Сравнительный анализ электромеханических преобразователей

В любом ЭМП без потерь энергия W, запасенная в рабочем поле, полностью преобразуется в механическую или электрическую энергию за половину оборота. Тогда мощность преобразователя , где Т – период вращения; n – число оборотов в единицу времени.

Следует отметить, что, кроме основной функции – служить преобразователем энергии, ЭМП является концентратором электромагнитного и тепловых полей. Главным критерием, определившим преимущественное практическое использование индуктивных ЭМП является плотность энергии, сосредоточенной в его зазоре.

Плотность энергии электромагнитного поля определяется выражением:

,

где Е и Н – напряженность электрического и магнитного полей; ε и µ – относительные электрические и магнитные проницаемости; ε₀ и µ₀ – электрические и магнитные постоянные.

В емкостном преобразователе удастся достичь напряженности поля свыше 600 кВ/см, что соответствует плотности энергии электрического поля:

кДж/м³.

Плотность энергии магнитного поля при индукции В = 2 Тл в 50 раз превышает плотность энергии индуктивного ЭМП по сравнению с емкостным ЭП.

кДж/м³.

Таким образом, исходя из критерия плотности энергии, индуктивные ЭМП лучше емкостных. Приведенные значения плотностей энергии можно считать предельными, так как определяются предельными значениями величин Е и Н для современных материалов, используемых в ЭМП.

Существует и другой подход к сравнению индуктивных и емкостных ЭМП. Согласно ему предлагается сравнивать не плотности энергии магнитного и электрического полей в зазоре ЭМП, а отношение энергии, запасенной в рабочем объеме машин, к объему всей машины.

В индуктивных ЭМП значительную часть их объема занимает ферромагнитный потокопровод, служащий для замыкания непрерывного магнитного поля. Поток же вектора смещения прерывен, начинается и кончается на заряженных проводниках. Поэтому емкостный ЭМП не имеет потокопровода и рабочий объем между взаимодействующими поверхностями составляет значительную долю всего объема ЭМП. Таким образом, даже при меньшей плотности энергии электрического поля, емкостный ЭМП может не уступать индуктивному ЭМП по величине энергии и мощности, приходящейся на единицу полного объема машины.

Несмотря на более чем трехвековую историю развития емкостных ЭМП, они как силовые ЭМП не получили широкого применения. Теория емкостных ЭМП также не получила достаточного развития.

Одной из причин отсутствия применения емкостных ЭМП в промышленности является копирование индуктивных ЭМП, которые при вращательном движении нельзя заменить емкостными. Надо создавать емкостные ЭМП для тех применений, где индуктивные ЭМП имеют плохие технико-экономические показатели. Это, в первую очередь, ЭМП с возвратно-поступательным движением, ЭМП, обеспечивающие точные, перемещения в трехмерном пространстве. В настоящее время, исходя из того, что емкостные ЭМП являются ЭМП высокого напряжения (сотни и тысячи киловольт) и малых токов, а индуктивные ЭМП работают при невысоких напряжениях и больших токах, наметились и рациональные области их применения. Индуктивные ЭМП широко используются во всех отраслях техники. Емкостные ЭМП, получившие сравнительно узкую область использования, применяются при исследовании атомного ядра, для окраски в электрическом поле, в электронно-ионной технике и т. п.

В индуктивно-емкостных ЭМП концентрация и преобразование энергии происходит в электромагнитном поле. Поэтому следует предположить, что их предельные показатели по удельным силовым и энергетическим показателям находятся между одноименными показателями индуктивных и емкостных ЭМП, приближаясь больше к показателям индуктивных ЭМП.

Сравнение ЭМП энергии L и C типа при одной и той же развиваемой мощности и реально достигнутых значениях напряженности (индукции) магнитного поля и напряженности электрического поля свидетельствует о гораздо меньших геометрических размерах активной зоны преобразова-теля L типа. Покажем это на примере синхронного генератора.

Превращение механической энергии в электрическую происходит в воздушном зазоре между ротором и статором. При этом величина окружной скорости ротора, выбранная из конструктивных соображений, составляет 100 м/с.

Тангенциальные силы взаимодействия между статором и ротором будут определяться энергией магнитного поля .

В данном случае эти силы будут противодействующими силами первичного двигателя, например, турбины.

Коэффициент α зависит от конструкции генератора и характеризу-ется косинусом угла, образованного силой со скоростью ротора ω. Обычно α имеет величину, равную нескольким десятым долей единицы.

Напряженность магнитного поля Н определяется насыщением железа и не превышает 2·10⁶ А/м. Для поставленных условий удельная мощность в этом случае составит 1 кВт/см². Поэтому для синхронного генератора мощностью 100 МВт ротор должен иметь рабочую поверхность около 10 м², что соответствует реальным размерам ротора на практике.

Для генератора С-типа, работающего на электрическом поле, энергия его будет иметь вид: , где Е – напряженность электрического поля, которая ограничивается диэлектрической прочностью воздуха и не превышает 3·10⁶ В/м. Поэтому, чтобы получить ту же мощность 100 МВт, потребуется ротор с поверхностью 4·10⁴ раз больше, т. е. равной 0,5 км². На практике генератор с нашими размерами представляется неосуществимым.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: