Proces přeměny energie v elektrických strojích

Elektrické stroje se dělí podle účelu na dva hlavní typy: elektrické generátory a elektromotory... Generátory jsou určeny k výrobě elektrické energie a elektromotory jsou určeny k pohonu dvojic kol lokomotiv, otočných hřídelí ventilátorů, kompresorů atd.

V elektrických strojích probíhá proces přeměny energie. Generátory přeměňují mechanickou energii na elektrickou energii. To znamená, že aby generátor fungoval, musíte otočit jeho hřídel nějakým motorem. Na dieselové lokomotivě je například generátor poháněn do rotace dieselovým motorem, na tepelné elektrárně parní turbínou, vodní elektrárny — vodní turbíny.

Elektromotory na druhé straně přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii. Proto, aby motor fungoval, musí být připojen dráty ke zdroji elektrické energie, nebo, jak se říká, zapojen do elektrické sítě.

Princip činnosti jakéhokoli elektrického stroje je založen na využití jevů elektromagnetické indukce a výskytu elektromagnetických sil při interakci drátů s proudem a magnetickým polem. Tyto jevy se provádí při provozu generátoru i elektromotoru. Proto často mluví o generátorových a motorových režimech provozu elektrických strojů.

U točivých elektrických strojů se na procesu přeměny energie podílejí dvě hlavní části: kotva a induktor s vlastními vinutími, které se vzájemně pohybují. Induktor vytváří v autě magnetické pole. Ve vinutí kotvy vyvolané e. s… a dojde k elektrickému proudu. Při interakci proudu ve vinutí kotvy s magnetickým polem vznikají elektromagnetické síly, jejichž prostřednictvím je realizován proces přeměny energie ve stroji.

Pro provedení procesu přeměny energie v elektrickém stroji

Následující ustanovení vycházejí ze základních teorémů elektrické energie Poincarého a Barhausena:

1) přímá vzájemná přeměna mechanické a elektrické energie je možná pouze tehdy, je-li elektrická energie energií střídavého elektrického proudu;

2) pro realizaci procesu takové přeměny energie je nutné, aby soustava elektrických obvodů k tomu určená měla buď měnící se elektrickou indukčnost, nebo měnící se elektrickou kapacitu,

3) pro přeměnu energie střídavého elektrického proudu na energii stejnosměrného elektrického proudu je nutné, aby soustava elektrických obvodů k tomu určená měla proměnlivý elektrický odpor.

Z první pozice vyplývá, že mechanickou energii lze v elektrickém stroji přeměnit pouze na energii střídavého elektrického proudu nebo naopak.

Zjevný rozpor tohoto tvrzení s faktem existence stejnosměrných elektrických strojů řeší skutečnost, že ve «stejnosměrném stroji» máme dvoustupňovou přeměnu energie.

Takže v případě stejnosměrného elektrického strojního generátoru máme stroj, ve kterém se mechanická energie přeměňuje na energii střídavého proudu a ta se díky přítomnosti speciálního zařízení představujícího „proměnný elektrický odpor“ přeměňuje na energii. ze stejnosměrného proudu.

V případě elektrického stroje jde proces zjevně opačným směrem: energie stejnosměrného elektrického proudu přiváděného do elektrického stroje se přeměňuje pomocí uvedeného proměnného odporu na energii střídavého elektrického proudu a ten na energii mechanickou.

Úlohu zmíněného měnícího se elektrického odporu hraje „posuvný elektrický kontakt“, který se u běžného „stejnosměrného kolektorového stroje“ skládá z „elektrického strojního kartáče“ a „sběrače elektrického stroje“ a ze sběracích kroužků “ .

Protože pro vytvoření procesu přeměny energie v elektrickém stroji je nutné mít v něm buď "proměnnou elektrickou indukčnost" nebo "proměnnou elektrickou kapacitu", lze elektrický stroj vyrobit buď na principu elektromagnetické indukce, nebo na princip elektrické indukce. V prvním případě dostaneme "indukční stroj", ve druhém - "kapacitní stroj".

Kapacitní stroje stále nemají praktický význam.Elektrické stroje používané v průmyslu, v dopravě i v běžném životě jsou indukční stroje, za kterými se v praxi vžil krátký název „elektrický stroj“, což je v podstatě širší pojem.

Princip činnosti elektrického generátoru.

Nejjednodušším elektrickým generátorem je smyčka rotující v magnetickém poli (obr. 1, a). V tomto generátoru je závit 1 vinutí kotvy. Induktorem jsou permanentní magnety 2, mezi kterými se otáčí kotva 3.

Rýže. 1. Schématická schémata nejjednoduššího generátoru (a) a elektromotoru (b)

Když se cívka otáčí s určitou frekvencí otáčení n, její strany (vodiče) křižují magnetické siločáry toku Ф a e se indukuje v každém vodiči. atd. s. d. S přijatým na Obr. 1 a směr otáčení kotvy e. Obr. atd. c. ve vodiči umístěném pod jižním pólem podle pravidla pravé ruky směřuje od nás a e. atd. v. v drátu umístěném pod severním pólem - směrem k nám.

Pokud k vinutí kotvy připojíte přijímač elektrické energie 4, bude uzavřeným obvodem protékat elektrický proud I. Ve vodičích vinutí kotvy bude proud I směřovat stejně jako e. atd. s. d.

Pojďme pochopit, proč je pro otáčení kotvy v magnetickém poli nutné vynakládat mechanickou energii získanou z dieselového motoru nebo turbíny (primární motor). Když proud i protéká dráty umístěnými v magnetickém poli, působí na každý drát elektromagnetická síla F.

S vyznačením na Obr. 1 a směr proudu podle pravidla levé ruky, síla F směřující doleva bude působit na vodič umístěný pod jižním pólem a síla F směřující doprava bude působit na vodič umístěný pod jižním pólem. Severní pól.Tyto síly společně vytvářejí elektromagnetický moment M. ve směru hodinových ručiček.

Ze zkoumání Obr. 1, ale je vidět, že elektromagnetický moment M, který nastává, když generátor vyzařuje elektrickou energii, je směrován opačně než rotace drátů, jde tedy o brzdný moment, který má tendenci zpomalovat rotaci drátu. armatura generátoru.

Aby se zabránilo zablokování kotvy, je nutné na hřídel kotvy vyvinout vnější krouticí moment Mvn, opačný a stejný jako moment M. Při zohlednění tření a dalších vnitřních ztrát ve stroji musí být vnější krouticí moment větší než elektromagnetický moment M vytvářený zatěžovacím proudem generátoru.

Proto, aby mohl generátor pokračovat v normálním provozu, je nutné mu dodat mechanickou energii zvenčí - otočit jeho kotvu s každým motorem 5.

Naprázdno (s otevřeným obvodem externího generátoru) je generátor v klidovém režimu.V tomto případě je zapotřebí pouze množství mechanické energie z dieselu nebo turbíny k překonání tření a kompenzaci dalších vnitřních energetických ztrát v generátoru.

S nárůstem zatížení generátoru, tedy jím daným elektrickým výkonem REL, proudem I procházejícím dráty vinutí kotvy a brzdným momentem M. turbíny pokračují v normálním provozu.

Čím více elektrické energie tedy spotřebovávají např. elektromotory dieselové lokomotivy z generátoru dieselové lokomotivy, tím více mechanické energie odebírá dieselový motor, který jej roztáčí, a tím více paliva je třeba dodat dieselovému motoru. .

Z provozních podmínek elektrického generátoru, uvažovaných výše, vyplývá, že je pro něj charakteristické:

1. přizpůsobení ve směru proudu i a e. atd. v. ve vodičích vinutí kotvy. To znamená, že stroj uvolňuje elektrickou energii;

2. vznik elektromagnetického brzdného momentu M namířeného proti otáčení kotvy. To znamená, že stroj potřebuje přijímat mechanickou energii zvenčí.

Princip elektromotoru.

Elektromotor je v zásadě konstruován stejně jako generátor. Nejjednodušším elektromotorem je závit 1 (obr. 1, b), umístěný na kotvě 3, který se otáčí v magnetickém poli pólů 2. Vodiče závitu tvoří vinutí kotvy.

Připojíte-li cívku ke zdroji elektrické energie, například k elektrické síti 6, pak každým jejím vodičem začne protékat elektrický proud I. Tento proud v interakci s magnetickým polem pólů vytváří elektromagnetické síly F.

S vyznačením na Obr. 1b bude směr proudu na vodiči umístěném pod jižním pólem ovlivňován silou F směřující doprava a silou F směřující doleva bude působit na vodič umístěný pod severním pólem. V důsledku kombinovaného působení těchto sil vzniká elektromagnetický moment M směřující proti směru hodinových ručiček, který pohání kotvu s drátem k otáčení s určitou frekvencí n... Připojíte-li hřídel kotvy k libovolnému mechanismu nebo zařízení 7 ( středová osa dieselové lokomotivy nebo elektrické lokomotivy, nástroj na řezání kovů atd.), pak elektromotor uvede toto zařízení do rotace, to znamená, že mu dodá mechanickou energii.V tomto případě bude vnější moment MVN vytvořený tímto zařízením nasměrován proti elektromagnetickému momentu M.

Pojďme pochopit, proč se elektrická energie spotřebovává, když se kotva elektromotoru pracujícího pod zatížením otáčí. Bylo zjištěno, že když se dráty kotvy otáčejí v magnetickém poli, v každém drátu se indukuje e. atd. s, jehož směr je určen podle pravidla pravé ruky. Proto s označením na Obr. 1, b směr otáčení e. atd. c. e indukovaná ve vodiči umístěném pod jižním pólem bude směřovat od nás a e. atd. s. e indukovaný ve vodiči umístěném pod severním pólem bude směřovat k nám. Obr. 1, b je vidět, že e. atd. c. To znamená, že indukce v každém vodiči směřují proti proudu i, to znamená, že brání jeho průchodu vodiči.

Aby proud dále protékal dráty kotvy ve stejném směru, tedy aby elektromotor dále normálně pracoval a vyvíjel potřebný krouticí moment, je nutné na tyto dráty přivést vnější napětí U směřující do E. atd. c. a větší než obecná e. atd. c. E indukované ve všech sériově zapojených vodičích vinutí kotvy. Proto je nutné dodávat elektrickou energii elektromotoru ze sítě.

Při absenci zátěže (vnější brzdný moment působící na hřídel motoru) spotřebovává elektromotor malé množství elektrické energie z externího zdroje (sítě) a při volnoběhu jím protéká malý proud. Tato energie se využívá k pokrytí vnitřních ztrát výkonu ve stroji.

S rostoucí zátěží roste i proud spotřebovaný elektromotorem a elektromagnetický moment, který vyvíjí. Zvýšení mechanické energie uvolňované elektromotorem při zvyšování zátěže tedy automaticky vede ke zvýšení elektřiny, kterou odebírá ze zdroje.

Z výše uvedených provozních podmínek elektromotoru vyplývá, že je pro něj charakteristický:

1. koincidence ve směru elektromagnetického momentu M a rychlosti n. Ta charakterizuje návrat mechanické energie ze stroje;

2. vzhled vodičů vinutí kotvy; atd. namířených proti proudu i a vnějšímu napětí U. Z toho vyplývá nutnost, aby stroj dostával elektrickou energii zvenčí.

Princip reverzibility elektrických strojů

Vzhledem k principu činnosti generátoru a elektromotoru jsme zjistili, že jsou uspořádány stejným způsobem a že v základu činnosti těchto strojů je mnoho společného.

Proces přeměny mechanické energie na elektrickou energii v generátoru a elektrickou energii na mechanickou energii v motoru souvisí s indukcí EMF. atd. str. ve vodičích vinutí kotvy rotujících v magnetickém poli a vzniku elektromagnetických sil v důsledku interakce magnetického pole a vodičů s proudem.

Rozdíl mezi generátorem a elektromotorem je pouze ve vzájemném směru e. d. s proudem, elektromagnetickým momentem a rychlostí.

Shrnutím uvažovaných procesů chodu generátoru a elektromotoru je možné stanovit princip reverzibility elektrických strojů... Podle tohoto principu může každý elektrický stroj pracovat jako generátor a elektromotor a přepínat z režimu generátoru do režimu motoru a naopak.

Rýže. 2. Směr e. atd. s E, proudem I, frekvencí otáčení kotvy n a elektromagnetickým momentem M při provozu stejnosměrného elektrického stroje v režimu motoru (a) a generátoru (b).

Chcete-li tuto situaci objasnit, zvažte práci Elektrický stroj na stejnosměrný proud za různých podmínek. Pokud je vnější napětí U větší než celkové e. atd. v. D. ve všech sériově zapojených vodičích vinutí kotvy, pak poteče proud I v tom, který je naznačen na obr. 2 a směr a stroj budou fungovat jako elektromotor, spotřebovávat elektrickou energii ze sítě a vydávat mechanickou energii.

Pokud však z nějakého důvodu např. atd. c. E se stane větším než vnější napětí U, pak proud I ve vinutí kotvy změní svůj směr (obr. 2, b) a shoduje se s e. Obr. atd. v. D. V tomto případě se bude měnit i směr elektromagnetického momentu M, který bude směřovat proti frekvenci otáčení n... Koincidence ve směru d., atp. s E a proudem I znamená, že stroj začal dodávat elektrickou energii do sítě a výskyt brzdného elektromagnetického momentu M naznačuje, že musí spotřebovávat mechanickou energii zvenčí.

Proto, když e. atd. sE indukované ve vodičích vinutí kotvy je větší než síťové napětí U, stroj se přepne z režimu chodu motoru do režimu generátoru, to znamená, když E < U stroj pracuje jako motor, s E> U — jako generátor.

Přechod elektrického stroje z režimu motoru do režimu generátoru lze provést různými způsoby: snížením napětí U zdroje, ke kterému je připojeno vinutí kotvy, nebo zvýšením e. atd. s E ve vinutí kotvy.