Общие сведения об электрических машинах. Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую

Лекция5

5.1  Общие сведения об электрических машинах. Среди различных энергетических машин, совершающих преобразование одного вида энергии в другой, существует обширный класс преобразователей, получивший название электрические машины. Электрическими называются машины, совершающие преобразование механической энергии в электрическую или обратное преобразование.

Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, носит название "генератор". Машина, предназначенная для обратного преобразования, называется "двигатель".

Электрические машины обратимы. С помощью любой электрической машины может осуществляться электромеханическое преобразование в двух направлениях.

Процессы электромеханического преобразования энергии подразделяют на статические (установившиеся) и динамические, что определяется наличием или отсутствием динамического момента на валу электрической машины.

В соответствии с основным законом динамики для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной от момента количества движения:

,                                              (5-1)

где - момент в [нм], - момент инерции в [нм²], - угловая скорость в [1/с].

В системах электропривода основным режимом работы электрической машины является двигательный режим. Момент сопротивления  имеет тормозящий характер по отношению к движению ротора и действуют навстречу моменту двигателя . По этой причине положительное направление момента сопротивления принимают противоположным положительному направлению момента двигателя, что приводит к уравнению

.                                               (5-2)

В уравнении (5-2) моменты являются алгебраическими, а не векторными величинами, поскольку оба момента действуют относительно одной и той же оси вращения. Правую часть уравнения (5-2) называют динамическим моментом , выражение для которого при принимает вид                   

                                                     (5-3)

В зависимости от знака динамического момента  различают  следующие  режимы работы электрического  двигателя:

1.   т.е.  разгон при , торможение при ;

2.   т.е. , торможение при , разгон при ;

3.  , т.е. , установившийся режим, т.е.

Из анализа режимов работы двигателя следует, что установившийся режим является частным случаем, он характеризуется работой двигателя с неизменной скоростью, постоянными во времени и равными по величине  и .

Так как момент двигателя в установившемся режиме является функцией скорости, то равенство возможно только при условии, что - постоянная величина или функция скорости. Если  есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной скорости  изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Зависимости угловой скорости от момента для двигателя   называются механическими характеристиками двигателя. Механические характеристики могут быть представлен и обратными функциями:

 .

         Зависимость скорости двигателя от момента, соответствующая любому режиму его работы, в том числе и переходному, называется динамической механической характеристикой.

         Статическая механическая характеристика (механическая характеристика) представляет собой геометрическое место точек на плоскости , соответствующих установившемуся  режиму работы двигателя, а динамическая механическая характеристика есть геометрическое место точек на плоскости , каждая из которых зависит от времени.

Значения скорости и момента в установившемся режиме легко определяются точкой пересечения механических характеристик двигателя и механизма, т.к. в этой точке , что означает что   При этом за положительное направление принято отрицательное направление .

Характеристики изображаются на плоскости в прямоугольной системе координат с осями  и (рис.5-2).

Положение точки на плоскости, характеризуемое координатами , , определяет тот или иной режим работы двигателя. Из принятого положительного направления движения следует, что за исключением осей координат любая точка квадрантов 1 и 3, где знаки момента и скорости одинаковы, соответствует работе совершаемой двигателем,  (т.е. ). Электрическая машина преобразует электрическую энергию в механическую. Точки квадрантов 2 и 4, где знаки моментов и скоростей различны, относятся к режиму потребления машиной механической энергии (). В этом случае она преобразует механическую энергию в электрическую.  В двигательном режиме машина развивает движущий момент, в генераторном – тормозной. В отличие от двигательного тормозных  режимов может быть несколько в зависимости от того, как используется преобразованная электрическая энергия. Тормозные режимы характеризуются следующим образом.

·  Генераторный режим с отдачей энергии в сеть – режим   рекуперативного торможения.

В этом режиме преобразованная электрическая энергия за вычетом потерь отдается машиной в сеть (или другой источник питания). Баланс мощностей

где - механическая мощность на валу машины, - электрическая мощность поступающая в сеть, - мощность потерь в силовых цепях электрической машины.

Переход из двигательного режима в режим генераторного торможения  возможен при повышении скорости машины выше скорости идеального холостого хода, когда