В электротехнике электрическая машина — это общий термин для машин, использующих электромагнитные силы , таких как электродвигатели , электрические генераторы и другие. Это электромеханические преобразователи энергии: электродвигатель преобразует электричество в механическую энергию, а электрический генератор преобразует механическую энергию в электричество. Движущиеся части машины могут быть вращающимися ( вращающиеся машины ) или линейными ( линейные машины ). Хотя трансформаторы иногда называют «статическими электрическими машинами», [1], поскольку они не имеют движущихся частей , обычно их считают не «машинами», [2] а электрическими устройствами , «тесно связанными» с электрическими машинами. [3]
Электрические машины в виде синхронных и асинхронных генераторов производят около 95% всей электроэнергии на Земле (на начало 2020-х годов) [4] , а в виде электродвигателей потребляют около 60% всей производимой электроэнергии. Электрические машины были разработаны в середине 19 века и с тех пор стали повсеместным компонентом инфраструктуры. Разработка более эффективных технологий электрических машин имеет решающее значение для любой глобальной стратегии сохранения, зеленой энергетики или альтернативной энергетики .
Электрический генератор – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Генератор заставляет электроны течь через внешнюю электрическую цепь . Это чем-то похоже на водяной насос, который создает поток воды, но не создает воду внутри. Источником механической энергии, первичным двигателем, может быть поршневой или турбинный паровой двигатель , вода, падающая через турбину или водяное колесо , двигатель внутреннего сгорания , ветряная турбина , рукоятка , сжатый воздух или любой другой источник механической энергии.
Две основные части электрической машины можно описать как механическими, так и электрическими терминами. С механической точки зрения ротор — это вращающаяся часть, а статор — неподвижная часть электрической машины. С точки зрения электричества, якорь — это компонент, производящий энергию, а поле — это компонент магнитного поля электрической машины. Якорь может находиться как на роторе, так и на статоре. Магнитное поле может создаваться либо электромагнитами , либо постоянными магнитами , установленными на роторе или статоре. Генераторы делятся на два типа: генераторы переменного тока и генераторы постоянного тока .
Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электричество переменного тока . Поскольку мощность, передаваемая в цепь возбуждения, намного меньше мощности, передаваемой в цепь якоря, генераторы переменного тока почти всегда имеют обмотку возбуждения на роторе и 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 выработки постоянного тока вместо переменного.
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую . Это обратный процесс электрических генераторов: большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитных полей и проводников с током для создания вращательной силы. Двигатели и генераторы имеют много общего, и многие типы электродвигателей могут работать как генераторы, и наоборот. Электродвигатели используются в таких разнообразных приложениях, как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и дисководы . Они могут питаться от постоянного или переменного тока, 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, на которые подается переменный ток 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.
Коллекторный электродвигатель постоянного тока генерирует крутящий момент непосредственно от мощности постоянного тока, подаваемой на двигатель, с помощью внутренней коммутации, стационарных постоянных магнитов и вращающихся электрических магнитов. Щетки и пружины передают электрический ток от коллектора к вращающимся проволочным обмоткам ротора внутри двигателя. В бесщеточных двигателях постоянного тока используется вращающийся постоянный магнит в роторе и стационарные электрические магниты в корпусе двигателя. Контроллер двигателя преобразует постоянный ток в переменный . Эта конструкция проще, чем у коллекторных двигателей, поскольку она устраняет сложность передачи мощности снаружи двигателя на вращающийся ротор. Примером бесщеточного синхронного двигателя постоянного тока является шаговый двигатель , который может разделить полный оборот на большое количество шагов.
Другие электромагнитные машины включают Amplidyne , Synchro , Metadyne , вихретоковую муфту , вихретоковый тормоз , вихретоковый динамометр , гистерезисный динамометр , роторный преобразователь и набор Уорда Леонарда . Роторный преобразователь представляет собой комбинацию машин, которые действуют как механический выпрямитель, инвертор или преобразователь частоты. Набор Ward Leonard представляет собой комбинацию машин, используемых для контроля скорости. Другие комбинации машин включают системы Кремера и Шербиуса.
Электромагнитно-роторные машины — это машины, в роторе которых протекает электрический ток, создающий 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, возникающим в закрытых обмотках ротора с помощью изменяющегося магнитного поля (индукционная машина).
Машины с постоянными магнитами имеют постоянные магниты в роторе, которые создают магнитное поле. Магнитодвижущая сила в ПМ (вызванная движением электронов с выровненным спином) обычно намного выше, чем возможно 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 ПМ ( неодимовыми магнитами ), сильнее, а это означает, что машины с ПМ имеют лучшее соотношение крутящего момента/объема и крутящего момента/веса, чем машины с катушками ротора при непрерывной работе. Ситуация может измениться с введением в ротор сверхпроводников.
Поскольку постоянные магниты в машине с постоянными магнитами уже создают значительное магнитное сопротивление, сопротивление в воздушном зазоре и катушках менее важно. Это дает значительную свободу при проектировании машин с ПМ.
Обычно электрические машины можно перегружать на короткое время, пока ток в катушках не нагреет части машины до температуры, вызывающей повреждение. Машины с ПМ хуже переносят такую перегрузку, поскольку слишком высокий ток в катушках может создать достаточно сильное магнитное поле, чтобы размагнитить магниты.
Коллекторные машины — это машины, в которых на катушку ротора подается ток через щетки почти так же, как ток подается на автомобиль на рельсовом пути с электрическими щелями. Более прочные щетки могут быть изготовлены из графита или жидкого металла. В «щеточной машине» можно даже отказаться от щеток, используя часть ротора и статора в качестве трансформатора, передающего ток, не создавая крутящего момента. Щетки не следует путать с коллектором. Разница в том, что щетки только передают электрический ток движущемуся ротору, а коммутатор обеспечивает еще и переключение направления тока.
Между катушками ротора и железными зубцами между катушками статора находится железо (обычно ламинированные стальные сердечники из листового металла ), а также черное железо за катушками статора. Зазор между ротором и статором также делается как можно меньшим. Все это делается для минимизации магнитного сопротивления магнитной цепи , через которую проходит магнитное поле, создаваемое катушками ротора, что важно для оптимизации этих машин.
Большие щеточные машины, работающие от постоянного тока, подаваемого на статорные обмотки с синхронной скоростью, являются наиболее распространенными генераторами на электростанциях , поскольку они также передают реактивную мощность в сеть, поскольку их можно запустить турбиной и поскольку машина в этой системе может генерировать мощность с постоянной скоростью без контроллера. Этот тип машины часто называют в литературе синхронной машиной.
Эту машину также можно запустить, подключив катушки статора к сети и подавая на катушки ротора переменный ток от инвертора. Преимущество состоит в том, что можно контролировать скорость вращения машины с помощью инвертора с дробной номинальной мощностью. При такой работе машина называется «индукционной» машиной с двойной подачей . «Индукция» вводит в заблуждение, поскольку в машине, созданной за счет индукции, нет полезного тока.
Асинхронные машины имеют короткозамкнутые катушки ротора, в которых ток создается и поддерживается индукцией . Для этого необходимо, чтобы ротор вращался не с синхронной скоростью, чтобы катушки ротора подвергались воздействию изменяющегося магнитного поля, создаваемого катушками статора. Асинхронная машина является асинхронной машиной.
Индукция устраняет необходимость в щетках, которые обычно являются слабой частью электрической машины. Это также позволяет создавать конструкции, которые значительно упрощают изготовление ротора. В качестве ротора будет работать металлический цилиндр, но для повышения эффективности обычно используется ротор «беличьей клетки» или ротор с закрытыми обмотками. Скорость асинхронных асинхронных машин будет снижаться с увеличением нагрузки, поскольку для создания достаточного тока ротора и магнитного поля ротора необходима большая разница скоростей между статором и ротором. Асинхронные асинхронные машины можно изготовить так, чтобы они запускались и работали без каких-либо средств управления при подключении к сети переменного тока, но пусковой момент был низким.
Особым случаем может быть индукционная машина со сверхпроводниками в роторе. Ток в сверхпроводниках будет создаваться 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 является бесщеточная индукционная машина с двойной подачей , которая имеет двойной набор катушек в статоре. Поскольку в статоре имеется два движущихся магнитных поля, говорить о синхронной или асинхронной скорости нет смысла.
Реактивные машины не имеют обмоток на роторе, только ферромагнитный материал, имеющий такую форму, что «электромагниты» в статоре могут «захватывать» зубцы ротора и немного продвигать его вперед. Затем электромагниты выключаются, а другой набор электромагнитов включается для дальнейшего перемещения ротора. Другое название — шаговый двигатель, он подходит для низкой скорости и точного управления положением. Реактивные машины могут поставляться с постоянными магнитами в статоре для улучшения производительности. Затем «электромагнит» «выключается», посылая в катушку отрицательный ток. 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 множество обмоток , питаемых переменными токами , смещенными друг от друга на равные векторные углы . Наиболее популярными являются трехфазные машины, обмотки которых (электрически) расположены под углом 120° друг от друга. [5]
Трехфазные машины имеют основные преимущества перед однофазными: [6]
Для вращения двигателя на фазы обмотки трехфазного двигателя необходимо последовательно подать напряжение , 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 ( обратная последовательность ). Общий ток через все три обмотки называется нулевой последовательностью . Любую комбинацию переменных токов в трех обмотках можно выразить как сумму трех симметричных токов, соответствующих положительной, отрицательной и нулевой последовательностям. [7]
В электростатических машинах крутящий момент создается за счет притяжения или отталкивания электрического заряда в роторе и статоре.
Электростатические генераторы генерируют электричество, накапливая электрический заряд. Ранние типы представляли собой машины трения , более поздние — машины влияния, работавшие 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 прялку через щетки. Колесо помещено в магнитное поле, и крутящий момент создается, когда ток проходит от края к центру колеса через магнитное поле.
Для оптимизации или практической эксплуатации электрических машин современные системы электрических машин дополняются электронным управлением.