Procesi pretvorbe energije u električnim strojevima

Električni strojevi se prema namjeni dijele na dvije glavne vrste: električni generatori i elektromotori... Generatori su namijenjeni za proizvodnju električne energije, a elektromotori su namijenjeni za pogon parova kotača lokomotiva, okretanje osovina ventilatora, kompresora itd.

U električnim strojevima odvija se proces pretvorbe energije. Generatori pretvaraju mehaničku energiju u električnu. To znači da za rad generatora morate okretati njegovu osovinu s nekom vrstom motora. Na dizelskoj lokomotivi, primjerice, generator pokreće dizelski motor, na termoelektrani parna turbina, hidroelektrane — vodena turbina.

S druge strane, elektromotori pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Dakle, da bi motor radio, mora biti žicama spojen na izvor električne energije, ili, kako se to kaže, uključen u električnu mrežu.

Načelo rada bilo kojeg električnog stroja temelji se na korištenju fenomena elektromagnetske indukcije i pojave elektromagnetskih sila tijekom interakcije žica sa strujom i magnetskim poljem. Ove pojave izvodi se tijekom rada i generatora i elektromotora. Stoga se često govori o generatorskim i motornim načinima rada električnih strojeva.

U rotirajućim električnim strojevima dva su glavna dijela uključena u proces pretvorbe energije: armatura i induktor s vlastitim namotima koji se međusobno pomiču. Induktor stvara magnetsko polje u automobilu. U namotu armature izazvan e. s… i javlja se električna struja. Kada struja u namotu armature djeluje s magnetskim poljem, stvaraju se elektromagnetske sile, pomoću kojih se ostvaruje proces pretvorbe energije u stroju.

Za izvođenje procesa pretvorbe energije u električnom stroju

Sljedeće odredbe proizlaze iz temeljnih teorema električne energije Poincaréa i Barhausena:

1) izravna recipročna transformacija mehaničke i električne energije moguća je samo ako je električna energija energija izmjenične električne struje;

2) za provedbu procesa takve pretvorbe energije potrebno je da sustav električnih krugova namijenjen za tu svrhu ima ili promjenjivi električni induktivitet ili promjenjivi električni kapacitet,

3) da bi se energija izmjenične električne struje pretvorila u energiju istosmjerne električne struje potrebno je da za to predviđeni sustav električnih krugova ima promjenjiv električni otpor.

Iz prvog stava proizlazi da se mehanička energija u električnom stroju može pretvoriti samo u energiju izmjenične električne struje ili obrnuto.

Prividna kontradikcija ove tvrdnje s činjenicom postojanja istosmjernih električnih strojeva razriješena je činjenicom da u «istosmjernom stroju» imamo dvostupanjsku pretvorbu energije.

Dakle, u slučaju generatora električnog stroja istosmjerne struje, imamo stroj u kojem se mehanička energija pretvara u energiju izmjenične struje, a potonja se, zbog prisutnosti posebnog uređaja koji predstavlja "promjenjivi električni otpor", pretvara u energiju od istosmjerne struje.

U slučaju električnog stroja proces očito ide u suprotnom smjeru: energija istosmjerne električne struje koja se dovodi električnom stroju pretvara se pomoću navedenog promjenjivog otpora u energiju izmjenične električne struje, a potonja u mehaničku energiju.

Ulogu navedenog promjenjivog električnog otpora igra "klizni električni kontakt", koji se kod konvencionalnog "istosmjernog kolektorskog stroja" sastoji od "četke električnog stroja" i "kolektora električnog stroja", a kod kliznih prstenova ".

Budući da je za stvaranje procesa pretvorbe energije u električnom stroju potrebno imati ili "promjenjivi električni induktivitet" ili "promjenjivi električni kapacitet" u njemu, električni stroj može biti napravljen ili na principu elektromagnetske indukcije ili na princip električne indukcije. U prvom slučaju dobivamo "induktivni stroj", u drugom - "kapacitivni stroj".

Kapacitivni strojevi još uvijek nemaju praktičnu važnost.Primjenjeni u industriji, prometu i svakodnevnom životu, električni strojevi su induktivni strojevi iza kojih se u praksi udomaćio skraćeni naziv "električni stroj", što je u biti širi pojam.

Princip rada električnog generatora.

Najjednostavniji električni generator je petlja koja se okreće u magnetskom polju (slika 1, a). U ovom generatoru, zavoj 1 je namot armature. Induktor su trajni magneti 2, između kojih se rotira armatura 3.

Riža. 1. Shematski dijagrami najjednostavnijeg generatora (a) i elektromotora (b)

Kada se zavojnica okreće određenom frekvencijom vrtnje n, njegove strane (vodiči) sijeku silnice magnetskog polja toka F i u svakom vodiču se inducira e. itd. s. d. S usvojenim na si. 1 i smjer rotacije armature e. itd. c. u vodiču koji se nalazi ispod južnog pola, prema pravilu desne ruke, usmjeren je od nas, i e. itd. v. u žici koja se nalazi ispod sjevernog pola – prema nama.

Ako na namot armature spojite prijemnik električne energije 4, tada će kroz zatvoreni strujni krug teći električna struja I. U žicama namota armature struja I će biti usmjerena na isti način kao e. itd. s. d.

Shvatimo zašto je za rotaciju armature u magnetskom polju potrebno potrošiti mehaničku energiju dobivenu iz dizelskog motora ili turbine (primarni motor). Kada struja i teče kroz žice koje se nalaze u magnetskom polju, elektromagnetska sila F djeluje na svaku žicu.

S naznačenim na sl. 1, i smjera struje prema pravilu lijeve ruke, sila F usmjerena ulijevo djelovat će na vodič koji se nalazi ispod Južnog pola, a sila F usmjerena udesno djelovat će na vodič koji se nalazi ispod Sjeverni pol.Te sile zajedno stvaraju elektromagnetski moment M. u smjeru kazaljke na satu.

Iz pregleda Sl. 1, ali se vidi da je elektromagnetski moment M, koji se javlja kada generator emitira električnu energiju, usmjeren u suprotnom smjeru od rotacije žica, dakle to je moment kočenja koji nastoji usporiti rotaciju žice. armatura generatora.

Kako bi se spriječilo zaglavljivanje sidra, potrebno je primijeniti vanjski moment Mvn na osovinu armature, suprotan i po veličini jednak trenutku M. Uzimajući u obzir trenje i druge unutarnje gubitke u stroju, vanjski moment mora biti veći od elektromagnetskog momenta M koji stvara struja opterećenja generatora.

Stoga, za nastavak normalnog rada generatora, potrebno ga je opskrbljivati ​​mehaničkom energijom izvana - okretanjem njegove armature sa svakim motorom 5.

U praznom hodu (s otvorenim vanjskim krugom generatora), generator je u stanju mirovanja. U ovom slučaju potrebna je samo količina mehaničke energije iz dizela ili turbine za prevladavanje trenja i kompenzaciju drugih unutarnjih gubitaka energije u generatoru.

S povećanjem opterećenja generatora, odnosno električne snage REL koju on daje, struja I koja prolazi kroz žice namota armature i moment kočenja M. turbine za nastavak normalnog rada.

Dakle, što više električne energije troše, na primjer, elektromotori dizel lokomotive iz generatora dizel lokomotive, to više mehaničke energije uzima od dizel motora koji ga okreće i više goriva mora biti dovedeno u dizel motor .

Iz gore navedenih uvjeta rada električnog generatora proizlazi da je za njega karakteristično:

1. podudaranje u smjeru struje i i e. itd. v. u žicama armaturnog namota. To znači da stroj oslobađa električnu energiju;

2. pojava elektromagnetskog momenta kočenja M usmjerenog protiv rotacije armature. To podrazumijeva potrebu da stroj prima mehaničku energiju izvana.

Princip elektromotora.

U principu, elektromotor je konstruiran na isti način kao i generator. Najjednostavniji električni motor je zavoj 1 (slika 1, b), koji se nalazi na armaturi 3, koji se okreće u magnetskom polju polova 2. Vodiči zavoja tvore namot armature.

Ako spojite zavojnicu na izvor električne energije, na primjer, na električnu mrežu 6, tada će kroz svaku njegovu žicu početi teći električna struja I. Ta struja, u interakciji s magnetskim poljem polova, stvara elektromagnetsko sile F .

S naznačenim na sl. 1b, na smjer struje na vodiču koji se nalazi ispod južnog pola djelovat će sila F usmjerena udesno, a sila F usmjerena ulijevo djelovat će na vodič koji se nalazi ispod sjevernog pola. Kao rezultat zajedničkog djelovanja ovih sila nastaje elektromagnetski moment M usmjeren suprotno od kazaljke na satu, koji pokreće kotvu sa žicom da se okreće određenom frekvencijom n... Spojite li osovinu armature na bilo koji mehanizam ili uređaj 7 ( središnja os dizel lokomotive ili električne lokomotive, alat za rezanje metala i sl.), tada će elektromotor dovesti ovaj uređaj u rotaciju, odnosno dati mu mehaničku energiju.U ovom slučaju, vanjski moment MVN koji stvara ovaj uređaj bit će usmjeren protiv elektromagnetskog momenta M.

Shvatimo zašto se električna energija troši kada se armatura elektromotora koji radi pod opterećenjem okreće. Utvrđeno je da kada se armaturne žice okreću u magnetskom polju, u svakoj žici se inducira e. itd. s, čiji se smjer određuje prema pravilu desne ruke. Stoga, s naznačenim na sl. 1, b smjer vrtnje e. itd. c. e induciran u vodiču koji se nalazi ispod južnog pola bit će usmjeren od nas, i e. itd. s. e induciran u vodiču koji se nalazi ispod sjevernog pola bit će usmjeren prema nama. sl. 1, b vidi se da e. itd. c. Odnosno, inducirani u svakom vodiču usmjereni su protiv struje i, odnosno sprječavaju njegov prolaz kroz vodiče.

Da bi struja nastavila teći kroz armaturne žice u istom smjeru, odnosno da bi elektromotor nastavio normalno raditi i razvijao potreban moment, potrebno je na te žice dovesti vanjski napon U usmjeren na e. itd. c. i veći od općeg e. itd. c. E induciran u svim serijski spojenim žicama armaturnog namota. Stoga je potrebno električnu energiju elektromotora dovoditi iz mreže.

U nedostatku opterećenja (vanjski moment kočenja na osovini motora), elektromotor troši malu količinu električne energije iz vanjskog izvora (mreže) i kroz njega teče mala struja u praznom hodu. Ta se energija koristi za pokrivanje unutarnjih gubitaka snage u stroju.

S povećanjem opterećenja raste i struja koju troši elektromotor te elektromagnetski moment koji razvija. Stoga povećanje mehaničke energije koju elektromotor oslobađa kako raste opterećenje automatski dovodi do povećanja električne energije koju crpi iz izvora.

Iz gore razmotrenih radnih uvjeta elektromotora proizlazi da je za njega karakteristično:

1. podudarnost u smjeru elektromagnetskog momenta M i brzine n. Ovo karakterizira povratak mehaničke energije iz stroja;

2. pojava u žicama armaturnog namota e. itd. usmjeren protiv struje i i vanjskog napona U. To implicira potrebu da stroj prima električnu energiju izvana.

Princip reverzibilnosti električnih strojeva

Razmatrajući princip rada generatora i elektromotora, ustanovili smo da su raspoređeni na isti način i da postoji mnogo toga zajedničkog u osnovi rada ovih strojeva.

Proces pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju u generatoru i električne energije u mehaničku energiju u motoru povezan je s indukcijom EMF-a. itd. str. u žicama armaturnog namota koji se okreću u magnetskom polju i nastanku elektromagnetskih sila kao rezultat međudjelovanja magnetskog polja i žica kroz koje teče struja.

Razlika između generatora i elektromotora je samo u međusobnom smjeru e. d. s, struja, elektromagnetski moment i brzina.

Sumirajući razmatrane procese rada generatora i elektromotora, moguće je uspostaviti princip reverzibilnosti električnih strojeva... Prema ovom principu, svaki električni stroj može raditi kao generator i elektromotor i prelaziti iz generatorskog u motorni način i obrnuto.

Riža. 2. Smjer e. itd. s E, strujom I, frekvencijom rotacije armature n i elektromagnetskim momentom M tijekom rada električnog stroja istosmjerne struje u načinu rada motora (a) i generatora (b).

Da razjasnimo ovu situaciju, razmislite o poslu Električni stroj istosmjerne struje pod različitim uvjetima. Ako je vanjski napon U veći od ukupnog e. itd. v. D. u svim serijski spojenim žicama armaturnog namota, tada će struja I teći u onom naznačenom na si. 2, a smjer i stroj će raditi kao elektromotor, trošeći električnu energiju iz mreže i dajući mehaničku energiju.

Međutim, ako iz nekog razloga e. itd. c. E postaje veći od vanjskog napona U, tada će struja I u namotu armature promijeniti smjer (slika 2, b) i podudarati se s e. itd. v. D. Pri tome će se promijeniti i smjer elektromagnetskog momenta M koji će biti usmjeren protiv frekvencije vrtnje n... Slučajnost u smjeru d. itd. s E i strujom I znači da je stroj počeo davati električnu energiju mreži, a pojava kočionog elektromagnetskog momenta M pokazuje da mora trošiti mehaničku energiju izvana.

Stoga, kada e. itd. sE induciran u žicama armaturnog namota postaje veći od mrežnog napona U, stroj prelazi iz načina rada motora u način rada generatora, to jest, kada je E < U stroj radi kao motor, s E> U — kao generator.

Prijelaz električnog stroja iz motornog u generatorski način može se izvršiti na različite načine: smanjenjem napona U izvora na koji je spojen armaturni namot ili povećanjem e. itd. s E u kotvnom namotu.