Energikonverteringsprosess i elektriske maskiner

Elektriske maskiner er delt etter formål i to hovedtyper: elektriske generatorer og elektriske motorer... Generatorer er designet for å generere elektrisk kraft, og elektriske motorer er designet for å drive hjulpar på lokomotiver, dreie aksler til vifter, kompressorer, etc.

En energikonverteringsprosess foregår i elektriske maskiner. Generatorer konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Dette betyr at for at generatoren skal fungere, må du snu akselen med en slags motor. På et diesellokomotiv, for eksempel, drives en generator i rotasjon av en dieselmotor, på et termisk kraftverk av en dampturbin, av et vannkraftverk - en vannturbin.

Elektriske motorer, derimot, konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. Derfor, for at motoren skal fungere, må den være koblet med ledninger til en kilde til elektrisk energi, eller, som de sier, koblet til det elektriske nettverket.

Prinsippet for drift av enhver elektrisk maskin er basert på bruken av fenomenene elektromagnetisk induksjon og utseendet til elektromagnetiske krefter under samspillet mellom ledninger med en strøm og et magnetfelt. Disse fenomenene utføres under drift av både generatoren og den elektriske motoren. Derfor snakker de ofte om generator- og motordriftsmodusene til elektriske maskiner.

I roterende elektriske maskiner er to hoveddeler involvert i energikonverteringsprosessen: ankeret og induktoren med sine egne viklinger som beveger seg i forhold til hverandre. Induktoren lager et magnetfelt i bilen. I armaturviklingen indusert av e. med… og det oppstår en elektrisk strøm. Når strømmen samvirker i armaturviklingen med et magnetfelt, skapes elektromagnetiske krefter, gjennom hvilke energikonverteringsprosessen i maskinen realiseres.

For utførelse av en energikonverteringsprosess i en elektrisk maskin

Følgende bestemmelser stammer fra de grunnleggende teoremene om elektrisk energi til Poincaré og Barhausen:

1) direkte gjensidig transformasjon av mekanisk og elektrisk energi er bare mulig hvis den elektriske energien er energien til elektrisk vekselstrøm;

2) for gjennomføringen av prosessen med slik energikonvertering er det nødvendig at systemet med elektriske kretser beregnet for dette formålet har enten en skiftende elektrisk induktans eller en skiftende elektrisk kapasitet,

3) for å konvertere energien til en elektrisk vekselstrøm til energien til en likestrøm, er det nødvendig at systemet med elektriske kretser designet for dette formålet har en skiftende elektrisk motstand.

Fra den første posisjonen følger det at mekanisk energi kan omdannes i en elektrisk maskin kun til vekselstrømsenergi eller omvendt.

Den tilsynelatende motsetningen av denne påstanden med det faktum at det finnes elektriske likestrømsmaskiner, løses ved at vi i en «likestrømsmaskin» har en to-trinns konvertering av energi.

Så, når det gjelder en elektrisk maskingenerator med likestrøm, har vi en maskin der mekanisk energi omdannes til vekselstrømsenergi og sistnevnte, på grunn av tilstedeværelsen av en spesiell enhet som representerer "variabel elektrisk motstand", omdannes til energi fra likestrøm.

Når det gjelder en elektrisk maskin, går prosessen åpenbart i motsatt retning: energien til elektrisk likestrøm som tilføres en elektrisk maskin omdannes ved hjelp av nevnte variable motstand til elektrisk vekselstrømsenergi, og sistnevnte til mekanisk energi.

Rollen til den nevnte skiftende elektriske motstanden spilles av den "glidende elektriske kontakten", som i en konvensjonell "DC-kollektormaskin" består av en "elektrisk maskinbørste" og en "elektrisk maskinsamler", og i sleperinger ".

Siden for å lage en energikonverteringsprosess i en elektrisk maskin, det er nødvendig å ha enten "variabel elektrisk induktans" eller "variabel elektrisk kapasitans" i den, kan en elektrisk maskin lages enten på prinsippet om elektromagnetisk induksjon, eller på prinsippet om elektrisk induksjon. I det første tilfellet får vi en "induktiv maskin", i det andre - en "kapasitiv maskin".

Kapasitansmaskiner har fortsatt ingen praktisk betydning.Brukt i industrien, i transport og i hverdagen er elektriske maskiner induktive maskiner, bak som i praksis det korte navnet "elektrisk maskin" har slått rot, som i hovedsak er et bredere begrep.

Prinsippet for drift av en elektrisk generator.

Den enkleste elektriske generatoren er en sløyfe som roterer i et magnetfelt (fig. 1, a). I denne generatoren er sving 1 ankerviklingen. Induktoren er permanentmagneter 2, mellom hvilke ankeret 3 roterer.

Ris. 1. Skjematiske diagrammer av den enkleste generatoren (a) og elektrisk motor (b)

Når spolen roterer med en viss rotasjonsfrekvens n, krysser dens sider (ledere) magnetfeltlinjene til fluksen Ф og e induseres i hver leder. etc. s. d. Med det vedtatte i fig. 1 og rotasjonsretningen til ankeret e. etc. c. i lederen som ligger under sydpolen, ifølge høyreregelen, er rettet bort fra oss, og f.eks. etc. v. i en ledning som ligger under Nordpolen - mot oss.

Hvis du kobler en mottaker av elektrisk energi 4 til armaturviklingen, så vil en elektrisk strøm I flyte gjennom en lukket krets I ledningene til armaturviklingen vil strømmen I bli rettet på samme måte som f.eks. etc. s. d.

La oss forstå hvorfor, for å rotere ankeret i et magnetisk felt, er det nødvendig å bruke mekanisk energi hentet fra en dieselmotor eller en turbin (primærmotor). Når strømmen i flyter gjennom ledninger plassert i et magnetfelt, virker en elektromagnetisk kraft F på hver ledning.

Med det som er angitt i fig. 1, og strømmens retning i henhold til venstreregelen, vil kraften F rettet mot venstre virke på lederen som befinner seg under Sydpolen, og kraften F rettet mot høyre vil virke på lederen plassert under Nordpolen.Disse kreftene skaper sammen et elektromagnetisk moment M. i retning med klokken.

Fra en undersøkelse av fig. 1, men det kan sees at det elektromagnetiske momentet M, som oppstår når generatoren sender ut elektrisk energi, er rettet i motsatt retning av ledningenes rotasjon, derfor er det et bremsemoment som har en tendens til å bremse rotasjonen av ledningene. generator armatur.

For å forhindre at ankeret stanser, er det nødvendig å påføre et eksternt dreiemoment Mvn på ankerakselen, motsatt og lik momentet M. Tatt i betraktning friksjon og andre indre tap i maskinen, må det ytre dreiemomentet være større enn det elektromagnetiske momentet M som skapes av generatorlaststrømmen.

Derfor, for å fortsette normal drift av generatoren, er det nødvendig å forsyne den med mekanisk energi fra utsiden - for å snu ankeret med hver motor 5.

Ved tomgang (med den eksterne generatorkretsen åpen) er generatoren i tomgangsmodus I dette tilfellet kreves det kun mengden mekanisk energi fra diesel eller turbin for å overvinne friksjon og kompensere for andre interne energitap i generatoren.

Med en økning i belastningen på generatoren, det vil si den elektriske kraften REL gitt av den, strømmen I som går gjennom ledningene til armaturviklingen og bremsemomentet M. turbiner for å fortsette normal drift.

Jo mer elektrisk energi som for eksempel forbrukes av de elektriske motorene til et diesellokomotiv fra en diesellokomotivgenerator, jo mer mekanisk energi tar det fra dieselmotoren som snur den, og jo mer drivstoff må tilføres dieselmotoren .

Fra driftsforholdene til den elektriske generatoren, vurdert ovenfor, følger det at den er karakteristisk for den:

1. samsvar i retning av strøm i og e. etc. v. i ledningene til armaturviklingen. Dette indikerer at maskinen frigjør elektrisk energi;

2. utseendet til et elektromagnetisk bremsemoment M rettet mot ankerets rotasjon. Dette innebærer behovet for en maskin for å motta mekanisk energi fra utsiden.

Prinsippet til den elektriske motoren.

I prinsippet er den elektriske motoren utformet på samme måte som generatoren. Den enkleste elektriske motoren er en sving 1 (fig. 1, b), plassert på ankeret 3, som roterer i magnetfeltet til polene 2. Lederne til svingen danner en ankervikling.

Hvis du kobler spolen til en elektrisk energikilde, for eksempel til et elektrisk nettverk 6, vil en elektrisk strøm I begynne å flyte gjennom hver av dens ledninger. Denne strømmen, som samhandler med magnetfeltet til polene, skaper elektromagnetisk tvinger F.

Med det som er angitt i fig. 1b vil retningen til strømmen på lederen som befinner seg under sydpolen bli påvirket av kraften F rettet mot høyre, og kraften F rettet mot venstre vil virke på lederen plassert under nordpolen. Som et resultat av den kombinerte virkningen av disse kreftene skapes et elektromagnetisk dreiemoment M rettet mot klokken, som driver ankeret med ledningen til å rotere med en viss frekvens n... Hvis du kobler ankerakselen til en hvilken som helst mekanisme eller enhet 7 ( senteraksen til et diesellokomotiv eller elektrisk lokomotiv, metallskjæreverktøy, etc.), vil den elektriske motoren sette denne enheten i rotasjon, det vil si gi den mekanisk energi.I dette tilfellet vil det eksterne øyeblikket MVN opprettet av denne enheten være rettet mot det elektromagnetiske øyeblikket M.

La oss forstå hvorfor elektrisk energi forbrukes når ankeret til en elektrisk motor som opererer under belastning roterer. Det ble funnet at når armaturtrådene roterer i et magnetfelt, induseres e i hver ledning. etc. med, hvis retning bestemmes etter høyreregelen. Derfor, med det som er angitt i fig. 1, b rotasjonsretning for e. etc. c. e indusert i lederen plassert under sørpolen vil bli rettet bort fra oss, og e. etc. s. e indusert i lederen plassert under nordpolen vil bli rettet mot oss. Fig. 1, b er det sett at e., etc. c. Det vil si at de induserte i hver leder er rettet mot strømmen i, det vil si at de hindrer dens passasje gjennom lederne.

For at strømmen skal fortsette å flyte gjennom ankertrådene i samme retning, det vil si slik at den elektriske motoren fortsetter å fungere normalt og utvikle det nødvendige dreiemomentet, er det nødvendig å påføre en ekstern spenning U på disse ledningene rettet mot e. etc. c. og større enn den generelle e. etc. c. E indusert i alle seriekoblede ledninger til armaturviklingen. Derfor er det nødvendig å levere elektrisk energi til den elektriske motoren fra nettverket.

I fravær av belastning (eksternt bremsemoment påført motorakselen), forbruker den elektriske motoren en liten mengde elektrisk energi fra en ekstern kilde (nett) og en liten strøm flyter gjennom den ved tomgang. Denne energien brukes til å dekke de interne krafttapene i maskinen.

Når belastningen øker, øker også strømmen som forbrukes av den elektriske motoren og det elektromagnetiske dreiemomentet den utvikler. En økning i den mekaniske energien som frigjøres av den elektriske motoren når belastningen øker, fører derfor automatisk til en økning i elektrisiteten den trekker fra kilden.

Fra driftsforholdene til den elektriske motoren diskutert ovenfor, følger det at den er karakteristisk for den:

1. sammenfall i retning av det elektromagnetiske momentet M og hastighet n. Dette karakteriserer retur av mekanisk energi fra maskinen;

2. utseendet i ledningene til armaturviklingen e. etc. rettet mot strømmen i og den eksterne spenningen U. Dette innebærer at maskinen må motta elektrisk energi fra utsiden.

Prinsippet om reversibilitet av elektriske maskiner

Med tanke på prinsippet om drift av en generator og en elektrisk motor, fant vi at de er ordnet på samme måte og at det er mye til felles i grunnlaget for driften av disse maskinene.

Prosessen med å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi i generatoren og elektrisk energi til mekanisk energi i motoren er relatert til induksjon av EMF. etc. s. i ledningene til armaturviklingen som roterer i et magnetfelt og fremveksten av elektromagnetiske krefter som følge av samspillet mellom magnetfeltet og de strømførende ledningene.

Forskjellen mellom en generator og en elektrisk motor er bare i gjensidig retning av f.eks. d. med, strøm, elektromagnetisk dreiemoment og hastighet.

Ved å oppsummere de betraktede generator- og elektriske motordriftsprosessene, er det mulig å etablere et prinsipp for reversibilitet for elektriske maskiner... I henhold til dette prinsippet kan enhver elektrisk maskin fungere som en generator og en elektrisk motor og bytte fra generatormodus til motormodus og vice versa.

Ris. 2. Retning av e., etc. med E, strøm I, ankerrotasjonsfrekvens n og elektromagnetisk moment M under drift av en likestrøms elektrisk maskin i motor (a) og generator (b) modus

For å avklare denne situasjonen, vurder arbeid Likestrøm elektrisk maskin under forskjellige forhold. Hvis den eksterne spenningen U er større enn den totale e. etc. v. D. i alle de seriekoblede ledningene til armaturviklingen, vil strømmen I flyte inn som angitt i fig. 2, og retningen og maskinen vil fungere som en elektrisk motor, som forbruker elektrisk energi fra nettverket og gir ut mekanisk energi.

Imidlertid, hvis av en eller annen grunn e. etc. c. E blir større enn den eksterne spenningen U, da vil strømmen I i armaturviklingen endre retning (fig. 2, b) og falle sammen med e. etc. v. D. I dette tilfellet vil også retningen til det elektromagnetiske momentet M endres, som vil være rettet mot rotasjonsfrekvensen n... Sammenfall i retning d., osv. med E og strøm I betyr at maskinen har begynt å gi elektrisk energi til nettverket, og utseendet til et bremsende elektromagnetisk moment M indikerer at den må forbruke mekanisk energi fra utsiden.

Derfor, når e. etc. medE indusert i ledningene til armaturviklingen blir større enn nettspenningen U, maskinen bytter fra motordriftsmodus til generatormodus, det vil si når E < U fungerer maskinen som en motor, med E> U — som en generator.

Overføringen av en elektrisk maskin fra motormodus til generatormodus kan gjøres på forskjellige måter: ved å redusere spenningen U til kilden som ankerviklingen er koblet til, eller ved å øke f.eks. etc. med E i armaturviklingen.