Proces konwersji energii w maszynach elektrycznych

Maszyny elektryczne są podzielone ze względu na przeznaczenie na dwa główne typy: generatory elektryczne i silniki elektryczne... Generatory są przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej, a silniki elektryczne są przeznaczone do napędzania par kół lokomotyw, obracania wałów wentylatorów, sprężarek itp.

W maszynach elektrycznych zachodzi proces konwersji energii. Generatory przetwarzają energię mechaniczną na energię elektryczną. Oznacza to, że aby generator działał, musisz obrócić jego wał za pomocą jakiegoś silnika. Na przykład w lokomotywie spalinowej generator jest napędzany przez silnik wysokoprężny, w elektrociepłowni przez turbinę parową, elektrowni wodnej — turbina wodna.

Z drugiej strony silniki elektryczne przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. Dlatego, aby silnik działał, musi być podłączony przewodami do źródła energii elektrycznej lub, jak mówią, podłączony do sieci elektrycznej.

Zasada działania dowolnej maszyny elektrycznej opiera się na wykorzystaniu zjawisk indukcji elektromagnetycznej i pojawianiu się sił elektromagnetycznych podczas interakcji drutów z prądem i polem magnetycznym. Te zjawiska odbywa się podczas pracy zarówno generatora, jak i silnika elektrycznego. Dlatego często mówią o trybach pracy generatora i silnika maszyn elektrycznych.

W obracających się maszynach elektrycznych w procesie konwersji energii biorą udział dwie główne części: twornik i cewka indukcyjna z własnymi uzwojeniami, które poruszają się względem siebie. Cewka indukcyjna wytwarza pole magnetyczne w samochodzie. W uzwojeniu twornika indukowane przez e. z… i pojawia się prąd elektryczny. Gdy prąd w uzwojeniu twornika oddziałuje z polem magnetycznym, powstają siły elektromagnetyczne, dzięki którym realizowany jest proces przemiany energii w maszynie.

Do przeprowadzenia procesu konwersji energii w maszynie elektrycznej

Następujące postanowienia wywodzą się z podstawowych twierdzeń dotyczących energii elektrycznej Poincarégo i Barhausena:

1) bezpośrednia wzajemna przemiana energii mechanicznej i elektrycznej jest możliwa tylko wtedy, gdy energia elektryczna jest energią przemiennego prądu elektrycznego;

2) dla realizacji procesu takiej przemiany energii konieczne jest, aby przeznaczony do tego celu układ obwodów elektrycznych miał albo zmienną indukcyjność elektryczną, albo zmienną pojemność elektryczną,

3) w celu zamiany energii prądu przemiennego na energię prądu stałego konieczne jest, aby zaprojektowany w tym celu układ obwodów elektrycznych miał zmienną rezystancję elektryczną.

Z pierwszego stanowiska wynika, że ​​w maszynie elektrycznej energię mechaniczną można zamienić tylko na energię prądu przemiennego lub odwrotnie.

Pozorna sprzeczność tego stwierdzenia z faktem istnienia maszyn elektrycznych prądu stałego rozwiązuje fakt, że w „maszynie prądu stałego” mamy do czynienia z dwustopniową przemianą energii.

Tak więc w przypadku prądnicy maszyny elektrycznej prądu stałego mamy do czynienia z maszyną, w której energia mechaniczna jest zamieniana na energię prądu przemiennego, a ta ostatnia dzięki obecności specjalnego urządzenia reprezentującego „zmienną rezystancję elektryczną” jest zamieniana na energię od prądu stałego.

W przypadku maszyny elektrycznej proces przebiega oczywiście w odwrotnym kierunku: energia prądu stałego dostarczanego do maszyny elektrycznej jest zamieniana za pomocą wspomnianej zmiennej rezystancji na energię prądu przemiennego, a ta na energię mechaniczną.

Rolę wspomnianej zmieniającej się rezystancji elektrycznej spełnia „przesuwny styk elektryczny”, który w konwencjonalnej „maszynie z kolektorem prądu stałego” składa się ze „szczotki maszyny elektrycznej” i „kolektora maszyny elektrycznej” oraz w pierścieniach ślizgowych.

Ponieważ aby wytworzyć proces konwersji energii w maszynie elektrycznej, konieczne jest posiadanie w niej albo "zmiennej indukcyjności elektrycznej" albo "zmiennej pojemności elektrycznej", maszyna elektryczna może być wykonana albo na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, albo na zasada indukcji elektrycznej. W pierwszym przypadku otrzymujemy „maszynę indukcyjną”, w drugim „maszynę pojemnościową”.

Maszyny pojemnościowe nadal nie mają praktycznego znaczenia.Stosowane w przemyśle, transporcie i życiu codziennym maszyny elektryczne są maszynami indukcyjnymi, za którymi w praktyce zakorzeniła się skrócona nazwa „maszyna elektryczna”, która jest zasadniczo szerszym pojęciem.

Zasada działania generatora elektrycznego.

Najprostszym generatorem elektrycznym jest pętla obracająca się w polu magnetycznym (ryc. 1, a). W tym generatorze obrót 1 to uzwojenie twornika. Cewka indukcyjna to magnesy trwałe 2, między którymi obraca się zwora 3.

Ryż. 1. Schematy ideowe najprostszego generatora (a) i silnika elektrycznego (b)

Kiedy cewka obraca się z określoną częstotliwością obrotową n, jej boki (przewody) przecinają linie pola magnetycznego strumienia Ф i e jest indukowane w każdym przewodniku. itp. s. d. Z przyjętym na ryc. 1 i kierunek obrotu twornika e. itp. c. w przewodniku znajdującym się pod biegunem południowym, zgodnie z regułą prawej ręki, jest skierowany od nas, oraz e. itp. v. w drucie znajdującym się pod biegunem północnym - w naszą stronę.

Jeśli podłączysz odbiornik energii elektrycznej 4 do uzwojenia twornika, wówczas prąd elektryczny I popłynie przez obwód zamknięty.W przewodach uzwojenia twornika prąd I będzie skierowany w taki sam sposób jak e. itp. s.d.

Rozumiemy, dlaczego aby obrócić zworę w polu magnetycznym, konieczne jest zużycie energii mechanicznej uzyskanej z silnika wysokoprężnego lub turbiny (silnik główny). Gdy prąd i płynie przez przewody znajdujące się w polu magnetycznym, na każdy z nich działa siła elektromagnetyczna F.

Ze wskazanym na ryc. 1, a kierunek prądu zgodnie z regułą lewej ręki, siła F skierowana w lewo będzie działać na przewodnik znajdujący się pod biegunem południowym, a siła F skierowana w prawo będzie działać na przewodnik znajdujący się pod biegunem południowym Biegun północny.Siły te razem tworzą moment elektromagnetyczny M. w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Z badania FIG. 1, ale widać, że moment elektromagnetyczny M, który występuje, gdy generator emituje energię elektryczną, jest skierowany w kierunku przeciwnym do obrotu przewodów, a więc jest to moment hamujący, który ma tendencję do spowalniania obrotów twornik generatora.

Aby zapobiec utknięciu kotwicy, konieczne jest przyłożenie zewnętrznego momentu obrotowego Mvn do wału twornika, przeciwnego i równego co do momentu M. Biorąc pod uwagę tarcie i inne straty wewnętrzne w maszynie, moment zewnętrzny musi być większy niż moment elektromagnetyczny M wytwarzany przez prąd obciążenia generatora.

Dlatego, aby kontynuować normalną pracę generatora, konieczne jest zasilanie go energią mechaniczną z zewnątrz - aby obracać jego twornik z każdym silnikiem 5.

Bez obciążenia (z otwartym obwodem zewnętrznego generatora) generator jest w trybie jałowym.W tym przypadku do pokonania tarcia i skompensowania innych wewnętrznych strat energii w generatorze wymagana jest tylko ilość energii mechanicznej z silnika wysokoprężnego lub turbiny.

Wraz ze wzrostem obciążenia generatora, to znaczy podanej przez niego mocy elektrycznej REL, prądu I przechodzącego przez przewody uzwojenia twornika i momentu hamowania M. turbiny kontynuują normalną pracę.

Zatem im więcej energii elektrycznej zużywają na przykład silniki elektryczne lokomotywy spalinowej z generatora lokomotywy spalinowej, tym więcej energii mechanicznej pobiera obracający ją silnik spalinowy i tym więcej paliwa musi być dostarczane do silnika spalinowego .

Z rozważanych powyżej warunków pracy generatora elektrycznego wynika, że ​​\u200b\u200bjest on dla niego charakterystyczny:

1. dopasowanie w kierunku prądu i oraz e. itp. v. w przewodach uzwojenia twornika. Oznacza to, że maszyna wydziela energię elektryczną;

2. pojawienie się elektromagnetycznego momentu hamującego M skierowanego przeciwko obrotowi twornika. Oznacza to konieczność odbierania przez maszynę energii mechanicznej z zewnątrz.

Zasada działania silnika elektrycznego.

Zasadniczo silnik elektryczny jest zaprojektowany w taki sam sposób jak generator. Najprostszym silnikiem elektrycznym jest zwój 1 (ryc. 1, b), umieszczony na tworniku 3, który obraca się w polu magnetycznym biegunów 2. Przewody zwoju tworzą uzwojenie twornika.

Jeśli podłączysz cewkę do źródła energii elektrycznej, na przykład do sieci elektrycznej 6, wówczas przez każdy z jej przewodów zacznie płynąć prąd elektryczny I. Prąd ten, oddziałując z polem magnetycznym biegunów, wytwarza pole elektromagnetyczne siły F.

Ze wskazanym na ryc. 1b, na kierunek prądu w przewodniku znajdującym się pod biegunem południowym będzie miała wpływ siła F skierowana w prawo, a siła F skierowana w lewo będzie działać na przewodnik znajdujący się pod biegunem północnym. W wyniku połączonego działania tych sił powstaje moment elektromagnetyczny M skierowany przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, który napędza zworę z drutem do obracania się z określoną częstotliwość n... Jeśli podłączysz wał twornika do dowolnego mechanizmu lub urządzenia 7 ( oś środkowa lokomotywy spalinowej lub lokomotywy elektrycznej, narzędzie do cięcia metalu itp.), wówczas silnik elektryczny wprawi to urządzenie w ruch obrotowy, czyli doda mu energii mechanicznej.W tym przypadku moment zewnętrzny MVN wytworzony przez to urządzenie będzie skierowany przeciwko momentowi elektromagnetycznemu M.

Rozumiemy, dlaczego energia elektryczna jest zużywana, gdy obraca się zwora silnika elektrycznego pracującego pod obciążeniem. Stwierdzono, że gdy druty twornika obracają się w polu magnetycznym, w każdym przewodzie indukowana jest e. itp. z, którego kierunek jest określony zgodnie z regułą prawej ręki. Dlatego ze wskazanym na ryc. 1, b kierunek obrotów e. itp. c. e indukowane w przewodniku znajdującym się pod biegunem południowym będzie skierowane od nas, a e. itp. s. e indukowane w przewodniku znajdującym się pod biegunem północnym będzie skierowane w naszą stronę. Figa. 1, b widać, że e. itd. c. Oznacza to, że indukowane w każdym przewodniku są skierowane przeciwko prądowi i, to znaczy uniemożliwiają jego przejście przez przewodniki.

Aby prąd nadal płynął przez przewody twornika w tym samym kierunku, to znaczy, aby silnik elektryczny nadal działał normalnie i rozwijał niezbędny moment obrotowy, konieczne jest przyłożenie napięcia zewnętrznego U do tych przewodów skierowanych do mi. itp. c. i większe niż ogólne e. itp. c. E indukowane we wszystkich połączonych szeregowo przewodach uzwojenia twornika. Dlatego konieczne jest dostarczanie energii elektrycznej do silnika elektrycznego z sieci.

W przypadku braku obciążenia (zewnętrzny moment hamowania przyłożony do wału silnika) silnik elektryczny pobiera niewielką ilość energii elektrycznej z zewnętrznego źródła (sieci) i przepływa przez niego niewielki prąd na biegu jałowym. Energia ta jest wykorzystywana do pokrycia wewnętrznych strat mocy w maszynie.

Wraz ze wzrostem obciążenia rośnie prąd pobierany przez silnik elektryczny i wytwarzany przez niego moment elektromagnetyczny. Dlatego wzrost energii mechanicznej uwalnianej przez silnik elektryczny wraz ze wzrostem obciążenia automatycznie prowadzi do wzrostu energii elektrycznej pobieranej ze źródła.

Z omówionych powyżej warunków pracy silnika elektrycznego wynika, że ​​jest on dla niego charakterystyczny:

1. zbieżność w kierunku momentu elektromagnetycznego M i prędkości n. Charakteryzuje zwrot energii mechanicznej z maszyny;

2. wygląd drutów uzwojenia twornika e. itp. skierowane pod prąd i i napięcie zewnętrzne U. Oznacza to konieczność odbierania przez maszynę energii elektrycznej z zewnątrz.

Zasada odwracalności maszyn elektrycznych

Rozważając zasadę działania generatora i silnika elektrycznego, stwierdziliśmy, że są one rozmieszczone w ten sam sposób i że istnieje wiele wspólnych podstaw działania tych maszyn.

Proces zamiany energii mechanicznej na energię elektryczną w generatorze i energii elektrycznej na energię mechaniczną w silniku jest związany z indukcją pola elektromagnetycznego. itp. pp. w drutach uzwojenia twornika obracających się w polu magnetycznym i powstawaniu sił elektromagnetycznych w wyniku interakcji pola magnetycznego i drutów przewodzących prąd.

Różnica między generatorem a silnikiem elektrycznym polega tylko na wzajemnym kierunku e. d. z prądem, momentem elektromagnetycznym i prędkością.

Podsumowując rozważane procesy pracy generatora i silnika elektrycznego, można ustalić zasadę odwracalności maszyn elektrycznych... Zgodnie z tą zasadą każda maszyna elektryczna może pracować jako generator i silnik elektryczny oraz przełączać się z trybu generatora na tryb silnika i wzajemnie.

Ryż. 2. Kierunek e. itp. gdzie E, prąd I, częstotliwość wirowania twornika n i moment elektromagnetyczny M podczas pracy maszyny elektrycznej prądu stałego w trybie silnika (a) i prądnicy (b)

Aby wyjaśnić tę sytuację, rozważ pracę Maszyna elektryczna prądu stałego w różnych warunkach. Jeśli zewnętrzne napięcie U jest większe niż całkowite e. itp. v. D. we wszystkich połączonych szeregowo przewodach uzwojenia twornika, wtedy prąd Ja przepłynę w tym wskazanym na ryc. 2, a kierunek i maszyna będą pracować jak silnik elektryczny, pobierając energię elektryczną z sieci i oddając energię mechaniczną.

Jeśli jednak z jakiegoś powodu np. itp. c. E staje się większy niż napięcie zewnętrzne U, wtedy prąd I w uzwojeniu twornika zmieni swój kierunek (ryc. 2, b) i zbiegnie się z e. itp. v. D. W tym przypadku zmieni się również kierunek momentu elektromagnetycznego M, który będzie skierowany przeciwnie do częstotliwości obrotu n... Zbieżność w kierunku d. itd. gdzie E i prąd I oznaczają, że maszyna zaczęła oddawać energię elektryczną do sieci, a pojawienie się hamującego momentu elektromagnetycznego M wskazuje, że musi ona pobierać energię mechaniczną z zewnątrz.

Dlatego, kiedy e. itp. zE indukowane w przewodach uzwojenia twornika staje się większe od napięcia sieciowego U, maszyna przechodzi z trybu pracy silnikowej do pracy generatorowej, czyli gdy E < U maszyna pracuje jako silnik, przy E> U — jak generator.

Przejście maszyny elektrycznej z trybu silnika do trybu generatora można wykonać na różne sposoby: zmniejszając napięcie U źródła, do którego podłączone jest uzwojenie twornika, lub zwiększając e. itp. z E w uzwojeniu twornika.