Elektriskā mašīna

Elektroģeneratori hidroelektrostacijā

Elektriskā mašīna ir mašīna, kas pārveido elektrisko enerģiju mehāniskajā vai otrādi. Svarīgākais elektrisko mašīnu iedalījums sastāv no divām grupām: elektrodzinējiem un elektroģeneratoriem. Dažkārt kā trešo elektrisko mašīnu grupu izdala transformatorus, lai gan tie nepārveido vienu enerģijas veidu citā un tiem nav kustīgo daļu.

Iedalījums

Pamatā elektriskās mašīnas iedala elektriskajos ģeneratoros, kas pārveido mehānisko enerģiju elektriskajā, un elektriskajos dzinējos, kas pārveido elektrisko enerģiju mehāniskajā. Jebkurš ģenerators var darboties dzinēja režīmā, un jebkurš dzinējs var darboties kā ģenerators, tikai, elektriskajai mašīnai darbojoties tai pretējā režīmā, efektivitāte ir mazāka. Līdz ar to ģeneratoru un dzinēju uzbūve principiāli neatšķiras.

Pēc uzbūves īpatnībām un strāvas izšķir šādas elektriskās mašīnas:

• asinhronā mašīna
• sinhronā mašīna
• dubultās barošanas mašīna
• līdzstrāvas mašīna
• kolektorais elektrodzinējs
• bezsuku līdzstrāvas dzinējs
• bezsuku maiņstrāvas dzinējs
• dzinējģenerators.

Raksturlielumi

Ģeneratoram pievadīto mehānisko enerģiju raksturo moments $M$ (tā mērvienība ir ņūtonmetri — N⋅m), kas pielikts rotora vārpstai, un rotora rotācijas frekvence $n$ (apgriezieni minūtē — apgr./min vai rpm). Rotācijas frekvenci, ņemot vērā frekvences jēdziena izmantošanu elektrisko svārstību (maiņstrāvas momentānās strāvas stipruma, sprieguma u.c. lielumu) raksturošanai, bieži sauc par rotācijas ātrumu, griešanas ātrumu vai vienkārši par ātrumu. Ģeneratora izejā iegūst elektrisko enerģiju, kuru raksturo spriegums $U$ starp ģeneratora spailēm un strāva $I$, ar kuru ģeneratoru slogo.

Dzinējs tiek pieslēgts līdzstrāvas vai maiņstrāvas tīklam ar noteiktu $U$ un $I$, izejā no vārpstas, kurai ir noteikts $n$, slogojot dzinēju ar $M$, tiek iegūta mehāniskā enerģija.

Elektriskajai mašīnai pievadīto enerģiju raksturo ieejas jauda $P_{1}$, no tās iegūto enerģiju apraksta izejas jauda $P_{2}$. Ģeneratoram $P_{1}$ ir mehāniska jauda, $P_{2}$ ir elektriska, savukārt, dzinējam $P_{1}$ ir elektriska, $P_{2}$ — mehāniska. Jebkurai mašīnai mehānisko jaudu $P$ (vats — W) var aprēķināt pēc

$P={\frac {Mn}{9,55}}$

un elektrisko $P$ (tāpat vatos) pēc

• $P=UI$ līdzstrāvas mašīnām,
• $P=UIcos\varphi$ vienfāzes maiņstrāvas mašīnām,
• $P={\sqrt {3}}UIcos\varphi$ trīsfāžu maiņstrāvas mašīnām,

kur $\varphi$ ir nobīdes leņķis starp $U$ un $I$ fāzēm.

Jebkuras mašīnas lietderības koeficients $\eta$ ir attiecība starp izejas un ieejas jaudām:

$\eta ={\frac {P_{2}}{P_{1}}}$.

Elektrisko, magnētisko, mehānisko zudumu dēļ $\eta <1$ vienmēr.

Dzinēja pasē vai uzrakstā uz paša dzinēja tiek norādīts viena, nominālā, jauda, kura vienmēr ir izejas jauda. Mašīna attīsta nominālo jaudu tikai tad, ja arī slodze ir nominālā. Jo mazāka slodze, jo mazāka attīstītā jauda. Ģeneratoram nominālais režīms ir pie nominālās strāvas $I_{N}$, dzinējam — pie nominālā momenta $M_{N}$. Mašīnām kā nominālie dati (lielumi, vērtības) var tikt norādīti jauda, spriegums, strāva, griešanās ātrums, maiņstrāvas frekvence, fāžu skaits, lietderības koeficients, jaudas koeficients un citi. Taču par nomināliem sauc arī lielumus, kuri nav norādīti, piemēram, moments, slīde.

Magnētiskais lauks

Katrā mašīnā ir magnētiskais lauks, kuru raksturo ar magnētisko indukciju $B$ vai magnētisko plūsmu $\Phi$. Magnētiskais lauks rodas, strāvai plūstot kādā no mašīnas tinumiem. Līdzstrāvas mašīnās magnētiskais lauks ir nekustīgs, rotējošs vai pulsējošs asinhronajās mašīnās un tā tālāk. Līdzstrāvas un asinhronajās mašīnās to rada statora tinums, sinhronajās mašīnās — rotora tinums. Mašīnās ir spēkā elektromagnētiskās indukcijas likums un Ampēra likums. Ģeneratora galvenajā elektriskajā ķēdē elektrodzinējspēku iegūst saskaņā ar pirmo likumu, dzinējam uz tā rotoru darbojas griezes moments, kas iegūts saskaņā ar otro likumu.

Darbība

Elektriskās mašīnas nominālajā režīmā var darboties neierobežoti ilgi, bet, pārsniedzot nominālo slodzi, tās var pārkarst.

Mašīnu darbību raksturo ar to dažādu lielumu atkarību no slodzes. Slodzes strāvas un momentā vietā var lietot noslodzes koeficientu $\beta$, kas ir konkrētās slodzes attiecība pret nominālo slodzi:

• $\beta ={\frac {I}{I_{N}}}$ ģeneratoram,
• $\beta ={\frac {M}{M_{N}}}$ dzinējam.

Slodzei mainoties no tukšgaitas līdz nominālajam režīmam, $\beta$ mainās diapazonā 0 . . . 1.

Svarīgas raksturlīknes elektromašīnu darbam: ģeneratoram ārējā raksturlīkne $U=f(I)$ (ģeneratora starpspaiļu sprieguma atkarība no slodzes strāvas) un dzinējam mehāniskā raksturlīkne $n=f(M)$ (dzinēja griešanās ātruma atkarība no rotora vārpstai pieliktā momenta). Attēlojot šīs atkarības grafiski, var apskatīt mašīnas darbu dažādos režīmos, tostarp tukšgaitā, nominālajā režīmā, īsslēgumā (avārijas režīmā). Ģeneratoram, palielinot slodzi, spriegums izejā samazinās, savukārt, arī dzinējam pie lielākas slodzes griešanās ātrums ir mazāks. Nominālais režīms atrodas daudz tuvāk tukšgaitai nekā īsslēgumam. Bieži šīs raksturlīknes zīmē tikai no tukšgaitas līdz nominālajai slodzei.

Ģenerators vai dzinējs ir regulējams, ja ir iespējams izmainīt tā ārējo vai mehānisko raksturlīni (ģeneratora sprieguma vai dzinēja griešanās ātruma izmaiņa, mainot slodzi jeb pārvietojot darba punktu pa vienu un to pašu raksturlīkni, nav regulēšana).

Palaišanas režīms elektrodzinējam

Sevišķs režīms dzinējam ir palaišanas režīms, kad dzinējs ir pieslēgts spriegumam, bet griešanās ātrums ir vienāds ar nulli. Viens no svarīgākajiem dzinēja parametriem ir palaišanas moments $M_{p}$. Izmantojot dažādus dzinējus, jāņem vērā, ka palaišanas moments jāpalielina asinhronam trīsfāžu dzinējam, jāsamazina līdzstrāvas dzinējam, asinhrons vienfāzes dzinējs pats nespēj attīstīt palaišanas momentu u.c. Dažādu dzinēju mehāniskās raksturlīknes ievērojami atšķiras.