Определение и принцип действия электрических машин. Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими*.
Явление электромагнитной индукции возникает при изменении магнитного потока, связанного с обмотками машины. Это изменение может происходить или при перемещении обмоток в магнитном поле, или вследствие изменения во времени величины связанного с ними потока, или обоими этими способами.
В соответствии с установившимися в учебниках традициями, в курсе электрических машин рассматриваются трансформаторы, работа которых также основана на принципе электромагнитной индукции, хотя трансформаторы и не являются машинами в общепринятом смысле.
Классификация по роду потребляемой энергии. Электрические машины могут преобразовывать механическую энергию в электрическую** (генераторы), электрическую — в механическую (двигатели), электрическую энергию — в электрическую другого рода тока, частоты или напряжения (преобразователи), а также электрическую энергию переменного тока одного напряжения — в другое (трансформаторы). Кроме того, существуют электрические машины, которые усиливают передаваемые электрические сигналы малой мощности до весьма значительных мощностей, что позволяет малыми сигналами на входе производить регулирование больших мощностей на выходе (электромашинные и магнитные усилители). Имеются электрические машины, которые преобразуют электрический сиг. нал в заданное механическое вращение или поворот вала (исполнительные двигатели автоматических устройств),
* Точнее было бы называть их электромагнитными, так как помимо них имеются машины, основанные на иных принципах (электрофорные, емкостные и др.), которые также называются электрическими. Машины этих видов не нашли широкого практического применения и не входят в учебный курс электрических машин.
** В технике под термином «электрическая энергия» часто подразумевается также электромагнитная энергия.
механическое вращение в электрический сигнал (тахогенераторы), механический угол поворота вала в электрический сигнал (поворотные трансформаторы), а также служат для одновременного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных между собой осей (сельсины).
Для всех электрических машин характерна обратимость, т. е. вращающаяся машина может работать как генератор и как двигатель, трансформатор может быть повышающим и понижающим, преобразователь может изменять направление преобразования электрической энергии.
Типы и назначение электрических машин. По роду тока электрические машины разделяются на машины постоянного и переменного тока.
Машины постоянного тока используются как двигатели, электромашинные усилители, тахогенераторы, генераторы и преобразователи напряжения постоянного тока. Двигатели постоянного тока обычно предназначаются для приводов, требующих широкого диапазона регулирования скорости вращения. Двигатели постоянного тока малой мощности часто применяются в системах автоматического регулирования в качестве исполнительных двигателей.
К машинам переменного тока относятся синхронные и асинхронные машины, трансформаторы и коллекторные двигатели и преобразователи переменного тока.
Синхронные машины ранее использовались главным образом как генераторы переменного тока и компенсаторы реактивной мощности. В настоящее время они находят применение в качестве двигателей самых разнообразных мощностей. Большое распространение имеют синхронные двигатели малых мощностей в схемах, требующих постоянной скорости вращения.
Асинхронные машины используются преимущественно как двигатели. Они просты в изготовлении, относительно дешевы и имеют надежную конструкцию. Поэтому асинхронные двигатели, по сравнению с двигателями других типов, получили наибольшее распространение. В приводах средней и большой мощности применяются трехфазные асинхронные двигатели с коротко-замкнутым ротором, у которых скорость вращения практически не изменяется. У специально спроектированных двигателей можно менять скорость вращения лишь несколькими ступенями. Применяемые в схемах автоматики асинхронные исполнительные двигатели питаются от однофазной сети и в большинстве случаев имеют двухфазную обмотку на статоре. Исполнительные асинхронные двигатели позволяют плавно изменять скорость вращения от нуля до максимального значения. Большое распространение получили также асинхронные тахогенераторы.
Трансформаторы применяются, в основном, для преобразования напряжения переменного тока. Поворотные трансформаторы используются для решения некоторых типов тригонометрических и алгебраических задач. Большое распространение имеют измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы для преобразования частоты и числа фаз.
Коллекторные машины переменного тока используются как двигатели в случаях, когда требуется повышенная скорость вращения, которую не могут обеспечить синхронные и асинхронные двигатели (например, в сетях 50 гц скорость вращения свыше 3000 об/мин). Коллекторные двигатели переменного тока также находят применение в приводах переменного тока, в которых требуется широкое регулирование скорости вращения. Эти двигатели относительно дороги и требуют тщательного ухода, поэтому применяются лишь в специальных установках. Кроме того, коллекторные машины используются как различного рода преобразователи. Широкое применение в бытовых и других приборах имеют универсальные коллекторные двигатели, которые могут работать на переменном и постоянном токах. Они выполняются с регулируемой и постоянной скоростями вращения.
Электрические машины мощностью до 600 вт в дальнейшем будем называть микромашинами. Микромашины имеют скорость вращения от одного оборота в час до 30 000 об/мин и более и составляют большой класс электрических машин, который в настоящее время непрерывно совершенствуется. Производство микромашин составляет новую быстро развивающуюся область электромашиностроения.
Микромашины можно разделить на две группы: микромашины общего применения (двигатели, предназначенные для привода бытовых и промышленных механизмов) и микромашины автоматических устройств (исполнительные двигатели, сельсины, поворотные трансформаторы, усилители и тахогенераторы). Ко многим микромашинам автоматических устройств предъявляются требования высокой точности выходных величин, которая во многих случаях составляет, 0,05%. Для обеспечения требуемой точности производство этих микромашин становится таким же прецезионным, как и приборов точной механики. Микромашины должны иметь простую конструкцию и быть надежными в работе. Одним из основных требований, предъявляемых к микродвигателям автоматических устройств, является максимальное быстродействие.
Достоинства электрических машин. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия — от 65 до 80% для машин мощностью около 1 квт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах к. п. д. достигает значе-
ний, превышающих 99%. Следует заметить, что к. п. д. других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30—40%.
Электрические машины имеют малый удельный вес на 1 квт мощности. Они характеризуются относительно малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания и тем, что обеспечивают индивидуальный привод к каждому станку. Электрические машины позволяют использовать, передавать и распределять энергию водных ресурсов, тепловых и атомных станций.
Области применения. Основной областью применения электрических машин является генерирование и преобразование электрической энергии, привод и преобразование сигналов автоматических, счетно-решающих и других устройств. Электрические двигатели нашли самое широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, авиации, транспорте, военном деле и быту. В современных системах автоматического управления и системах синхронной связи применяются, как правило, в качестве исполнительных органов электрические машины. В качестве регулирующих органов применяются электромашинные и магнитные усилители. Электрические машины используются также как дифференцирующие и интегрирующие элементы и как источники ускоряющих и замедляющих сигналов.
В программирующих и других системах применяются шаговые электродвигатели с дискретным вращением вала. В системах автоматики и телемеханики, а также в приборостроительной промышленности широко применяются микромашины мощностью от долей ватта до 10 вт. Трансформаторы и многие другие виды электрических машин используются в низковольтных схемах электроники и радиотехники. Электрические машины применяются в измерительной технике в качестве тахогенераторов, электромашинных динамометров, измерительных трансформаторов и т. д.
Электрические машины нашли самое широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. Поэтому им уделяется особенное внимание при построении материально-технической базы коммунизма. В решениях XXII и XXIII съездов КПСС отмечается, что осуществление великих задач построения коммунизма невозможно без улучшения энергооснащенности промышленности и сельского хозяйства и увеличения производительности труда на базе автоматизации и применения электрических машин.
