Proces pretvorbe energije v električnih strojih

Električne stroje delimo po namenu na dve glavni vrsti: elektrogeneratorje in elektromotorje... Generatorji so namenjeni pridobivanju električne energije, elektromotorji pa so namenjeni pogonu kolesnih parov lokomotiv, vrtenju gredi ventilatorjev, kompresorjev itd.

V električnih strojih poteka proces pretvorbe energije. Generatorji pretvarjajo mehansko energijo v električno. To pomeni, da morate za delovanje generatorja zavrteti njegovo gred z nekakšnim motorjem. Na dizelski lokomotivi na primer poganja generator v vrtenje dizelski motor, na termoelektrarni parna turbina, hidroelektrarne — vodna turbina.

Elektromotorji pa pretvarjajo električno energijo v mehansko. Za delovanje motorja mora biti torej z žicami povezan z virom električne energije oziroma, kot pravijo, priključen na električno omrežje.

Načelo delovanja katerega koli električnega stroja temelji na uporabi pojavov elektromagnetne indukcije in pojavu elektromagnetnih sil med interakcijo žic s tokom in magnetnim poljem. Ti pojavi se izvaja med delovanjem generatorja in elektromotorja. Zato pogosto govorijo o generatorskih in motornih načinih delovanja električnih strojev.

Pri rotacijskih električnih strojih sta v procesu pretvorbe energije vključena dva glavna dela: armatura in induktor s svojimi navitji, ki se premikajo relativno drug glede na drugega. Induktor ustvarja magnetno polje v avtomobilu. V navitju armature ki jih povzroča e. z… in nastane električni tok. Ko tok medsebojno deluje v navitju armature z magnetnim poljem, se ustvarijo elektromagnetne sile, s pomočjo katerih se realizira proces pretvorbe energije v stroju.

Za izvedbo procesa pretvorbe energije v električnem stroju

Naslednje določbe izhajajo iz temeljnih teoremov električne energije Poincaréja in Barhausna:

1) neposredna recipročna transformacija mehanske in električne energije je mogoča le, če je električna energija energija izmeničnega električnega toka;

2) za izvedbo procesa takšne pretvorbe energije je potrebno, da ima za to namenjen sistem električnih tokokrogov bodisi spremenljivo električno induktivnost bodisi spremenljivo električno kapaciteto,

3) za pretvorbo energije izmeničnega električnega toka v energijo enosmernega električnega toka je potrebno, da ima v ta namen zasnovan sistem električnih tokokrogov spremenljiv električni upor.

Iz prvega stališča sledi, da se lahko mehanska energija v električnem stroju pretvori samo v energijo izmeničnega električnega toka ali obratno.

Navidezno protislovje te izjave z dejstvom o obstoju enosmernih električnih strojev je razrešeno z dejstvom, da imamo v "enosmernem stroju" dvostopenjsko pretvorbo energije.

Torej, v primeru generatorja električnega stroja z enosmernim tokom, imamo stroj, v katerem se mehanska energija pretvarja v energijo izmeničnega toka, ta pa se zaradi prisotnosti posebne naprave, ki predstavlja "spremenljivi električni upor", pretvori v energijo iz enosmernega toka.

Pri električnem stroju gre proces očitno v nasprotno smer: energija enosmernega električnega toka, ki se dovaja električnemu stroju, se s pomočjo omenjenega spremenljivega upora pretvori v energijo izmeničnega električnega toka, ta pa v mehansko energijo.

Vlogo omenjenega spreminjajočega se električnega upora igra »drsni električni kontakt«, ki je pri običajnem »DC kolektorskem stroju« sestavljen iz »električne strojne krtače« in »elektrostrojnega zbiralnika«, pri drsnih obročih pa ».

Ker je za ustvarjanje procesa pretvorbe energije v električnem stroju potrebna bodisi "spremenljiva električna induktivnost" bodisi "spremenljiva električna kapacitivnost", je električni stroj lahko izdelan na principu elektromagnetne indukcije ali na princip električne indukcije. V prvem primeru dobimo "induktivni stroj", v drugem - "kapacitivni stroj".

Kapacitivni stroji še vedno nimajo praktičnega pomena.Električni stroji, ki se uporabljajo v industriji, prometu in vsakdanjem življenju, so induktivni stroji, za katerimi se je v praksi uveljavilo kratko ime električni stroj, ki je v bistvu širši pojem.

Načelo delovanja električnega generatorja.

Najenostavnejši električni generator je zanka, ki se vrti v magnetnem polju (slika 1, a). V tem generatorju je obrat 1 navitje armature. Induktor so trajni magneti 2, med katerimi se vrti armatura 3.

riž. 1. Shematski diagrami najpreprostejšega generatorja (a) in elektromotorja (b)

Ko se tuljava vrti z določeno vrtilno frekvenco n, njene stranice (prevodniki) prečkajo silnice magnetnega polja pretoka Ф in v vsakem prevodniku se inducira e. itd. s. d. S sprejetim na sl. 1 in smer vrtenja armature e. itd. c) v vodniku, ki se nahaja pod južnim polom, je po pravilu desne roke usmerjen stran od nas in e. itd. v. v žici, ki se nahaja pod severnim polom - proti nam.

Če na navitje armature priključite sprejemnik električne energije 4, bo skozi zaprt tokokrog tekel električni tok I. V žicah navitja armature bo tok I usmerjen na enak način kot e. itd. s. d.

Razumejmo, zakaj je za vrtenje armature v magnetnem polju potrebna mehanska energija, pridobljena iz dizelskega motorja ali turbine (primarni motor). Ko tok i teče skozi žice, ki se nahajajo v magnetnem polju, na vsako žico deluje elektromagnetna sila F.

S prikazanim na sl. 1 in smeri toka po pravilu leve roke bo sila F, usmerjena v levo, delovala na vodnik, ki se nahaja pod južnim polom, sila F, usmerjena v desno, pa bo delovala na vodnik, ki se nahaja pod Severni pol.Te sile skupaj ustvarjajo elektromagnetni moment M. v smeri urinega kazalca.

Iz pregleda sl. 1, vendar je razvidno, da je elektromagnetni moment M, ki nastane, ko generator oddaja električno energijo, usmerjen v nasprotno smer od vrtenja žic, zato gre za zavorni moment, ki teži k upočasnitvi vrtenja armatura generatorja.

Da se sidro ne zatakne, je treba na gred armature uporabiti zunanji navor Mvn, ki je nasproten in po velikosti enak trenutku M. Ob upoštevanju trenja in drugih notranjih izgub v stroju mora biti zunanji navor večji od elektromagnetnega momenta M, ki ga ustvari obremenitveni tok generatorja.

Zato je za nadaljnje normalno delovanje generatorja potrebno oskrbovati z mehansko energijo od zunaj - zavrteti njegovo armaturo z vsakim motorjem 5.

Ko je generator brez obremenitve (z odprtim tokokrogom zunanjega generatorja), je generator v stanju mirovanja.V tem primeru je potrebna samo količina mehanske energije iz dizelskega goriva ali turbine za premagovanje trenja in kompenzacijo drugih notranjih izgub energije v generatorju.

S povečanjem obremenitve generatorja, to je električne moči REL, ki jo daje, tok I, ki poteka skozi žice navitja armature, in zavorni moment M. turbine za nadaljevanje normalnega delovanja.

Tako več električne energije porabijo na primer električni motorji dizelske lokomotive iz generatorja dizelske lokomotive, več mehanske energije vzame dizelski motor, ki ga vrti, in več goriva mora biti dobavljenega dizelskemu motorju. .

Iz zgoraj obravnavanih pogojev delovanja električnega generatorja izhaja, da je zanj značilno:

1. ujemanje v smeri toka i in e. itd. v. v žicah navitja armature. To pomeni, da stroj sprošča električno energijo;

2. pojav elektromagnetnega zavornega momenta M, usmerjenega proti vrtenju armature. To pomeni, da mora stroj prejemati mehansko energijo od zunaj.

Načelo elektromotorja.

Načeloma je elektromotor zasnovan na enak način kot generator. Najenostavnejši električni motor je zavoj 1 (slika 1, b), ki se nahaja na armaturi 3, ki se vrti v magnetnem polju polov 2. Prevodniki zavoja tvorijo navitje armature.

Če tuljavo priključite na vir električne energije, na primer na električno omrežje 6, bo skozi vsako njeno žico začel teči električni tok I. Ta tok v interakciji z magnetnim poljem polov ustvarja elektromagnetno sile F.

S prikazanim na sl. 1b bo na smer toka na vodniku, ki se nahaja pod južnim polom, vplivala sila F, usmerjena v desno, sila F, usmerjena v levo, pa bo delovala na vodnik, ki se nahaja pod severnim polom. Zaradi skupnega delovanja teh sil nastane elektromagnetni navor M, usmerjen v nasprotni smeri urinega kazalca, ki poganja armaturo z žico, da se vrti z določeno frekvenco n... Če priključite gred armature na kateri koli mehanizem ali napravo 7 ( središčna os dizelske lokomotive ali električne lokomotive, orodje za rezanje kovin itd.), potem bo elektromotor to napravo vrtel, to je, da ji da mehansko energijo.V tem primeru bo zunanji moment MVN, ki ga ustvari ta naprava, usmerjen proti elektromagnetnemu momentu M.

Razumejmo, zakaj se električna energija porabi, ko se armatura elektromotorja, ki deluje pod obremenitvijo, vrti. Ugotovljeno je bilo, da ko se armaturne žice vrtijo v magnetnem polju, se v vsaki žici inducira e. itd. s, katerega smer je določena po pravilu desne roke. Zato z navedenim na sl. 1, b smer vrtenja e. itd. c) e, induciran v prevodniku, ki se nahaja pod južnim polom, bo usmerjen proč od nas, in e. itd. s. e, induciran v prevodniku, ki se nahaja pod severnim polom, bo usmerjen proti nam. sl. 1, b je razvidno, da e. itd. c To pomeni, da so inducirani v vsakem prevodniku usmerjeni proti toku i, to pomeni, da preprečujejo njegov prehod skozi vodnike.

Da tok še naprej teče skozi armaturne žice v isti smeri, to je, da elektromotor še naprej normalno deluje in razvija potreben navor, je treba na te žice uporabiti zunanjo napetost U, usmerjeno v e. itd. c) in večji od splošnega e. itd. c) E, induciran v vseh zaporedno vezanih žicah armaturnega navitja. Zato je treba elektromotorju dovajati električno energijo iz omrežja.

V odsotnosti obremenitve (zunanji zavorni moment, ki deluje na gred motorja), elektromotor porabi majhno količino električne energije iz zunanjega vira (omrežje) in v prostem teku skozi njega teče majhen tok. Ta energija se uporablja za pokrivanje notranjih izgub moči v stroju.

Ko se obremenitev poveča, se poveča tudi tok, ki ga porabi električni motor, in elektromagnetni navor, ki ga razvije. Zato povečanje mehanske energije, ki jo sprosti električni motor, ko se obremenitev poveča, samodejno povzroči povečanje električne energije, ki jo črpa iz vira.

Iz zgoraj obravnavanih delovnih pogojev elektromotorja izhaja, da je zanj značilno:

1. sovpadanje smeri elektromagnetnega momenta M in hitrosti n.To označuje vračanje mehanske energije iz stroja;

2. videz v žicah navitja armature e. itd. usmerjen proti toku i in zunanji napetosti U. To pomeni, da mora stroj prejemati električno energijo od zunaj.

Načelo reverzibilnosti električnih strojev

Ob upoštevanju principa delovanja generatorja in elektromotorja smo ugotovili, da sta urejena na enak način in da je v osnovi delovanja teh strojev veliko skupnega.

Proces pretvorbe mehanske energije v električno energijo v generatorju in električne energije v mehansko energijo v motorju je povezan z indukcijo EMF. itd. str. v žicah navitja armature, ki se vrtijo v magnetnem polju, in pojav elektromagnetnih sil kot posledica interakcije magnetnega polja in žic, ki prenašajo tok.

Razlika med generatorjem in elektromotorjem je le v medsebojni smeri e. d., tok, elektromagnetni navor in hitrost.

Če povzamemo obravnavane procese delovanja generatorja in elektromotorja, je mogoče vzpostaviti princip reverzibilnosti električnih strojev ... Po tem principu lahko vsak električni stroj deluje kot generator in elektromotor ter preklopi iz generatorskega v motorni način in obratno.

riž. 2. Smer e. itd. z E, tokom I, frekvenco vrtenja armature n in elektromagnetnim momentom M med delovanjem električnega stroja z enosmernim tokom v načinu motorja (a) in generatorja (b).

Če želite razjasniti to situacijo, razmislite o delu Enosmerni električni stroj pod različnimi pogoji. Če je zunanja napetost U večja od skupne e. itd. v. D. v vseh zaporedno povezanih žicah navitja armature, potem bo tok I tekel v tistem, ki je prikazan na sl. 2, smer in stroj pa bosta delovala kot elektromotor, ki bo porabljal električno energijo iz omrežja in oddajal mehansko energijo.

Če pa iz nekega razloga npr. itd. c E postane večja od zunanje napetosti U, potem bo tok I v navitju armature spremenil svojo smer (slika 2, b) in sovpadal z e. itd. v. D. V tem primeru se bo spremenila tudi smer elektromagnetnega momenta M, ki bo usmerjen proti frekvenci vrtenja n... Sovpadanje v smeri d., itd. z E in tokom I pomeni, da je stroj začel dajati električno energijo v omrežje, pojav zavornega elektromagnetnega momenta M pa pomeni, da mora porabiti mehansko energijo od zunaj.

Zato, ko e itd. zE, induciran v žicah navitja armature, postane večji od omrežne napetosti U, stroj preklopi iz načina delovanja motorja v način generatorja, to je, ko E < U stroj deluje kot motor, z E> U - kot generator.

Prenos električnega stroja iz načina motorja v način generatorja se lahko izvede na različne načine: z zmanjšanjem napetosti U vira, na katerega je priključen navitje armature, ali s povečanjem e. itd. z E v navitju armature.