Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется в генераторах путем использования явления электромагнитной индукции — возникновения э. д. с. в проводнике, движущемся относительно магнитного поля или находящемся в переменном магнитном поле. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется в двигателях путем использования взаимодействия тока и магнитного поля, в частности явления электромагнитного вращения проводника, помещенного в магнитное поле.
Следовательно, для преобразования энергии в электрических машинах нужны проводники (обмотки), которые могут перемещаться относительно магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами или электромагнитами. Имеются конструкции, в которых изменение магнитного поля осуществляется не путем его перемещения относительно обмоток, а путем изменения магнитного сопротивления вращающихся сердечников.
Магнитные цепи электрических машин в большинстве случаев изготовлены из стали, магнитное сопротивление которой значительно ниже, чем у других материалов.
Обмотки и сердечники электрических машин, в которых происходит преобразование энергии, принято называть активными частями в отличие от конструктивных частей, назначение которых — поддерживать или обеспечивать движение активных частей.
Часть машины, соединенную с сетью, источником питания или нагрузкой условно называют якорем, а систему электромагнитов (или постоянных магнитов), создающую магнитное поле— индуктором. В обмотке якоря протекает ток нагрузки, в обмотке индуктора — ток возбуждения. Во всех электрических машинах в обмотке якоря протекает переменный ток (в машинах постоянного тока он выпрямляется с помощью коллектора).
В обмотке возбуждения может протекать постоянный ток (в синхронных машинах и машинах постоянного тока) или переменный ток (в асинхронных, коллекторных машинах переменного тока, машинах двойного питания и т. п.).
Строго говоря, приведенное выше определение несколько условно, так как, например, в обмотке якоря асинхронной машины протекает, кроме тока нагрузки, и намагничивающий ток, т. е. ток возбуждения, потребляемый из сети. В обмотке же ротора асинхронной машины, не соединенной с сетью, протекает ток с частотой скольжения, пропорциональный нагрузке. Поэтому можно встретить термин «обмотка якоря» применительно к обмотке ротора асинхронного двигателя.
В машине двойного питания любая из двух обмоток может быть одновременно обмоткой якоря и обмоткой возбуждения в зависимости от режима работы машины.
Обмотки изготовляются из проводников (обычно медных), изолированных друг от друга и от сердечника машины. Проводники соединяются друг с другом согласно схеме обмотки. Короткозамкнутые обмотки могут не изолироваться от сердечника.
Сердечники могут пронизываться постоянным или переменным магнитным потоком, причем сердечники якорей всегда пронизываются переменным магнитным потоком и выполняются шихтованными из листовой электротехнической стали. Сердечники электромагнитов возбуждения постоянного тока могут изготовляться из массивной стали. Массивными могут быть и роторы асинхронных двигателей, так как частота поля в них относительно невелика.
С точки зрения электромагнитных процессов безразлично, что будет вращаться, индуктор или якорь. Обычно в крупных синхронных машинах вращается индуктор, так как подвод тока к нему при вращении проще из-за низкого напряжения, чем подвод тока к якорю, обычно выполняемому на высокое напряжение.
По этой же причине в роторах асинхронных машин располагаются короткозамкнутые обмотки, а не якорные, соединяемые с сетью.
Статор электрической машины обычного назначения, как и сердечник, имеет цилиндрическую форму.
Конструктивные элементы статора машины обеспечивают жесткость и крепление к фундаменту его сердечника, а в необходимых случаях — герметичность машины. Торцевые части статора — щиты или крестовины могут обеспечивать не только жесткость и герметичность корпуса, по и крепление подшипников, в которых вращается вал ротора.
В машинах относительно малых размеров конструктивные части статора — корпус или станина и щиты могут быть литыми, в машинах больших размеров такая конструкция технологически невыгодна: статоры больших машин изготовляются из стального проката путем сварки.
Механические нагрузки действующие на сердечник, корпус и торцевые элементы статора, вызываются их собственным весом, силами инерции, возникающими при ускорениях (если машина закреплена на подвижной части приводимого в движение механизма или средства транспорта), весом и силами инерции ротора, если он не опирается непосредственно на фундамент, силами, возникающими вследствие электромеханических процессов, небалансов, тепловых деформации и иных причин. Воспринимая эти нагрузки, статор должен сохранить не только прочность, но и форму, вследствие чего размеры его конструктивных элементов определяются в основном требованиями жесткости. Обычно цилиндрическая часть статора крупной машины переменного тока состоит из обшивки, усиленной продольными ребрами и радиальными поясами жесткости. К этим ребрам крепится сердечник статора. Крайние торцевые пояса жесткости (фланцы) служат одновременно для присоединения торцевых элементов - щитов или крестовин. Статор снабжается конструктивными элементами для крепления его к фундаменту — лапами или опорными плитами и для переноса — рымами или проушинами.
Нагрузки от собственного веса в машинах с горизонтальным расположением вала деформируют статор в радиальном направлении. Эти усилия быстро увеличиваются с ростом диаметра, и в горизонтальных машинах с очень большим диаметром масса конструктивных элементов статора настолько возрастает, что становится более выгодным вертикальное расположение вала, при котором нагрузки от собственного веса деформируют статор в осевом направлении. Это обстоятельство является одной из причин вертикального исполнения мощных тихоходных машин: гидрогенераторов, двигателей пропеллерных насосов и т. п.
Ротор электрической машины обычного исполнения также имеет цилиндрическую форму. Его конструктивные элементы — вал и втулка (или втулка с остовом и ободом) обеспечивают вращение и крепление активных частей ротора — сердечника и обмотки (или полюсов). Сердечник ротора может быть одновременно и конструктивной частью — ободом, валом, а также играть роль маховика. Размеры ротора часто определяются именно назначением его элементов.
Ротор подвергается действию нагрузок главным образом от центробежных сил, небалансов и собственного веса. В быстроходных машинах — турбогенераторах и турбодвигателях ротор представляет собой одну массивную деталь, откованную из стали с высокими магнитными свойствами и большой прочностью. В тихоходных машинах ротор, как правило, состоит из нескольких узлов: вала, втулки, остова и обода, причем участком магнитной цепи является только обод, а прочие элементы имеют конструктивные функции.
В машинах с горизонтальной линией вала нагрузка вала и подшипников от веса ротора также резко возрастает с увеличением диаметра, что является одной из причин преимущественно вертикального исполнения весьма мощных тихоходных машин. Кроме того, размеры ротора должны быть такими, чтобы его любая критическая скорость не совпадала с рабочей скоростью вращения.
Ротор электрической машины вращается в подшипниках, закрепляемых на фундаменте или на торцевых элементах статора. В зависимости от расположения вала машины подшипники могут иметь различное назначение. Так, в машинах с горизонтальным расположением вала подшипники являются одновременно и опорными и направляющими: они должны выдерживать нагрузку от веса ротора и связанных с ним узлов, а также обеспечивать неизменность положения оси ротора при воздействии на него переменных нагрузок от механических или магнитных небалансов. Для восприятия осевых нагрузок, если они имеют место, устанавливаются упорные подшипники. В машинах с вертикальным расположением вала при большой осевой нагрузке от веса самого ротора и от соединенного с машиной механизма функции подшипников разделяются: осевую нагрузку, включая и вес ротора, воспринимает отдельный упорный подшипник, так называемый подпятник, а направляющие подшипники только обеспечивают неизменность положения оси вращения ротора.
При работе машины в ее обмотках и сердечниках выделяются потери (в виде тепла), которые должны быть отведены с помощью соответствующей системы охлаждения.
В машинах с относительно высоким тепловыделением, как правило, применяется система охлаждения воздухом, который с помощью вентиляторов, расположенных на роторе, продувается через машину. В ряде конструкций вентилятором является сам ротор, в некоторых случаях вентиляторы располагаются вне машины и имеют отдельный привод. Для увеличения поверхности теплоотдачи в сердечниках устраивают осевые или радиальные вентиляционные каналы. При радиальных каналах сердечник делится на пакеты, между которыми установлены распорки.
В машинах малой и средней мощности для охлаждения применяется окружающий воздух, в таких случаях имеет место разомкнутая система вентиляции. В крупных машинах, как правило, применяется замкнутая система вентиляции: одни и тот же объем воздуха продувается через машину, охлаждаясь па своем пути с помощью охладителей, в которых протекает более холодная вода. При замкнутой системе вентиляции возможно применение не только воздуха, но и водорода или гелия, обладающих большей теплоемкостью и меньшей плотностью. Все крупные турбогенераторы охлаждаются водородом.
В машинах с весьма высоким тепловыделением применяются непосредственные системы охлаждения, при которых газ охлаждает непосредственно проводники. В проводниках для этой цели делают каналы. За последнее десятилетне широкое применение получило непосредственное охлаждение обмоток водой, протекающей по каналам в проводниках. Вода имеет значительно более высокую теплоемкость, чем газы, и ее применение выгодно там, где отвод тепла требует значительных расходов газа.
Кроме системы охлаждения важным элементом конструкции синхронной машины (или машины двойного питания) является система возбуждения, состоящая из источника мощности — возбудителя, устройства теплоотвода и устройства регулирования возбуждения.
В качестве возбудителя синхронной машины может служить генератор постоянного тока или генератор переменною тока с выпрямителем, или трансформатор, также питающий выпрямители, или, наконец, отдельный агрегат.
Если источник питания получает энергию с пала двигателя (турбины агрегата или независимой турбины), а не от обмотки якоря или сети, то система возбуждении называется независимой, так как она может работать независимо от генератора или сети. В противном случае имеет место система самовозбуждения, для работы которой требуется источник напряжения (сам генератор или сеть). Система возбуждения без вращающихся машин называется статической.
Различают еще системы возбуждения по наличию или отсутствию щеточного контакта: в большинстве случаев обмотка возбуждения, расположенная на роторе, питается через контактные кольца и щетки (систему токоподвода). За последние годы появились бесщеточные системы, в которых якорь возбудителя переменного тока и выпрямители расположены на роторе машины и связаны непосредственно с обмоткой возбуждения.
Система возбуждения включает в себя регулятор, который обеспечивает постоянство напряжения машины путем изменения тока возбуждения при изменении нагрузки или осуществляет регулирование напряжения по заданному закону.
Каждая электрическая машина снабжается в определенном объеме (в зависимости от мощности) также устройствами автоматики, защиты и контроля, с помощью которых обеспечивается измерение и регистрация напряжений и токов, температур активных и конструктивных элементов, охлаждающего газа и воды, вибраций и других характеристик, а также автоматическое регулирование токов и напряжений в аварийных режимах (зашита), пуск и остановка машины. Эти устройства составляют предмет специальных курсов и в настоящей книге не рассматриваются.
