ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

 Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство, быт и в целом жизнь цивилизованного общества. Благодаря успехам электротехники стал возможен технический прогресс вообще и научно-техническая революция последнего времени. Широкое применение электрической энергии обусловлено возможностями ее производства, распределения, передачи на большие расстояния, управляемостью, а также высоким КПД преобразования в другие виды энергии.

Почти вся электроэнергия в мире вырабатывается электрическими машинами-генераторами, установленными на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях (в развитых странах вырабатывается до 20 000 кВт ч и более электроэнергии в год на человека). Большая часть (« 60 + 70%) электрической энергии после распределения преобразуется в механическую также электрическими машинами — двигателями. Чтобы распределить и использовать выработанную энергию, необходимо иметь на каждую единицу установленной мощности на электрических станциях 5 + 7 единиц мощностей трансформаторов. Необходимы, кроме того, различного рода электрические аппараты — коммутационные, управления, защиты, где в качестве привода используются также электромеханические преобразователи — электромагниты.

Самые крупные электрические машины — турбо- и гидрогенераторы, установленные на электростанциях, имеют мощность в одной единице до 500 + 1200 МВт, а самые маленькие — до нескольких милливатт. Самые быстроходные электродвигатели имеют частоту вращения до 310 тыс. об/мин, а тихоходные — несколько оборотов в сутки и меньше. КПД электрических машин достигает 98,5%, а использование материалов до 2 кВт/кг и более.

Несмотря на большое разнообразие по назначению и конструктивному исполнению, любой частотный преобразователь объединяет общее — единый механизм преобразования электроэнергии в механическую или наоборот. Это преобразование осуществляется на основе фундаментальных физических законов и описывается сходными уравнениями.

История электромеханики начинается с открытия М. Фарадея, который в 1821 г. преобразовал электрическую энергию в механическую, а в 1831 г. открыл закон электромагнитной индукции. В 1834 г. русский ученый Б. С. Якоби создал электродвигатель мощностью 1 кВт и применил его для привода гребного винта катера, который мог везти 14 пассажиров против течения реки Невы. Это было первое практическое применение электрической машины. В 1860-1870 гг. созданы первые промышленные генераторы постоянного тока, а в 1873 г. — машина переменного тока (В. Сименс). Братья Гопкинсоны сформулировали закон магнитной цепи и в 1884 г. предложили трансформатор с замкнутым сердечником. В 1888 г. М. О. Доливо-Добровольский предложил систему трехфазного тока, а в 1889 г. создал асинхронный электродвигатель. В том же году под его руководством была создана электропередача переменного тока напряжением 15 кВ длиной 175 км. Тогда же появляется и синхронный генератор.

В дальнейшем с конца XIX в. идет быстрое наращивание мощностей электростанций, качественное улучшение всего электрооборудования, интенсификация процессов производства и передачи электроэнергии, расширение сфер использования электрической энергии. Особенно расширяются сферы использования электропривода на основе новой полупроводниковой техники и постоянных магнитов с высокими энергетическими показателями.

Машины постоянного тока используются главным образом в качестве двигателей из-за благоприятных характеристик и высокой перегрузочной способности в системах регулируемого электропривода (электротранспорт, прокатные станы, гребные двигатели судов мощностью до 10 000 кВт) и др. Генераторы выпускаются на небольшие мощности и применяются иногда в качестве источников автономного питания, например для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей последовательного возбуждения в тормозных режимах.

Асинхронные машины в большинстве своем нашли применение как двигатели в системах электропривода, нерегулируемого и регулируемого, при питании через преобразователь частоты Lenze. В качестве генераторов небольшой мощности асинхронные машины применяются в ветроустановках. Кроме того, в генераторном режиме асинхронные двигатели могут работать при торможении электроприводов.

Синхронные генераторы сравнительно небольшой мощности — от десятков до нескольких тысяч киловатт — достаточно широко применяются в системах автономного электроснабжения (дизель-генераторы, газотурбогенераторы), на котельных для лучшего использования оборудования, в качестве промежуточного звена в электротрансмиссиях тепловозов, судов, большегрузных самосвалов, строительной техники по схеме: дизель — синхронный генератор — выпрямитель — тяговый двигатель постоянного тока.

Синхронные двигатели мощностью более 100 + 200 кВт успешно конкурируют с асинхронными в системах нерегулируемого электропривода при частотах вращения от 250 об/мин.

Управляемые синхронные двигатели (вентильные машины) находят все большее применение в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в быту. Особенно резко увеличилось их использование с разработкой высокоэнергетических и относительно дешевых постоянных магнитов (Nd-Fe-B). В сочетании с полупроводниковыми полностью управляемыми преобразователями такие машины вне конкуренции по экономичности, компактности (степени миниатюризации) и надежности в авиации, автомобилестроении, приборостроении, приводах мотор-колесо различных мелких транспортных средств. Сфера их применения и диапазон мощностей неуклонно расширяются.

В целом научно-технический прогресс в электромашиностроении во многом определяет уровень развития других отраслей науки и техники.

Электромеханика изучает взаимодействие электрических и механических систем, т. е. процессы преобразования энергии — электрической в механическую или наоборот — механической в электрическую. Сами устройства, осуществляющие такие преобразования, называют электромеханическими преобразователями (ЭМП) энергии. Математически процессы преобразования описываются уравнениями электрических цепей и законов механики. Однако процесс преобразования невозможен без участия магнитного поля как промежуточного вида энергии. Другими словами, электромеханическое преобразование энергии представляется взаимосвязанными электрическими, магнитными и механическими явлениями.

Поэтому наиболее общий подход к решению задач электромеханики состоит в использовании уравнений электромагнитного поля (Максвелла), однако их анализ достаточно сложен, особенно для студентов при изучении и понимании физических основ электромеханического преобразования энергии.

Наиболее практичным, в то же время достаточно точным методом решения задач электромеханики является метод анализа электрических и магнитных цепей с сосредоточенными параметрами, которые, в свою очередь, могут зависеть от механических координат — перемещения, скорости. При этом сам электромеханический преобразователь (ЭМП) рассматривается как совокупность токо- и магнитопроводов, т. е. электрических и магнитных цепей. Вследствие малых скоростей протекания физических процессов и низких частот изменения величин в ЭМП, динамические уравнения движения зачастую возможно формулировать на основе статических параметров, определяемых из опыта или путем расчетов. При этом параметры и режимы электрической цепи во многом определяют состояние магнитных процессов и наоборот, т. е. они, эти цепи, являются взаимообусловленными. Кроме того, уравнения механического движения содержат члены, являющиеся функциями электрических и магнитных величин.