Energikonverteringsproces i elektriske maskiner

Elektriske maskiner er opdelt efter formål i to hovedtyper: elektriske generatorer og elektriske motorer... Generatorer er designet til at generere elektrisk strøm, og elektriske motorer er designet til at drive par af hjul på lokomotiver, dreje aksler af ventilatorer, kompressorer osv.

En energiomdannelsesproces finder sted i elektriske maskiner. Generatorer omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Det betyder, at for at generatoren skal fungere, skal du dreje dens aksel med en slags motor. På et diesellokomotiv, for eksempel, drives en generator i rotation af en dieselmotor, på et termisk kraftværk af en dampturbine, af et vandkraftværk - en vandturbine.

Elektriske motorer omdanner på den anden side elektrisk energi til mekanisk energi. Derfor, for at motoren skal fungere, skal den være forbundet med ledninger til en kilde til elektrisk energi eller, som de siger, tilsluttet det elektriske netværk.

Princippet for drift af enhver elektrisk maskine er baseret på brugen af ​​fænomenerne elektromagnetisk induktion og udseendet af elektromagnetiske kræfter under interaktionen af ​​ledninger med en strøm og et magnetfelt. Disse fænomener udføres under drift af både generatoren og elmotoren. Derfor taler de ofte om generator- og motordriftsmåderne for elektriske maskiner.

I roterende elektriske maskiner er to hoveddele involveret i energiomdannelsesprocessen: ankeret og induktoren med sine egne viklinger, der bevæger sig i forhold til hinanden. Induktoren skaber et magnetfelt i bilen. I armaturviklingen fremkaldt af e. med… og der opstår en elektrisk strøm. Når strømmen interagerer i armaturviklingen med et magnetfelt, skabes elektromagnetiske kræfter, hvorigennem energiomdannelsesprocessen i maskinen realiseres.

Til udførelse af en energiomdannelsesproces i en elektrisk maskine

Følgende bestemmelser stammer fra Poincarés og Barhausens grundlæggende sætninger om elektrisk energi:

1) direkte gensidig transformation af mekanisk og elektrisk energi er kun mulig, hvis den elektriske energi er energien fra vekselstrøm;

2) til implementering af processen med en sådan energiomdannelse er det nødvendigt, at systemet af elektriske kredsløb, der er beregnet til dette formål, har enten en skiftende elektrisk induktans eller en skiftende elektrisk kapacitet,

3) for at omdanne energien af ​​en elektrisk vekselstrøm til energien af ​​en jævnstrøm, er det nødvendigt, at systemet af elektriske kredsløb designet til dette formål har en skiftende elektrisk modstand.

Fra den første position følger det, at mekanisk energi i en elektrisk maskine kun kan omdannes til elektrisk vekselstrømsenergi eller omvendt.

Den tilsyneladende modsigelse af denne erklæring med det faktum, at der findes elektriske jævnstrømsmaskiner, løses ved, at vi i en «jævnstrømsmaskine» har en to-trins omdannelse af energi.

Så i tilfælde af en jævnstrøms elektrisk maskingenerator har vi en maskine, hvor mekanisk energi omdannes til vekselstrømsenergi, og sidstnævnte, på grund af tilstedeværelsen af ​​en speciel enhed, der repræsenterer "variabel elektrisk modstand", omdannes til energi fra jævnstrøm.

I tilfælde af en elektrisk maskine går processen naturligvis i den modsatte retning: energien af ​​jævnstrøm, der tilføres en elektrisk maskine, omdannes ved hjælp af den variable modstand til elektrisk vekselstrømsenergi, og sidstnævnte til mekanisk energi.

Rollen af ​​den nævnte skiftende elektriske modstand spilles af den "glidende elektriske kontakt", som i en konventionel "DC-kollektormaskine" består af en "elektrisk maskinbørste" og en "elektrisk maskinopsamler" og i slæberinge ".

Da det for at skabe en energiomdannelsesproces i en elektrisk maskine er nødvendigt at have enten "variabel elektrisk induktans" eller "variabel elektrisk kapacitans" i sig, kan en elektrisk maskine fremstilles enten efter princippet om elektromagnetisk induktion, eller på princippet om elektrisk induktion. I det første tilfælde får vi en "induktiv maskine", i det andet - en "kapacitiv maskine".

Kapacitansmaskiner er stadig uden praktisk betydning.Brugt i industrien, i transport og i hverdagen er elektriske maskiner induktive maskiner, bag hvilke i praksis det korte navn "elektrisk maskine" har slået rod, hvilket i bund og grund er et bredere begreb.

Princippet om drift af en elektrisk generator.

Den enkleste elektriske generator er en sløjfe, der roterer i et magnetfelt (fig. 1, a). I denne generator er omgang 1 ankerviklingen. Induktoren er permanente magneter 2, mellem hvilke ankeret 3 roterer.

Ris. 1. Skematiske diagrammer af den enkleste generator (a) og elektrisk motor (b)

Når spolen roterer med en bestemt rotationsfrekvens n, krydser dens sider (ledere) de magnetiske feltlinjer for fluxen Ф, og e induceres i hver leder. etc. s. d. Med det i fig. 1 og ankerets omdrejningsretning e. etc. c. i den under sydpolen anbragte leder ifølge højrereglen er rettet væk fra os, og f.eks. etc. v. i en ledning placeret under Nordpolen - mod os.

Hvis man tilslutter en modtager af elektrisk energi 4 til ankerviklingen, så vil der løbe en elektrisk strøm I gennem et lukket kredsløb I armaturviklingens ledninger vil strømmen I blive rettet på samme måde som f.eks. etc. s. d.

Lad os forstå, hvorfor det, for at rotere ankeret i et magnetfelt, er nødvendigt at bruge mekanisk energi opnået fra en dieselmotor eller en turbine (primær motor). Når strøm i strømmer gennem ledninger placeret i et magnetfelt, virker en elektromagnetisk kraft F på hver ledning.

Med det angivne i fig. 1, og strømmens retning ifølge venstrereglen, vil kraften F rettet mod venstre virke på lederen placeret under Sydpolen, og kraften F rettet mod højre vil virke på lederen placeret under Nordpolen.Disse kræfter skaber tilsammen et elektromagnetisk moment M. i urets retning.

Ud fra en undersøgelse af fig. 1, men det kan ses, at det elektromagnetiske moment M, som opstår, når generatoren udsender elektrisk energi, er rettet i modsat retning af ledningernes rotation, derfor er det et bremsemoment, der har en tendens til at bremse rotationen af generator armatur.

For at forhindre ankeret i at gå i stå, er det nødvendigt at påføre et eksternt drejningsmoment Mvn på ankerakslen, modsat og af samme størrelse som momentet M. Under hensyntagen til friktion og andre interne tab i maskinen skal det eksterne drejningsmoment være større end det elektromagnetiske moment M skabt af generatorens belastningsstrøm.

Derfor, for at fortsætte den normale drift af generatoren, er det nødvendigt at forsyne den med mekanisk energi udefra - for at dreje dens armatur med hver motor 5.

Ved ingen belastning (med det eksterne generatorkredsløb åbent) er generatoren i tomgang.I dette tilfælde kræves kun mængden af ​​mekanisk energi fra diesel eller turbine for at overvinde friktion og kompensere for andre interne energitab i generatoren.

Med en stigning i belastningen på generatoren, det vil sige den elektriske effekt REL givet af den, strømmen I passerer gennem ledningerne af ankerviklingen og bremsemomentet M. turbiner for at fortsætte normal drift.

Jo mere elektrisk energi der f.eks. forbruges af et diesellokomotivs elektriske motorer fra en diesellokomotivgenerator, jo mere mekanisk energi tager det fra dieselmotoren, der drejer den, og jo mere brændstof skal der tilføres dieselmotoren. .

Af driftsbetingelserne for den elektriske generator, betragtet ovenfor, følger det, at den er karakteristisk for den:

1. tilpasning i retning af strøm i og e. etc. v. i ankerviklingens ledninger. Dette indikerer, at maskinen frigiver elektrisk energi;

2. fremkomsten af ​​et elektromagnetisk bremsemoment M rettet mod ankerets rotation. Dette indebærer behovet for, at en maskine modtager mekanisk energi udefra.

Princippet om den elektriske motor.

I princippet er elmotoren designet på samme måde som generatoren. Den enkleste elektriske motor er en drejning 1 (fig. 1, b), placeret på ankeret 3, som roterer i magnetfeltet af poler 2. Lederne af drejningen danner en ankervikling.

Hvis du forbinder spolen til en kilde til elektrisk energi, for eksempel til et elektrisk netværk 6, vil en elektrisk strøm I begynde at strømme gennem hver af dens ledninger. Denne strøm, der interagerer med polernes magnetiske felt, skaber elektromagnetisk kræfter F.

Med det angivne i fig. 1b vil strømmens retning på lederen placeret under sydpolen blive påvirket af kraften F rettet mod højre, og kraften F rettet mod venstre vil virke på lederen placeret under nordpolen. Som et resultat af den kombinerede virkning af disse kræfter skabes et elektromagnetisk drejningsmoment M rettet mod uret, som driver ankeret med ledningen til at rotere med en bestemt frekvens n... Hvis du forbinder ankerakslen til en hvilken som helst mekanisme eller enhed 7 ( centerakse på et diesellokomotiv eller et elektrisk lokomotiv, metalskæreværktøj osv.), så vil elmotoren sætte denne enhed i rotation, det vil sige give den mekanisk energi.I dette tilfælde vil det eksterne moment MVN skabt af denne enhed være rettet mod det elektromagnetiske moment M.

Lad os forstå, hvorfor elektrisk energi forbruges, når ankeret på en elektrisk motor, der kører under belastning, roterer. Det blev fundet, at når ankertrådene roterer i et magnetfelt, induceres e i hver ledning. etc. med, hvis retning bestemmes efter højrehåndsreglen. Derfor, med det angivne i fig. 1, b omdrejningsretning af e. etc. c. e induceret i lederen placeret under sydpolen vil blive rettet væk fra os, og e. etc. s. e induceret i lederen placeret under nordpolen vil blive rettet mod os. Fig. 1, b ses det, at e. mv. c. Det vil sige, at de inducerede i hver leder er rettet mod strømmen i, det vil sige, at de forhindrer dens passage gennem lederne.

For at strømmen skal fortsætte med at løbe gennem ankertrådene i samme retning, det vil sige, så elmotoren fortsætter med at arbejde normalt og udvikle det nødvendige drejningsmoment, er det nødvendigt at påføre en ekstern spænding U til disse ledninger rettet mod e. etc. c. og større end den generelle e. etc. c. E induceret i alle de serieforbundne ledninger i ankerviklingen. Derfor er det nødvendigt at levere elektrisk energi til elmotoren fra netværket.

I fravær af belastning (eksternt bremsemoment påført motorakslen) bruger den elektriske motor en lille mængde elektrisk energi fra en ekstern kilde (nettet), og en lille strøm løber gennem den i tomgang. Denne energi bruges til at dække de interne strømtab i maskinen.

Efterhånden som belastningen stiger, stiger den strøm, der forbruges af den elektriske motor, og det elektromagnetiske drejningsmoment, den udvikler. Derfor vil en stigning i den mekaniske energi, der frigives af den elektriske motor, når belastningen stiger, automatisk føre til en stigning i den elektricitet, den trækker fra kilden.

Af driftsbetingelserne for den elektriske motor, der er diskuteret ovenfor, følger det, at den er karakteristisk for den:

1. sammenfald i retningen af ​​det elektromagnetiske moment M og hastighed n. Dette karakteriserer tilbagevenden af ​​mekanisk energi fra maskinen;

2. udseendet i ledningerne af armaturviklingen e. osv. rettet mod strømmen i og den eksterne spænding U. Dette indebærer behovet for, at maskinen modtager elektrisk energi udefra.

Princippet om reversibilitet af elektriske maskiner

I betragtning af princippet om drift af en generator og en elektrisk motor, fandt vi ud af, at de er arrangeret på samme måde, og at der er meget til fælles i grundlaget for driften af ​​disse maskiner.

Processen med at konvertere mekanisk energi til elektrisk energi i generatoren og elektrisk energi til mekanisk energi i motoren er relateret til induktionen af ​​EMF. etc. s. i armaturviklingens ledninger, der roterer i et magnetfelt og fremkomsten af ​​elektromagnetiske kræfter som følge af vekselvirkningen mellem magnetfeltet og de strømførende ledninger.

Forskellen mellem en generator og en elektrisk motor er kun i den gensidige retning af f.eks. d. med strøm, elektromagnetisk moment og hastighed.

Ved at opsummere de overvejede generator- og elmotordriftsprocesser er det muligt at etablere et princip for reversibilitet af elektriske maskiner... Ifølge dette princip kan enhver elektrisk maskine fungere som en generator og en elektrisk motor og skifte fra generatortilstand til motortilstand og omvendt.

Ris. 2. Retning af e. mv. med E, strøm I, ankerrotationsfrekvens n og elektromagnetisk moment M under drift af en jævnstrøms elektrisk maskine i motor (a) og generator (b) tilstande

Overvej arbejde for at afklare denne situation Jævnstrøm elektrisk maskine under forskellige forhold. Hvis den eksterne spænding U er større end den samlede e. etc. v. D. i alle ankerviklingens serieforbundne ledninger, så vil strømmen I flyde i den i fig. 2, og retningen og maskinen vil fungere som en elektrisk motor, der forbruger elektrisk energi fra netværket og afgiver mekanisk energi.

Men hvis af en eller anden grund f. etc. c. E bliver større end den eksterne spænding U, så vil strømmen I i armaturviklingen ændre retning (fig. 2, b) og falde sammen med e. etc. v. D. I dette tilfælde vil retningen af ​​det elektromagnetiske moment M også ændre sig, hvilket vil være rettet mod rotationsfrekvensen n... Sammenfald i retningen d., osv. med E og strøm I betyder, at maskinen er begyndt at give elektrisk energi til netværket, og fremkomsten af ​​et bremsende elektromagnetisk moment M indikerer, at den skal forbruge mekanisk energi udefra.

Derfor, når e. osv. medE induceret i ankerviklingens ledninger bliver større end netspændingen U, maskinen skifter fra motordriftstilstand til generatortilstand, det vil sige, når E < U fungerer maskinen som en motor, med E> U — som en generator.

Overførslen af ​​en elektrisk maskine fra motortilstand til generatortilstand kan udføres på forskellige måder: ved at reducere spændingen U af den kilde, som ankerviklingen er forbundet til, eller ved at øge f.eks. etc. med E i ankerviklingen.