Электрические машины

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

• генераторы — источники электрической энергии;
• электродвигатели — источники механической энергии;
• специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением

Области применения электрических машин

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10 -17 — 10 9 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

• где F – сила, Н,
• I – сила тока, А,
• – длина проводника, м,
• B — магнитная индукция, Тл,
• — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

,

• где E – напряженность электрического поля, В/м,
• ds – элемент контура, м,
• Ф — магнитный поток, Вб,
• t — время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

,

• где – электродвижущая сила индукции, В

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающиеся электрические машины

Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].

Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.

Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.

Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.

Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.

Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.

Электрические машины

Разнообразные по своим конструктивным и функциональным особенностям, электрические машины широко применяются во всех сферах производства, торговли, логистики и жизнеобеспечения.

Управление подобными устройствами производится с помощью программ, заложенных в микропроцессоры.

Проектирование электрических машин и аппаратов

Создание машин, работающих с использованием электрической энергии, начинается с процесса проектирования. На этом этапе необходимо рассчитать габариты, материалы, конструкцию статора и ротора. Следует выбрать обмоточные провода, материал для изоляции и основных деталей оборудования.

Изготовление электрических машин требует соблюдения технических норм и требований, выдвигаемых к разновидностям промышленных установок в различных условиях.

Эффективные проекты электрических машин отличаются:

• низким уровнем затрат времени на производство;
• стабильной бесперебойной работой;
• безопасным отключением в случае непредвиденных ситуаций.

В основе проекта лежит удельная мощность – производительность каждого вида машины за единицу времени. Технический уровень созданной машины характеризует массу машины, соответствующую единице ее мощности.

Принцип действия, устройство и назначение электрических машин

Подобные устройства действуют на основе процесса электромеханического преобразования под воздействием электромагнитных процессов. Если взаимодействие происходит на основе магнитного поля, то машина относится к индуктивным, если электрического – емкостной.

Второй тип машин не используется из-за больших потерь энергии под воздействием проводимости воздушной среды.

Назначение электрических машин состоит в преобразовании энергии, таким образом работают двигатели или генераторы.

Если машина преобразует переменный ток в постоянный и изменяет величину напряжения и мощность электрических сигналов, то она относится к электромашинным усилителям.

Для повышения мощности электрических установок в целом применяют синхронные компенсаторы, а с задачей передачи информации на большие расстояния справляется сельсин.

Классы изоляции электрических машин

Выбор изоляционного материала, который применяется для электрической машины, обусловлен ее мощностью и особенностями применения.

Например, машины с напряжением до 660 В обрабатываются пленками из синтетических материалов: лавсаном, полиамидной бумагой. Толщина таких материалов не превышает 0,06 мм, они отличаются высокой электрической прочностью.

Механические свойства подобных материалов недостаточно хороши, поэтому используют подложки из бумаги или картона, повышающие изоляционные свойства.

Электрические машины с напряжением до 3000 В обрабатывают материалами для изоляции на основе скленной слюды – меканитов. Материал получают путем горячего прессования слюдяных пластин, в результате которого получает плоский, негнущийся материал.

Производство меканитов в основном ручное, поэтому материал дорог в получении. Изоляцию нередко разбавляют с помощью материалов из стеклоткани с высокой устойчивостью к разрывам.

Изоляция на основе асбеста и электрокартона из целлюлозы ненадежна. Материалы обладают низкой электрической прочностью, но при этом очень дешевы, применяются в качестве дополнительных прокладок, сохраняющих основной материал.

Обмотчик и обмотки элементов электрических машин

Защита отдельных элементов электрических машин от механических и химических воздействий, предотвращения пожаров в результате коротких замыканий производится с помощью обмотки.

Отдельные части и соединительные провода электромашин обрабатываются специальными материалами, характеристики которых зависят от мощности и условий эксплуатации машины.

Обмотку элементов машины производит профессиональный рабочий-обмотчик, который имеет навыки:

• подготовки пазов машины к обмотке;
• закрепления с помощью клиньев;
• соединения согласно схемам;
• рихтовки;
• монтажа изолирующих трубок и пусконаладочных работ.

Специалисты имеют несколько разрядов в соответствии с их теоретическим знаниями и практическим опытом в этой сфере.

Способы охлаждения электрических машин

Процесс работы электрической машины предполагает интенсивное нагревание отдельных элементов, что приводит к оплавлению и повышению угрозы возгорания. Машины, установленные в больших цехах и оборудование высокой мощности, необходимо охлаждать.

Существует два способа охлаждения электрических машин.

Естественный метод охлаждения основан на теплопроводности и конвекции. Теплопроводность представляет собой передачу тепла от более нагретых элементов к частям с более низкой температурой. Конвекция представляет собой естественный подъем нагретых частиц воздуха, уступающим место более холодным. Как правило, естественное охлаждение применяется к маломощным машинам, установленным в просторных помещениях.

Искусственное охлаждение электрических машин производится с помощью вентиляторов, которые создают направленный поток холодного воздуха, стабилизирующий температуру машины.

Чаще всего используются модели с самовентиляцией – устройство для нагнетания воздуха закрепляется на вал, что создает аэродинамический напор. В зависимости от расположения устройства относительно машины, различают наружную и внутреннюю вентиляцию.

Классификация, виды и типы электрических машин

Разделение электрических машин на отдельные группы производится по их функциональным характеристикам. В зависимости от типа используемой энергии различаются машины постоянного и переменного тока.

В зависимости от того, во что преобразуется электрическая энергия под воздействием вала устройства, различают:

• двигатели – электричество создает механическую работу;
• генераторы – механическое движение рождает энергию;
• преобразователи – машины для изменения типа тока, величины его напряжения и частоты;
• компенсаторы – устройства для стабилизации мощности, усиления основных характеристик оборудования.

В зависимости от принципа действия, электрические машины разделяются на транфсорматоры, асинхронные и синхронные, коллекторные, и оборудование постоянного тока. Каждый вид машин применяется в своей среде, для решения узкого спектра задач.

Синхронные электрические машины

Подобные электрические машины работают с переменным током, при этом частоты вращения ротора и магнитного поля в воздушном зазоре равны. Составные элементы такого устройства – якорь, расположенный на статоре, и обмотка.

Электрический ток, подаваемый на якорь, создает вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с обмоткой преобразует энергию.

Запуск двигателя производят асинхронным прямым замыканием обмоток индуктора через реостат. Когда скорость вращения двигателя под воздействием возбужденного магнитного поля приближается к номинальной, на индуктор подается постоянный ток, оборудование входит в рабочий режим.

Работа синхронных двигателей в режиме генератора основана на явлении электромагнитной индукции. В этом случае на каждой из фаз обмотки якоря создается напряжение, которое затем отводится с помощью трехфазных выпрямителей.

Асинхронные электрические машины

Подобные устройства используют переменный ток, при этом частоты вращения их ротора и магнитного поля, созданного обмоткой статора, отличаются.

Как правило, в двигательном режиме первый показатель меньше второго. Электрический ток в подобных устройствах создается вращающимся статором, поэтому второе название оборудование — индукционные электрические машины.

Подобные устройства применяются в качестве двигателей, для запуска которых используют короткозамкнутый ротор.

Цепь ротора не оборудована механическими коммутаторами, что:

• позволяет подключать асинхронные машины в сеть напрямую;
• снижает затраты на эксплуатацию;
• уменьшает стоимость оборудования в целом.

Электрические машины автоматических устройств

В основе устройств вычислительной техники и автоматики применяются электрические приводы, которые обеспечивают движение рабочих органов оборудования. Как правило, в основе таких устройств лежат индукционные электрические машины мощностью до 600 Вт – микромашины.

Машины автоматических устройств используются в нерегулируемых, регулируемых и следящих приводах, датчиках механических координат и различных преобразователях.

Благодаря широким функциям управления, которые осуществляют такие машины, их создание требует соблюдения технических условий и требований ГОСТ. В целом технические допущения на такую продукцию меньше, а используемые материалы значительно дороже.

Электрические машины тепловозов

Оборудование используется для преобразования механической энергии дизель-генератора в электрическую. Полученный ток поступает к тяговым электродвигателям, применяется для запуска самого дизеля.

В основе конструкции — магнитная система, состоящая из станины, полюсов, якоря, подшипникового щита, поворотной траверсы и электрощеток. Как правило, устройства снабжаются искусственным охлаждением с помощью установки внутренней вентиляции.

Авиационные электрические машины

Электрооборудование на самолете состоит из двух систем, одна из которых питается трехфазным переменным током, а вторая – постоянным. При этом напряжение этих устройств значительно больше, чем у наземных. Таким образом, можно уменьшить габариты трансформатора и других составных частей.

Подачу переменного тока обеспечивает пара генераторов, установленных на коробке приводов каждого двигателя, дополнительно устанавливается турбина.

В аварийных ситуациях она приводится в движение потоком воздуха, и напитывает важнейшие системы самолета трехфазным током. Постоянный ток предоставляют выпрямители, никель-кадмиевые аккумуляторы. Наземное питание самолетов производится от переменного тока, с помощью отдельных разъемов.

Монтаж электрических машин

Особенности установки электрических машин зависят от их изначальной мощности, материала и длины валов. Крупное оборудование необходимо установить на фундамент, затем провести центровку валов.

Если машины доставляются в собранном состоянии, следует дополнительно сделать разметку и подготовить колодцы под фундаментные болты.

Машины небольшой мощности соединяются с помощью муфт и передач, которые устанавливают с учетом цилиндричности и соответствия внутренних и наружных валов.

Эксплуатация и неисправности электрических машин

Особенности использования электрических машин и требования к их эксплуатации описаны в технической документации, прилагаемой к оборудованию.

На основе этой информации составляется график профилактического обслуживания, в котором указана периодичность осмотров, проверок, испытаний и мелкого ремонта электроустановок с целью поддержания их в рабочем состоянии.

Эксплуатация неисправных электрических машин угрожает здоровью людей и стабильности системы энергоснабжения, поэтому необходимо своевременно проводить ремонтные работы.

В целом, все неисправности разделяются на электрические и механические. В обоих случаях предусмотрен регламент обслуживания оборудования.

Техническое обслуживание и ремонт электрических машин

В ходе технического обслуживания таких установок проводят очистку корпуса с помощью сжатого воздуха, проводят визуальный осмотр, убеждаясь в отсутствии механических повреждений.

Необходимо проверить затяжки болтов крепления машины к раме или фундаменту, при необходимости – подтянуть их, проверить заземляющую шину на предмет затяжки контакта между ней и оборудованием.

Ремонт электрических машин включает замену отдельных элементов: валов, выпрямителей, проводов и механизм регулирования тока.

Производство и испытание электрических машин

Созданием электрических машин занимаются предприятия тяжелой промышленности, действующие в соответствии с техническими условиями, требованиями ГОСТов и проектной документацией от заказчиков.

Готовую продукцию необходимо подвергать контрольным испытаниям, проведение которых регулируется стандартами ГОСТ. Среди необходимых мероприятий — измерение сопротивления изоляции обмоток, испытания при различной скорости вращения, измерение коммутации при номинальной нагрузке и в условиях перегрузок.

Производители и поставщики электрических машин

«Электрические машины» – московский поставщик электрооборудования широкого профиля, специализируется на машинах малой и средней мощности. Специфика предприятия – проектировка и создание инверторно-аккумуляторных систем электроснабжения.

«РусЭлПром» – поставщик специализированных электрических машин для обеспечения нужд атомной энергетики. Поставщик предлагает готовые решения, прошедшие все необходимые испытания, а также конструирует установки «с нуля» по требованиям заказчиков.

«Снежинский завод специальных электрических машин» специализируется на разработке и поставке преобразовательной техники, предлагает электродвигатели и различные типы дросселей для промышленных производств.

Заводы крупных электрических машин

Производители крупных электрических машин предлагают оборудование стабильной мощности и высоким КПД с полностью автоматизированными системами управления. При условии надлежащего технического обслуживания, срок эксплуатации таких машин составляет десятки лет.

Завод крупных электрических машин, созданный на базе «Южэлектромаш» – один из крупнейших поставщиков специализированной техники высокой мощности, занимающий лидирующее положение на отечественном рынке.

«ЛенЭнергоМаш» – поставщик насосного оборудования, трубопроводных систем и крупных вентиляционных электрических машин.

Островский завод электрических машин

Предприятие, расположенное в Пскове, предлагает:

• синхронные трехфазные тахогенераторы;
• электродвигатели постоянного тока;
• трансформаторы;
• металлоизделия.

Продукция завода применяется на производствах различной направленности, в железнодорожном и городском транспорте. В наличии широкий выбор готовой продукции. Предприятие разрабатывает продукцию по индивидуальным требованиям клиентов.

Больше об электрических машинах: классификации, проектировании, производстве, обслуживании; можно узнать на выставке «Электро».