Energiomvandlingsprocess i elektriska maskiner

Elektriska maskiner är uppdelade efter syfte i två huvudtyper: elektriska generatorer och elektriska motorer... Generatorer är designade för att generera elektrisk kraft, och elmotorer är designade för att driva hjulpar på lokomotiv, vrida axlar av fläktar, kompressorer, etc.

En energiomvandlingsprocess äger rum i elektriska maskiner. Generatorer omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Det betyder att för att generatorn ska fungera måste du vrida dess axel med någon form av motor. På ett diesellokomotiv, till exempel, drivs en generator i rotation av en dieselmotor, på ett värmekraftverk av en ångturbin, av ett vattenkraftverk — en vattenturbin.

Elmotorer, å andra sidan, omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Därför, för att motorn ska fungera, måste den vara ansluten med ledningar till en elektrisk energikälla, eller, som de säger, ansluten till det elektriska nätverket.

Funktionsprincipen för vilken elektrisk maskin som helst är baserad på användningen av fenomenen elektromagnetisk induktion och uppkomsten av elektromagnetiska krafter under interaktionen av ledningar med en ström och ett magnetfält. Dessa fenomen utförs under drift av både generatorn och elmotorn. Därför pratar de ofta om generator- och motordriftssätten för elektriska maskiner.

I roterande elektriska maskiner är två huvuddelar involverade i energiomvandlingsprocessen: ankaret och induktorn med sina egna lindningar som rör sig i förhållande till varandra. Induktorn skapar ett magnetfält i bilen. I ankarlindningen inducerad av e. med… och en elektrisk ström uppstår. När strömmen samverkar i ankarlindningen med ett magnetfält skapas elektromagnetiska krafter, genom vilka energiomvandlingsprocessen i maskinen realiseras.

För utförande av en energiomvandlingsprocess i en elektrisk maskin

Följande bestämmelser härrör från Poincarés och Barhausens grundläggande satser om elektrisk energi:

1) direkt ömsesidig omvandling av mekanisk och elektrisk energi är endast möjlig om den elektriska energin är energin från växelström;

2) för genomförandet av processen för sådan energiomvandling är det nödvändigt att systemet med elektriska kretsar avsett för detta ändamål har antingen en föränderlig elektrisk induktans eller en föränderlig elektrisk kapacitet,

3) för att omvandla energin hos en elektrisk växelström till energin hos en elektrisk likström, är det nödvändigt att systemet med elektriska kretsar som är utformade för detta ändamål har ett växlande elektriskt motstånd.

Från den första positionen följer att mekanisk energi kan omvandlas i en elektrisk maskin endast till växelströmsenergi eller vice versa.

Den uppenbara motsägelsen av detta påstående med faktumet att det finns elektriska likströmsmaskiner löses av det faktum att vi i en "likströmsmaskin" har en tvåstegsomvandling av energi.

Så, i fallet med en generator för en elektrisk likströmsmaskin, har vi en maskin där mekanisk energi omvandlas till växelströmsenergi och den senare, på grund av närvaron av en speciell anordning som representerar "variabel elektrisk resistans", omvandlas till energi från likström.

I fallet med en elektrisk maskin går processen uppenbarligen i motsatt riktning: energin av likström som tillförs en elektrisk maskin omvandlas med hjälp av nämnda variabla motstånd till elektrisk växelströmsenergi och den senare till mekanisk energi.

Rollen för det nämnda förändrade elektriska motståndet spelas av den "glidande elektriska kontakten", som i en konventionell "DC-kollektormaskin" består av en "elektrisk maskinborste" och en "elektrisk maskinkollektor" och i släpringar ".

Eftersom det för att skapa en energiomvandlingsprocess i en elektrisk maskin är nödvändigt att ha antingen "variabel elektrisk induktans" eller "variabel elektrisk kapacitans" i den, kan en elektrisk maskin tillverkas antingen på principen om elektromagnetisk induktion, eller på principen om elektrisk induktion. I det första fallet får vi en "induktiv maskin", i det andra - en "kapacitiv maskin".

Kapacitansmaskiner har fortfarande ingen praktisk betydelse.Använda inom industrin, inom transporter och i vardagen är elektriska maskiner induktiva maskiner, bakom vilka i praktiken det korta namnet "elmaskin" har slagit rot, vilket i grunden är ett vidare begrepp.

Principen för drift av en elektrisk generator.

Den enklaste elektriska generatorn är en slinga som roterar i ett magnetfält (Fig. 1, a). I denna generator är varv 1 ankarlindningen. Induktorn är permanentmagneter 2, mellan vilka ankaret 3 roterar.

Ris. 1. Schematiska diagram av den enklaste generatorn (a) och elmotorn (b)

När spolen roterar med en viss rotationsfrekvens n, korsar dess sidor (ledare) magnetfältslinjerna för flödet Ф och e induceras i varje ledare. etc. s. d. Med det antagna i fig. 1 och rotationsriktningen för ankaret e. etc. c. i den under sydpolen belägna ledaren, enligt högerregeln, är riktad bort från oss, och t.ex. etc. v. i en tråd belägen under Nordpolen - mot oss.

Om du ansluter en mottagare av elektrisk energi 4 till ankarlindningen så kommer en elektrisk ström I att flyta genom en sluten krets.I ankarlindningens ledningar kommer strömmen I att riktas på samma sätt som t.ex. etc. s.d.

Låt oss förstå varför, för att rotera ankaret i ett magnetfält, är det nödvändigt att spendera mekanisk energi som erhålls från en dieselmotor eller en turbin (primär motor). När ström i flyter genom ledningar i ett magnetfält, verkar en elektromagnetisk kraft F på varje ledning.

Med det som anges i fig. 1, och strömriktningen enligt vänsterregeln, kommer kraften F riktad åt vänster att verka på ledaren som är placerad under sydpolen, och kraften F riktad till höger kommer att verka på ledaren som är placerad under Nordpolen.Dessa krafter skapar tillsammans ett elektromagnetiskt moment M. i medurs riktning.

Från en undersökning av FIG. 1, men det kan ses att det elektromagnetiska momentet M, som uppstår när generatorn avger elektrisk energi, är riktat i motsatt riktning mot ledningarnas rotation, därför är det ett bromsmoment som tenderar att bromsa rotationen av generatorarmatur.

För att förhindra att ankaret stannar, är det nödvändigt att applicera ett externt vridmoment Mvn på ankaraxeln, mitt emot och lika stor som momentet M. Med hänsyn till friktion och andra interna förluster i maskinen måste det externa vridmomentet vara större än det elektromagnetiska momentet M som skapas av generatorns belastningsström.

Därför, för att fortsätta den normala driften av generatorn, är det nödvändigt att förse den med mekanisk energi från utsidan - för att vrida dess armatur med varje motor 5.

Vid tomgång (med den externa generatorkretsen öppen) är generatorn i viloläge.I detta fall krävs endast mängden mekanisk energi från dieseln eller turbinen för att övervinna friktionen och kompensera för andra interna energiförluster i generatorn.

Med en ökning av belastningen på generatorn, det vill säga den elektriska effekten REL som ges av den, strömmen I som passerar genom ledningarna i ankarlindningen och bromsmomentet M. turbiner för att fortsätta normal drift.

Således, ju mer elektrisk energi som till exempel förbrukas av elmotorerna i ett diesellokomotiv från en dieselloksgenerator, desto mer mekanisk energi tar det från dieselmotorn som vrider den, och desto mer bränsle måste tillföras dieselmotorn .

Av driftsförhållandena för den elektriska generatorn, som betraktas ovan, följer att den är karakteristisk för den:

1. matchning i strömriktningen i och e. etc. v. i ankarlindningens trådar. Detta indikerar att maskinen frigör elektrisk energi;

2. uppkomsten av ett elektromagnetiskt bromsmoment M riktat mot ankarets rotation. Detta innebär att en maskin måste ta emot mekanisk energi utifrån.

Principen för elmotorn.

I princip är elmotorn utformad på samma sätt som generatorn. Den enklaste elmotorn är ett varv 1 (fig. 1, b), beläget på ankaret 3, som roterar i magnetfältet hos poler 2. Ledarna i varvet bildar en ankarlindning.

Om du ansluter spolen till en elektrisk energikälla, till exempel till ett elektriskt nätverk 6, kommer en elektrisk ström I att börja flyta genom var och en av dess ledningar. Denna ström, som interagerar med polernas magnetfält, skapar elektromagnetiska tvingar F .

Med det som anges i fig. Ib, kommer strömriktningen på ledaren som är belägen under sydpolen att påverkas av kraften F riktad åt höger, och kraften F riktad åt vänster kommer att verka på ledaren belägen under nordpolen. Som ett resultat av den kombinerade verkan av dessa krafter skapas ett elektromagnetiskt vridmoment M riktat moturs, vilket driver ankaret med tråden att rotera med en viss frekvens n... Om du ansluter ankaraxeln till någon mekanism eller enhet 7 ( centrumaxeln för ett diesellokomotiv eller elektriskt lok, metallskärverktyg, etc.), kommer elmotorn att ställa in denna enhet i rotation, det vill säga ge den mekanisk energi.I det här fallet kommer det externa momentet MVN som skapas av denna enhet att riktas mot det elektromagnetiska momentet M.

Låt oss förstå varför elektrisk energi förbrukas när ankaret på en elektrisk motor som arbetar under belastning roterar. Det visade sig att när ankartrådarna roterar i ett magnetfält, induceras e i varje tråd. etc. med, vars riktning bestäms enligt högerregeln. Därför, med det som anges i fig. 1, b rotationsriktning för e. etc. c. e inducerad i ledaren som ligger under sydpolen kommer att riktas bort från oss, och e. etc. s. e inducerad i ledaren belägen under nordpolen kommer att riktas mot oss. Fikon. 1, b framgår att e. osv. c. Det vill säga, de inducerade i varje ledare riktas mot strömmen i, det vill säga de förhindrar dess passage genom ledarna.

För att strömmen ska fortsätta att flyta genom ankartrådarna i samma riktning, det vill säga så att elmotorn fortsätter att fungera normalt och utvecklar det nödvändiga vridmomentet, är det nödvändigt att applicera en extern spänning U på dessa ledningar riktade till e. etc. c. och större än det allmänna e. etc. c. E inducerad i alla seriekopplade ledningar i ankarlindningen. Därför är det nödvändigt att leverera elektrisk energi till elmotorn från nätverket.

I frånvaro av belastning (externt bromsmoment applicerat på motoraxeln), förbrukar elmotorn en liten mängd elektrisk energi från en extern källa (nät) och en liten ström flyter genom den vid tomgång. Denna energi används för att täcka de interna effektförlusterna i maskinen.

När belastningen ökar ökar också strömmen som förbrukas av elmotorn och det elektromagnetiska vridmoment den utvecklar. Därför leder en ökning av den mekaniska energi som frigörs av elmotorn när belastningen ökar automatiskt till en ökning av den elektricitet den drar från källan.

Av driftsförhållandena för den elektriska motorn som diskuterats ovan följer att den är karakteristisk för den:

1. sammanträffande i riktningen för det elektromagnetiska momentet M och hastighet n. Detta kännetecknar returen av mekanisk energi från maskinen;

2. utseendet i ledningarna till ankarlindningen e. etc. riktad mot strömmen i och den externa spänningen U. Detta innebär att maskinen måste ta emot elektrisk energi utifrån.

Principen för reversibilitet för elektriska maskiner

Med tanke på principen för driften av en generator och en elmotor, fann vi att de är ordnade på samma sätt och att det finns mycket gemensamt i grunden för driften av dessa maskiner.

Processen att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi i generatorn och elektrisk energi till mekanisk energi i motorn är relaterad till induktionen av EMF. etc. s. i ankarlindningens ledningar som roterar i ett magnetfält och uppkomsten av elektromagnetiska krafter som ett resultat av växelverkan mellan magnetfältet och de strömförande ledningarna.

Skillnaden mellan en generator och en elmotor är endast i den inbördes riktningen av t.ex. d. med, ström, elektromagnetiskt vridmoment och hastighet.

Genom att sammanfatta de övervägda generator- och elmotordriftsprocesserna är det möjligt att fastställa en princip för reversibilitet för elektriska maskiner... Enligt denna princip kan vilken elektrisk maskin som helst fungera som en generator och en elmotor och växla från generatorläge till motorläge och vice versa.

Ris. 2. Riktning av e. m.m. med E, ström I, ankarrotationsfrekvens n och elektromagnetiskt moment M under drift av en elektrisk likströmsmaskin i motor (a) och generator (b) lägen

För att klargöra denna situation, överväg arbete Likström elektrisk maskin under olika förhållanden. Om den externa spänningen U är större än den totala e. etc. v. D. i ankarlindningens alla seriekopplade ledningar, så kommer strömmen I att flyta i den som anges i fig. 2, och riktningen och maskinen kommer att fungera som en elektrisk motor, som förbrukar elektrisk energi från nätverket och ger ut mekanisk energi.

Men om av någon anledning t.ex. etc. c. E blir större än den externa spänningen U, då kommer strömmen I i ankarlindningen att ändra riktning (fig. 2, b) och sammanfalla med e. etc. v. D. I detta fall kommer även riktningen för det elektromagnetiska momentet M att ändras, vilket kommer att riktas mot rotationsfrekvensen n... Sammanfall i riktningen d. osv. med E och ström I betyder det att maskinen har börjat ge elektrisk energi till nätet, och uppkomsten av ett bromsande elektromagnetiskt moment M indikerar att den måste förbruka mekanisk energi utifrån.

Därför, när e. etc. medE som induceras i ankarlindningens ledningar blir större än nätspänningen U, maskinen växlar från motordriftläge till generatorläge, det vill säga när E < U fungerar maskinen som en motor, med E> U — som en generator.

Överföringen av en elektrisk maskin från motorläge till generatorläge kan göras på olika sätt: genom att minska spänningen U för källan till vilken ankarlindningen är ansluten, eller genom att öka t.ex. etc. med E i ankarlindningen.