Процес конверзије енергије у електричним машинама

Електричне машине се по намени деле на два главна типа: електрични генератори и електромотори... Генератори су намењени за генерисање електричне енергије, а електромотори су намењени за погон парова точкова локомотива, окретање вратила вентилатора, компресора итд.

Процес конверзије енергије одвија се у електричним машинама. Генератори претварају механичку енергију у електричну енергију. То значи да да би генератор радио, потребно је да окренете његову осовину неком врстом мотора. На дизел локомотиви, на пример, генератор у ротацији покреће дизел мотор, на термоелектрани парна турбина, хидроелектране — водена турбина.

Електромотори, с друге стране, претварају електричну енергију у механичку енергију. Дакле, да би мотор радио, мора бити повезан жицама са извором електричне енергије, или, како кажу, прикључен на електричну мрежу.

Принцип рада било које електричне машине заснива се на коришћењу феномена електромагнетне индукције и појаве електромагнетних сила током интеракције жица са струјом и магнетним пољем. Ове појаве врши се у току рада и генератора и електромотора. Стога се често говори о генераторским и моторним начинима рада електричних машина.

У ротирајућим електричним машинама, два главна дела су укључена у процес конверзије енергије: арматура и индуктор са сопственим намотајима који се крећу релативно једни према другима. Индуктор ствара магнетно поље у аутомобилу. У намотају арматуре изазвано е. са… и настаје електрична струја. Када струја интерагује у намотају арматуре са магнетним пољем, стварају се електромагнетне силе преко којих се остварује процес конверзије енергије у машини.

За извођење процеса конверзије енергије у електричној машини

Следеће одредбе произилазе из основних теорема електричне енергије Поинцареа и Бархаусена:

1) директна реципрочна трансформација механичке и електричне енергије је могућа само ако је електрична енергија енергија наизменичне електричне струје;

2) за спровођење процеса такве конверзије енергије потребно је да систем електричних кола намењен за ову намену има или променљиву електричну индуктивност или променљиви електрични капацитет;

3) да би се енергија наизменичне електричне струје претворила у енергију једносмерне електричне струје, неопходно је да систем електричних кола пројектован за ову намену има променљив електрични отпор.

Из прве позиције произилази да се механичка енергија у електричној машини може претворити само у енергију наизменичне електричне струје или обрнуто.

Очигледна контрадикторност ове тврдње са чињеницом постојања електричних машина једносмерне струје разрешава се чињеницом да у „машини једносмерне струје“ имамо двостепену конверзију енергије.

Дакле, у случају генератора електричне машине једносмерне струје, имамо машину у којој се механичка енергија претвара у енергију наизменичне струје, а ова друга се, због присуства посебног уређаја који представља „променљиви електрични отпор“, претвара у енергију. од једносмерне струје.

У случају електричне машине, процес очигледно иде у супротном смеру: енергија једносмерне електричне струје која се доводи у електричну машину се помоћу поменутог променљивог отпора претвара у енергију наизменичне струје, а ова друга у механичку енергију.

Улогу поменутог променљивог електричног отпора има „клизни електрични контакт“, који се у конвенционалној „колекторској машини једносмерне струје“ састоји од „четке за електричну машину“ и „колектора за електромашине“, и од клизних прстенова“.

Пошто је за креирање процеса конверзије енергије у електричној машини неопходно да у њој постоји или „променљива електрична индуктивност“ или „променљива електрична капацитивност“, електрична машина се може направити или на принципу електромагнетне индукције, или на принципу електромагнетне индукције. принцип електричне индукције. У првом случају добијамо "индуктивну машину", у другом - "капацитивну машину".

Капацитивне машине још увек немају практичан значај.Коришћене у индустрији, транспорту и свакодневном животу, електричне машине су индуктивне машине, иза којих се у пракси укоренио кратки назив „електрична машина“, што је у суштини шири појам.

Принцип рада електричног генератора.

Најједноставнији електрични генератор је петља која се ротира у магнетном пољу (слика 1, а). У овом генератору, окрет 1 је намотај арматуре. Индуктор је трајни магнет 2, између којих се ротира арматура 3.

Пиринач. 1. Шематски дијаграми најједноставнијег генератора (а) и електромотора (б)

Када се завојница ротира са одређеном фреквенцијом ротације н, његове стране (проводници) прелазе линије магнетног поља флукса Ф и е се индукује у сваком проводнику. итд. с. д. Са усвојеним на сл. 1 и смер ротације арматуре е. итд. ц) у проводнику који се налази испод јужног пола, према правилу десне руке, усмерен је од нас, и е. итд. в. у жици која се налази испод Северног пола – према нама.

Ако на намотај арматуре повежете пријемник електричне енергије 4, тада ће кроз затворено коло тећи електрична струја И. У жицама арматурног намотаја струја И ће бити усмерена на исти начин као е. итд. с. д.

Хајде да разумемо зашто је, да би се ротирала арматура у магнетном пољу, потребно потрошити механичку енергију добијену од дизел мотора или турбине (примарни мотор). Када струја и тече кроз жице које се налазе у магнетном пољу, на сваку жицу делује електромагнетна сила Ф.

Са назначеним на сл. 1, а смер струје по правилу леве руке, сила Ф усмерена улево ће деловати на проводник који се налази испод Јужног пола, а сила Ф усмерена удесно ће деловати на проводник који се налази испод Северни пол.Ове силе заједно стварају електромагнетни момент М. у смеру казаљке на сату.

Из испитивања на Сл. 1, али се може видети да је електромагнетни момент М, који настаје када генератор емитује електричну енергију, усмерен у смеру супротном од ротације жица, па се ради о моменту кочења који тежи да успори ротацију арматура генератора.

Да се ​​анкер не би заглавио, потребно је применити спољни обртни момент Мвн на осовину арматуре, супротан и једнак моменту М. Узимајући у обзир трење и друге унутрашње губитке у машини, спољни обртни момент мора бити већи од електромагнетног момента М који ствара струја оптерећења генератора.

Због тога, да би се наставио нормалан рад генератора, потребно га је снабдевати механичком енергијом споља - окретати његову арматуру са сваким мотором 5.

У празном ходу (са отвореним колом екстерног генератора), генератор је у стању мировања.У овом случају потребна је само количина механичке енергије из дизела или турбине да би се савладало трење и надокнади други унутрашњи губици енергије у генератору.

Са повећањем оптерећења на генератору, односно електричне снаге РЕЛ коју даје, струја И која пролази кроз жице намотаја арматуре и кочиони момент М. турбина настављају нормалан рад.

Дакле, што више електричне енергије троше, на пример, електромотори дизел локомотиве из генератора дизел локомотиве, то више механичке енергије узима дизел мотор који га окреће, а дизел мотор мора да доведе више горива. .

Из горе наведених услова рада електричног генератора, произилази да је за њега карактеристично:

1. поклапање у правцу струје и и е. итд. в. у жицама намотаја арматуре. Ово указује да машина испушта електричну енергију;

2. појава електромагнетног момента кочења М усмереног против ротације арматуре. То подразумева потребу да машина прима механичку енергију споља.

Принцип рада електромотора.

У принципу, електрични мотор је дизајниран на исти начин као и генератор. Најједноставнији електромотор је окрет 1 (слика 1, б), смештен на арматури 3, који се ротира у магнетном пољу полова 2. Проводници завоја формирају намотај арматуре.

Ако спојите завојницу на извор електричне енергије, на пример, на електричну мрежу 6, тада ће кроз сваку од његових жица почети да тече електрична струја И. Ова струја, у интеракцији са магнетним пољем полова, ствара електромагнетно силе Ф.

Са назначеним на сл. 1б, на смер струје на проводнику који се налази испод јужног пола ће утицати сила Ф усмерена удесно, а сила Ф усмерена улево ће деловати на проводник који се налази испод северног пола. Као резултат комбинованог дејства ових сила, ствара се електромагнетни обртни момент М усмерен супротно од казаљке на сату, који покреће арматуру са жицом да се окреће одређеном фреквенцијом н... Ако вратило арматуре повежете са било којим механизмом или уређајем 7 ( средишња оса дизел локомотиве или електричне локомотиве, алат за резање метала итд.), тада ће електромотор поставити овај уређај у ротацију, односно дати му механичку енергију.У овом случају, спољашњи момент МВН креиран овим уређајем биће усмерен против електромагнетног момента М.

Хајде да разумемо зашто се електрична енергија троши када се арматура електромотора који ради под оптерећењем ротира. Утврђено је да када се жице арматуре ротирају у магнетном пољу, е се индукује у свакој жици. итд. са чији је правац одређен по правилу десне руке. Стога, са назначеним на сл. 1, б смер ротације е. итд. ц) е индуковано у проводнику који се налази испод јужног пола биће усмерено од нас, и е. итд. с. е индукована у проводнику који се налази испод северног пола биће усмерена ка нама. Шипак. 1, б види се да е. итд. ц. То јест, индуковани у сваком проводнику су усмерени против струје и, односно спречавају њен пролазак кроз проводнике.

Да би струја наставила да тече кроз жице арматуре у истом правцу, односно да би електромотор наставио нормално да ради и развио потребан обртни момент, потребно је на ове жице применити спољни напон У усмерен на е. итд. ц. и већи од општег е. итд. ц) Е индуковано у свим серијски повезаним жицама намотаја арматуре. Због тога је потребно електромотор снабдевати електричном енергијом из мреже.

У одсуству оптерећења (спољни кочиони момент који се примењује на осовину мотора), електромотор троши малу количину електричне енергије из спољашњег извора (мреже) и кроз њега тече мала струја у празном ходу. Ова енергија се користи за покривање унутрашњих губитака снаге у машини.

Како се оптерећење повећава, расте и струја коју троши електромотор и електромагнетни момент који развија. Стога, повећање механичке енергије коју ослобађа електромотор како расте оптерећење аутоматски доводи до повећања електричне енергије коју црпи из извора.

Из горе наведених услова рада електромотора, произилази да је за њега карактеристично:

1. подударност у правцу електромагнетног момента М и брзине н. Ово карактерише поврат механичке енергије из машине;

2. изглед у жицама намотаја арматуре е. итд усмерена против струје и и спољашњег напона У. То подразумева потребу да машина добија електричну енергију споља.

Принцип реверзибилности електричних машина

Разматрајући принцип рада генератора и електромотора, установили смо да су они распоређени на исти начин и да постоји много заједничког у основи рада ових машина.

Процес претварања механичке енергије у електричну енергију у генератору и електричне енергије у механичку енергију у мотору повезан је са индукцијом ЕМФ. итд. стр у жицама арматурног намотаја који се ротирају у магнетном пољу и настанак електромагнетних сила као резултат интеракције магнетног поља и струјних жица.

Разлика између генератора и електромотора је само у међусобном правцу е. д) са струјом, електромагнетним моментом и брзином.

Сумирајући разматране процесе рада генератора и електромотора, могуће је успоставити принцип реверзибилности електричних машина... По овом принципу, свака електрична машина може да ради као генератор и електромотор и да прелази са генераторског на моторни режим. и обрнуто.

Пиринач. 2. Правац е. итд. са Е, струјом И, фреквенцијом ротације арматуре н и електромагнетним моментом М током рада електричне машине једносмерне струје у моторном (а) и генераторском (б) режиму рада.

Да бисте разјаснили ову ситуацију, размислите о послу Електрична машина једносмерне струје под различитим условима. Ако је спољашњи напон У већи од укупног е. итд. в. Д. у свим серијски повезаним жицама намотаја арматуре, тада ће струја И тећи у оном назначеном на сл. 2, а правац и машина ће радити као електромотор, трошећи електричну енергију из мреже и одајући механичку енергију.

Међутим, ако из неког разлога е. итд. ц. Е постаје већи од спољашњег напона У, тада ће струја И у намотају арматуре променити свој правац (слика 2, б) и поклопити се са е. итд. в. Д. У овом случају ће се променити и смер електромагнетног момента М који ће бити усмерен против фреквенције ротације н... Подударност у правцу д. итд. са Е и струјом И значи да је машина почела да даје електричну енергију мрежи, а појава кочног електромагнетног момента М указује да мора да троши механичку енергију споља.

Стога, када је е. итд. саЕ индуковано у жицама намотаја арматуре постаје веће од мрежног напона У, машина прелази из режима рада мотора у режим генератора, односно када Е < У машина ради као мотор, при чему Е> У — као генератор.

Прелазак електричне машине из моторног у генераторски режим може се извршити на различите начине: смањењем напона У извора на који је спојен намотај арматуре или повећањем е. итд. са Е у намотају арматуре.