1.2. Обобщенная электрическая машина

Из законов электромеханики следует, что все электрические машины имеют общую основу: они преобразуют механическую энергию в электрическую и обратно — электрическую — в механическую. При этом поля ротора и статора неподвижны друг относительно друга.

Электрические машины представляют собой определенную комбинацию в пространстве обмоток, в которых протекают токи, сдвинутые во времени также на определенный угол.

При проектировании стремятся получить в воздушном зазоре круговое вращающееся магнитное поле, которое содержит только одну гармонику. Вращающееся поле может быть создано двухфазной системой токов, если неподвижные обмотки сдвинуты в пространстве на 90°; трехфазной системой токов — при сдвиге обмоток в пространстве на 120° и токов во времени на 120°. В общем случае вращающееся поле создается w-фазной системой токов при сдвиге обмоток в пространстве на 360°/w и токами со сдвигом во времени на 360°/w. Вращающееся поле может также создаваться и постоянным током. При этом обмотка, обтекаемая постоянным током, должна вращаться.

Обмотки возбуждения во всех электрических машинах создают магнитное поле, в котором происходит электромеханическое преобразование энергии, но активная мощность поступает в воздушный зазор со стороны вала или из электрической сети. В установившемся режиме от обмоток возбуждения мощность не отбирается.

Магнитное поле в машинах переменного тока создается реактивными токами, которые также косвенно участвуют в процессе преобразования энергии.

Простейшей схемой электрической машины является двухфазная машина с двумя парами обмоток на статоре и роторе (рис. 1.3). На рис. 1.3 обмотки статора и сдвинуты в пространстве и в магнитном поле на 90° и обмотки ротора и сдвинуты относительно друг друга на 90°. К обмоткам статора приложены соответственно напряжения и , а к обмоткам ротора — напряжения и .

Рис 1.3. Модель обобщенной машины

Чтобы в воздушном зазоре двухфазной машины получить вращающееся магнитное поле, необходимо к обмоткам статора или ротора подвести напряжения, сдвинутые во времени на 90°. Тогда в обмотках будут протекать токи, сдвинутые во времени на 90°, и в воздушном зазоре появится вращающееся магнитное поле. Исходя из третьего закона электромеханики — неподвижности относительно друг друга полей статора и ротора — электромеханическое преобразование энергии будет возможным при определенном соотношении угловых скоростей

где ω_с, ω_р, ω_пр — угловые скорости поля статора, ротора и поля ротора относительно ротора.

При этом условии в воздушном зазоре магнитные поля ротора и статора неподвижны относительно друг друга. При изменении ω_с или ω_р изменяется частота токов в роторе (1.2), но поля статора и ротора остаются в воздушном зазоре машины (рис. 1.3) круговое поле будет только при определенных условиях. Чтобы поле было синусоидальным, необходимо на электрических выводах иметь синусоидальное напряжение, а машина должна быть идеальной.

В идеальной электрической машине воздушный зазор равномерный и гладкий (в машине нет пазов на роторе и статоре), обмотки выполнены в виде токовых слоев, создающих синусоидальное распределение МДС в воздушном зазоре. При этом машина не насыщена, магнитная проницаемость стали р, равна бесконечности. Машина симметричная, т.е. ее обмотки, магнитная система, воздушный зазор симметричны по осям а и р. Кривизна воздушного зазора не учитывается — поле плоскопараллельное.

Круговое поле в зазоре имеет место в идеальной машине. В реальных машинах из-за несимметрии машины, несинусоидального распределения МДС, наличия пазов на статоре и роторе, насыщения и ряда других причин в воздушном зазоре машины имеется бесконечный спектр гармоник поля. Высшие гармоники оказывают сложное влияние на процессы преобразования энергии в электрической машине, поэтому вначале необходимо выяснить, как работает машина при наличии одного поля в зазоре.

Двухфазная двухполюсная идеальная машина (рис. 1.3) называется обобщенной электрической машиной. Обобщенной электрической машиной такая машина называется потому, что к ней приводятся процессы преобразования энергии во всех основных типах индуктивных электрических машин.

В основе общей теории электрических машин лежат уравнения электромеханического преобразования энергии, которые адекватно описывают процессы в реальной машине.

Математические модели электрических машин получили широкое распространение. Математическое моделирование процессов преобразования энергии в электрических машинах позволило углубиться в сложнейшие проблемы электромеханики.

Рассмотрим двухполюсную машину, так как процессы преобразования энергии в симметричных многополюсных машинах можно свести к двухполюсной машине. На (рис. 1.4) дана развертка магнитной системы четырехполюсной машины 2р = 4, число пар полюсов в этой машине р = 2. На полюсных делениях τ этой машины форма магнитной индукции В.

Рис. 1.4. Процессы преобразования энергии в многополюсных машинах

Из схемы обобщенной машины при скорости ротора ω_р = 0 можно получить электромагнитный преобразователь — трансформатор. При этом достаточно рассматривать отдельно пару обмоток на статоре и роторе по оси α или β, так как при неподвижном роторе отсутствует связь между обмотками, смещенными в пространстве на 90°. Хотя в трансформаторах происходит только электромагнитное преобразование энергии, они относятся к электрическим машинам, как из-за общности уравнений, так и из-за близкой технологии изготовления.

В электромагнитных преобразователях, так же, как и в ЭП, активная мощность может поступать из первичной обмотки во вторичную или, наоборот, из вторичной в первичную. При этом реактивная мощность может поступать из первичной или вторичной обмотки.

Из анализа обобщенной машины следует, что, несмотря на существенные отличия в конструкции и системе питающих напряжений, все электрические машины объединяет одно общее — они являются электромеханическими преобразователями. Когда электрическая машина не преобразует электрическую энергию в механическую или механическую в электрическую, она является электромагнитным преобразователем. Одна и та же электрическая машина может работать как синхронная и асинхронная, с преобразователем частоты от сети постоянного тока и переменного тока, а также как электромагнитный преобразователь — трансформатор.