоре и скоростью ротора для поддержания тока ротора.
Другим особым случаем будет бесщеточная индукционная машина с двойной подачей , которая имеет двойной набор катушек в статоре. Поскольку в статоре есть два движущихся магнитных поля, нет смысла говорить о синхронной или асинхронной скорости.
У реактивных машин нет обмоток на роторе, только ферромагнитный материал, сформированный таким образом, что «электромагниты» в статоре могут «захватывать» зубцы в роторе и немного его продвигать. Затем электромагниты выключаются, в то время как другой набор электромагнитов включается для дальнейшего перемещения ротора. Другое название — шаговый двигатель, и он подходит для низкой скорости и точного управления положением. Реактивные машины могут быть снабжены постоянными магнитами в статоре для улучшения производительности. Затем «электромагнит» «выключается» путем подачи отрицательного тока в катушку. Когда ток положительный, магнит и ток взаимодействуют, создавая более сильное магнитное поле, которое улучшит максимальный крутящий момент реактивной машины без увеличения максимального абсолютного значения тока.
Якорь многофазных электрических машин включает в себя несколько обмоток , питаемых переменным током , смещенным относительно друг друга на равные фазовые углы . Наиболее популярны трехфазные машины, где обмотки (электрически) разнесены на 120°. [5]
Трехфазные машины имеют основные преимущества перед однофазными: [6]
Фазы обмотки трехфазного двигателя должны быть запитаны в последовательности для вращения двигателя, например, фаза V отстает от фазы U на 120°, а фаза W отстает от фазы V (U > V > W, нормальное чередование фаз, положительная последовательность ). Если последовательность обратная (W < V < U), двигатель будет вращаться в противоположном направлении ( отрицательная последовательность ). Общий ток через все три обмотки называется нулевой последовательностью . Любая комбинация переменных токов в трех обмотках может быть выражена как сумма трех симметричных токов, соответствующих положительной, отрицательной и нулевой последовательностям. [7]
В электростатических машинах крутящий момент создается за счет притяжения или отталкивания электрических зарядов в роторе и статоре.
Электростатические генераторы генерируют электричество путем накопления электрического заряда. Ранние типы были машинами трения , более поздние — машинами влияния, работающими за счет электростатической индукции . Генератор Ван де Граафа — это электростатический генератор, который до сих пор используется в исследованиях.
Униполярные машины — это настоящие машины постоянного тока, в которых ток подается на вращающееся колесо через щетки. Колесо вставляется в магнитное поле, и крутящий момент создается, когда ток проходит от края к центру колеса через магнитное поле.
Для оптимальной и практичной эксплуатации электрических машин современные системы электромашин дополняются электронным управлением.