Основные положения принципа обратимости электрических машин
Согласно закону Био-Савара, на движущийся в магнитном поле проводник с током I действует сила F = Вli, (ВА) направление которой определяется по правилу левой руки. Поэтому если к щеткам машины переменного тока подвести переменный ток, то возникнет сила, которая заставит проводники аb и cd перемещаться в магнитном поле, и виток abcd начнет вращаться (рис. 1).
Необходимо только, чтобы частота f тока соответствовала в период пуска частоте вращения n, т.к. f = pn. Аналогичное явление будет иметь место, если к щеткам машины постоянного тока подвести постоянный ток. Коллектор в этом случае будет играть роль инвертора, превращая подведенный постоянный ток в переменный внутри якоря (см. рис. 2).
Таким образом, мы получим электрический двигатель, который, в отличие от генератора преобразует электрическую энергию в механическую.
По закону Ленца, индуцированный ток всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуцируется ток.
Рис. 1. Простейший генератор переменного тока
Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока
Рис. 3. Генератор дает переменную э.д.с., если концы рамки подключены к кольцам. Если же они подключены к полукольцам (пластинам коллектора), то ток в цепи будет пульсирующим.
На основании упомянутых выше законов и принципа работы простейших электрических машин можем сформулировать следующие основные положения энергопреобразования:
1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии в индуктивных электрических машинах возможно лишь тогда, когда последняя является энергией переменного тока,
2) для такого энергопреобразования необходим электрический контур с изменяющейся индуктивностью (в нашем случае это поворачивающийся в магнитном поле виток),
3) для преобразования переменного тока в постоянный в электрическом контуре должно быть изменяющееся электрическое сопротивление (роль его в электрических машинах играет контакт щетка - коллектор, сопротивление которого меняется от бесконечности, когда щетка не касается коллекторной пластины, до некоторой минимальной величины, когда щетка полностью перекрывает пластину),
4) любая электрическая машина энергетически обратима, т. е. принципиально равноценно может работать и как генератор, и как двигатель,
5) поскольку для проявления закона электромагнитной индукции необходимо лишь относительное перемещение проводника и магнитного поля, то любая электрическая машина кинематически обратима, т. е. у нее может вращаться или якорь или индуктор.
Возможно ли использование двигателя вместо генератора на практике
По закону Э. X. Ленца индуктированный ток в замкнутом электрическом контуре всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуктируется электрический ток. На этом основании всякая индуктивная электрическая машина "энергетически обратима", т. е. может, принципиально, работать как генератором, так и двигателем.
Тем не менее, при необходимо знать, для какого режима работы электричсекая машина предназначается, — для генераторного или двигательного. Это объясняется тем, что на практике к генератору и к двигателю предъявляются определенные требования, которые не всегда совместимы, а потому может оказаться, что электрическая машина, выполненная как генератор, не будет в состоянии удовлетворительно работать в качестве двигателя, и наоборот.
Поэтому всякая машина должна иметь на своем "заводском щитке" указание, для какого режима работы она предназначается выпустившим ее заводом. Кроме того, нужно отметить, что ряд типов электрических машин возник и применяется только в качестве генератора, либо только в качестве двигателя.
Кинематическая обратимость электрической машины
С точки зрения осуществления в электрической машине энергопреобразования важно лишь взаимоотносительное движение ее двух основных органов, вытекает кинематическая обратимость электрической машины.
Это значит, что если ротор электрической машины застопорить, а статору дать возможность вращаться, то он придет во вращение, при этом будет вращаться, при неизменных электрических соединениях, в сторону, обратную той, в которую вращался ротор, превращенный в статор (это следует из законов механики).
Очевидно, что для придания статору возможности вращения его придется снабдить соответствующими подшипниками и, кроме того, скользящими электрическими контактами, чтобы сохранить подачу электрической энергии к статору, если таковая имела место до переделки. Очевидно, что при кинематическом обращении внутрироторной электрической машины получим внешнероторную электрическую машину, и наоборот.