Proces premeny energie v elektrických strojoch

Elektrické stroje sa delia podľa účelu na dva hlavné typy: elektrické generátory a elektromotory... Generátory sú určené na výrobu elektrickej energie a elektromotory sú určené na pohon dvojíc kolies lokomotív, otáčanie hriadeľov ventilátorov, kompresorov atď.

V elektrických strojoch prebieha proces premeny energie. Generátory premieňajú mechanickú energiu na elektrickú energiu. To znamená, že na to, aby generátor fungoval, musíte otočiť jeho hriadeľ pomocou nejakého motora. Napríklad na dieselovej lokomotíve je generátor poháňaný do rotácie dieselovým motorom, na tepelnej elektrárni parnou turbínou, vodnej elektrárne – vodnej turbíny.

Elektromotory na druhej strane premieňajú elektrickú energiu na mechanickú energiu. Preto, aby motor fungoval, musí byť pripojený drôtmi k zdroju elektrickej energie, alebo, ako sa hovorí, zapojený do elektrickej siete.

Princíp činnosti akéhokoľvek elektrického stroja je založený na využití javov elektromagnetickej indukcie a vzniku elektromagnetických síl pri interakcii drôtov s prúdom a magnetickým poľom. Tieto javy sa vykonáva počas prevádzky generátora aj elektromotora. Preto často hovoria o generátorových a motorových režimoch prevádzky elektrických strojov.

V točivých elektrických strojoch sa na procese premeny energie podieľajú dve hlavné časti: kotva a tlmivka s vlastnými vinutiami, ktoré sa navzájom pohybujú. Induktor vytvára v aute magnetické pole. Vo vinutí kotvy vyvolané e. s… a vznikne elektrický prúd. Pri interakcii prúdu vo vinutí kotvy s magnetickým poľom vznikajú elektromagnetické sily, prostredníctvom ktorých sa v stroji realizuje proces premeny energie.

Na vykonávanie procesu premeny energie v elektrickom stroji

Nasledujúce ustanovenia sú odvodené zo základných teórií elektrickej energie Poincarého a Barhausena:

1) priama vzájomná transformácia mechanickej a elektrickej energie je možná iba vtedy, ak je elektrická energia energiou striedavého elektrického prúdu;

2) na realizáciu procesu takejto premeny energie je potrebné, aby sústava elektrických obvodov určená na tento účel mala buď meniacu sa elektrickú indukčnosť, alebo meniacu sa elektrickú kapacitu,

3) na premenu energie striedavého elektrického prúdu na energiu jednosmerného elektrického prúdu je potrebné, aby sústava elektrických obvodov určená na tento účel mala meniaci sa elektrický odpor.

Z prvej pozície vyplýva, že mechanickú energiu možno v elektrickom stroji premeniť len na energiu striedavého elektrického prúdu alebo naopak.

Zjavný rozpor tohto tvrdenia s faktom existencie jednosmerných elektrických strojov je vyriešený tým, že v «jednosmernom stroji» máme dvojstupňovú premenu energie.

Takže v prípade jednosmerného elektrického strojového generátora máme stroj, v ktorom sa mechanická energia premieňa na energiu striedavého prúdu a tá sa vďaka prítomnosti špeciálneho zariadenia reprezentujúceho „variabilný elektrický odpor“ premieňa na energiu. z jednosmerného prúdu.

V prípade elektrického stroja ide proces samozrejme opačným smerom: energia jednosmerného elektrického prúdu privádzaná do elektrického stroja sa premieňa pomocou uvedeného premenlivého odporu na energiu striedavého elektrického prúdu a ten na energiu mechanickú.

Úlohu uvedeného meniaceho sa elektrického odporu zohráva "posuvný elektrický kontakt", ktorý v bežnom "stroji s jednosmerným kolektorom" pozostáva z "kefy elektrického stroja" a "zberača elektrického stroja" a zo zberacích krúžkov ".

Keďže na vytvorenie procesu premeny energie v elektrickom stroji je potrebné mať v ňom buď "variabilnú elektrickú indukčnosť" alebo "variabilnú elektrickú kapacitu", môže byť elektrický stroj vyrobený buď na princípe elektromagnetickej indukcie, alebo na princíp elektrickej indukcie. V prvom prípade dostaneme "indukčný stroj", v druhom - "kapacitný stroj".

Kapacitné stroje stále nemajú praktický význam.Elektrické stroje používané v priemysle, doprave a každodennom živote sú indukčné stroje, za ktorými sa v praxi udomácnil krátky názov „elektrický stroj“, čo je v podstate širší pojem.

Princíp činnosti elektrického generátora.

Najjednoduchším elektrickým generátorom je slučka otáčajúca sa v magnetickom poli (obr. 1, a). V tomto generátore je otáčka 1 vinutie kotvy. Induktorom sú permanentné magnety 2, medzi ktorými sa otáča kotva 3.

Ryža. 1. Schematické schémy najjednoduchšieho generátora (a) a elektromotora (b)

Keď sa cievka otáča s určitou frekvenciou otáčania n, jej strany (vodiče) pretínajú magnetické siločiary toku Ф a e sa indukuje v každom vodiči. atď. s d) S prijatou na obr. 1 a smer otáčania kotvy e. atď. c) vo vodiči umiestnenom pod južným pólom podľa pravidla pravej ruky smeruje od nás a e. atď. v drôte umiestnenom pod severným pólom - smerom k nám.

Ak k vinutiu kotvy pripojíte prijímač elektrickej energie 4, potom bude cez uzavretý obvod pretekať elektrický prúd I. Vo vodičoch vinutia kotvy bude prúd I smerovať rovnakým spôsobom ako napr. atď. SD.

Poďme pochopiť, prečo na otáčanie kotvy v magnetickom poli je potrebné vynaložiť mechanickú energiu získanú z dieselového motora alebo turbíny (hlavný motor). Keď prúd i preteká drôtmi umiestnenými v magnetickom poli, na každý drôt pôsobí elektromagnetická sila F.

S označením na obr. 1 a smer prúdu podľa pravidla ľavej ruky, sila F smerujúca doľava bude pôsobiť na vodič umiestnený pod južným pólom a sila F smerujúca doprava bude pôsobiť na vodič umiestnený pod južným pólom. Severný pól.Tieto sily spolu vytvárajú elektromagnetický moment M. v smere hodinových ručičiek.

Z preskúmania na obr. 1, ale je vidieť, že elektromagnetický moment M, ktorý vzniká, keď generátor vyžaruje elektrickú energiu, smeruje opačným smerom ako otáčanie drôtov, teda ide o brzdný moment, ktorý má tendenciu spomaliť rotáciu vodiča. armatúra generátora.

Aby sa zabránilo zastaveniu kotvy, je potrebné použiť vonkajší krútiaci moment Mvn na hriadeľ kotvy, opačný a rovnaký ako moment M. Pri zohľadnení trenia a iných vnútorných strát v stroji musí byť vonkajší krútiaci moment väčší ako elektromagnetický moment M vytvorený zaťažovacím prúdom generátora.

Preto, aby sa pokračovalo v normálnej prevádzke generátora, je potrebné dodávať mu mechanickú energiu zvonku - otáčať jeho kotvu s každým motorom 5.

Bez záťaže (s otvoreným obvodom externého generátora) je generátor v režime nečinnosti.V tomto prípade je potrebné iba množstvo mechanickej energie z nafty alebo turbíny na prekonanie trenia a kompenzáciu iných vnútorných strát energie v generátore.

So zvýšením zaťaženia generátora, to znamená elektrického výkonu REL ním daného, ​​prúdu I prechádzajúceho cez drôty vinutia kotvy a brzdného momentu M. turbíny pokračovať v normálnej prevádzke.

Čím viac elektrickej energie spotrebujú napríklad elektromotory dieselového rušňa od generátora dieselového lokomotívy, tým viac mechanickej energie odoberie dieselovému motoru, ktorý ho otáča, a tým viac paliva je potrebné dodať dieselovému motoru. .

Z vyššie uvedených prevádzkových podmienok elektrického generátora vyplýva, že je preň charakteristický:

1. prispôsobenie v smere prúdu i a e. atď. v drôtoch vinutia kotvy. To znamená, že stroj uvoľňuje elektrickú energiu;

2. vznik elektromagnetického brzdiaceho momentu M namiereného proti otáčaniu kotvy. Z toho vyplýva potreba, aby stroj prijímal mechanickú energiu zvonku.

Princíp elektrického motora.

Elektrický motor je v princípe navrhnutý rovnako ako generátor. Najjednoduchším elektromotorom je závit 1 (obr. 1, b), umiestnený na kotve 3, ktorý sa otáča v magnetickom poli pólov 2. Vodiče závitu tvoria vinutie kotvy.

Ak cievku pripojíte k zdroju elektrickej energie, napríklad k elektrickej sieti 6, potom každým jej vodičom začne pretekať elektrický prúd I. Tento prúd v interakcii s magnetickým poľom pólov vytvára elektromagnetické sily F.

S označením na obr. 1b, bude smer prúdu na vodiči umiestnenom pod južným pólom ovplyvňovať sila F smerujúca doprava a sila F smerujúca doľava bude pôsobiť na vodič umiestnený pod severným pólom. V dôsledku kombinovaného pôsobenia týchto síl vzniká elektromagnetický krútiaci moment M smerujúci proti smeru hodinových ručičiek, ktorý poháňa kotvu s drôtom do otáčania s určitou frekvenciou n... Ak hriadeľ kotvy pripojíte k akémukoľvek mechanizmu alebo zariadeniu 7 ( stredová os dieselového rušňa alebo elektrického rušňa, nástroj na rezanie kovov atď.), potom elektromotor uvedie toto zariadenie do rotácie, to znamená, že mu dodá mechanickú energiu.V tomto prípade bude vonkajší moment MVN vytvorený týmto zariadením nasmerovaný proti elektromagnetickému momentu M.

Poďme pochopiť, prečo sa elektrická energia spotrebováva, keď sa kotva elektromotora pracujúceho pod zaťažením otáča. Zistilo sa, že keď sa drôty kotvy otáčajú v magnetickom poli, v každom drôte sa indukuje e. atď. s, ktorého smer je určený podľa pravidla pravej ruky. Preto s označením na obr. 1, b smer otáčania e. atď. c) e indukovaná vo vodiči umiestnenom pod južným pólom bude smerovať od nás a e. atď. e indukovaný vo vodiči umiestnenom pod severným pólom bude smerovať k nám. Obr. 1, b je vidieť, že napr. c) Indukované v každom vodiči sú nasmerované proti prúdu i, to znamená, že bránia jeho prechodu cez vodiče.

Aby prúd ďalej tiekol drôtmi kotvy v rovnakom smere, to znamená, aby elektromotor naďalej normálne pracoval a vyvíjal potrebný krútiaci moment, je potrebné na tieto drôty priviesť externé napätie U smerované na e. atď. c) a väčší ako všeobecný e. atď. c) E indukované vo všetkých sériovo zapojených vodičoch vinutia kotvy. Preto je potrebné dodávať elektrickú energiu elektromotoru zo siete.

Pri absencii zaťaženia (vonkajší brzdný moment aplikovaný na hriadeľ motora) spotrebuje elektromotor malé množstvo elektrickej energie z externého zdroja (sieť) a pri voľnobehu ním preteká malý prúd. Táto energia sa využíva na pokrytie vnútorných strát výkonu v stroji.

So zvyšujúcim sa zaťažením rastie aj prúd spotrebovaný elektromotorom a elektromagnetický krútiaci moment, ktorý vyvíja. Preto zvýšenie mechanickej energie uvoľnenej elektromotorom pri zvyšovaní zaťaženia automaticky vedie k zvýšeniu elektriny, ktorú odoberá zo zdroja.

Z vyššie uvedených prevádzkových podmienok elektromotora vyplýva, že je preň charakteristický:

1. koincidencia v smere elektromagnetického momentu M a rýchlosti n. Tá charakterizuje návrat mechanickej energie zo stroja;

2. vzhľad vo vodičoch vinutia kotvy e. atď namierené proti prúdu i a vonkajšiemu napätiu U. Z toho vyplýva potreba, aby stroj prijímal elektrickú energiu zvonku.

Princíp reverzibility elektrických strojov

Vzhľadom na princíp činnosti generátora a elektromotora sme zistili, že sú usporiadané rovnakým spôsobom a že základ fungovania týchto strojov má veľa spoločného.

Proces premeny mechanickej energie na elektrickú energiu v generátore a elektrickej energie na mechanickú energiu v motore súvisí s indukciou EMF. atď. str. vo drôtoch vinutia kotvy rotujúcich v magnetickom poli a vznik elektromagnetických síl v dôsledku interakcie magnetického poľa a vodičov s prúdom.

Rozdiel medzi generátorom a elektromotorom je len vo vzájomnom smere napr. d) s prúdom, elektromagnetickým krútiacim momentom a rýchlosťou.

Zhrnutím uvažovaných procesov činnosti generátora a elektromotora je možné stanoviť princíp reverzibility elektrických strojov... Podľa tohto princípu môže každý elektrický stroj pracovať ako generátor a elektromotor a prepínať z režimu generátora do režimu motora a naopak.

Ryža. 2. Smer e., atď. s E, prúdom I, frekvenciou otáčania kotvy n a elektromagnetickým momentom M pri prevádzke jednosmerného elektrického stroja v režime motora (a) a generátora (b).

Na objasnenie tejto situácie zvážte prácu Jednosmerný elektrický stroj za rôznych podmienok. Ak je vonkajšie napätie U väčšie ako celkové e. atď. v. D. vo všetkých sériovo zapojených vodičoch vinutia kotvy, potom bude prúdiť prúd I, ktorý je naznačený na obr. 2 a smer a stroj budú fungovať ako elektrický motor, spotrebúvajú elektrickú energiu zo siete a vydávajú mechanickú energiu.

Ak však z nejakého dôvodu napr. atď. c) E sa stane väčším ako vonkajšie napätie U, potom prúd I vo vinutí kotvy zmení svoj smer (obr. 2, b) a zhoduje sa s e. atď. v. D. V tomto prípade sa zmení aj smer elektromagnetického momentu M, ktorý bude smerovať proti frekvencii otáčania n... Koincidencia v smere d. atď. s E a prúdom I znamená, že stroj začal dodávať elektrickú energiu do siete a objavenie sa brzdiaceho elektromagnetického momentu M naznačuje, že musí spotrebovať mechanickú energiu zvonku.

Preto, keď napr. sE indukované vo vodičoch vinutia kotvy je väčšie ako sieťové napätie U, stroj sa prepne z režimu prevádzky motora do režimu generátora, to znamená, keď E < U stroj pracuje ako motor, s E> U — ako generátor.

Prechod elektrického stroja z režimu motora do režimu generátora sa môže uskutočniť rôznymi spôsobmi: znížením napätia U zdroja, ku ktorému je pripojené vinutie kotvy, alebo zvýšením napr. atď. s E vo vinutí kotvy.