Процес на преобразуване на енергия в електрически машини

Електрическите машини са разделени по предназначение на два основни типа: електрически генератори и електродвигатели… Генераторите са предназначени за генериране на електрическа енергия, а електрическите двигатели са предназначени да задвижват двойки колела от локомотиви, да въртят валове на вентилатори, компресори и т.н.

В електрическите машини се осъществява процес на преобразуване на енергия. Генераторите преобразуват механичната енергия в електрическа. Това означава, че за да работи генераторът, е необходимо да завъртите вала му с някакъв двигател. На дизелов локомотив например генератор се задвижва във въртене от дизелов двигател, на топлоелектрическа централа — от парна турбина, на водноелектрическа централа — водна турбина.

Електрическите двигатели, от друга страна, преобразуват електрическата енергия в механична. Следователно, за да работи двигателят, той трябва да бъде свързан с проводници към източник на електрическа енергия или, както се казва, включен в електрическата мрежа.

Принципът на действие на всяка електрическа машина се основава на използването на явленията на електромагнитна индукция и появата на електромагнитни сили по време на взаимодействието на проводници с ток и магнитно поле. Тези явления се извършва по време на работа както на генератора, така и на електродвигателя. Следователно те често говорят за генераторните и моторните режими на работа на електрическите машини.

При въртящите се електрически машини две основни части участват в процеса на преобразуване на енергията: котвата и индукторът със собствени намотки, които се движат една спрямо друга. Индукторът създава магнитно поле в колата. В намотката на котвата индуциран от e. с… и възниква електрически ток. Когато токът взаимодейства в намотката на котвата с магнитно поле, се създават електромагнитни сили, чрез които се реализира процесът на преобразуване на енергия в машината.

За изпълнението на процес на преобразуване на енергия в електрическа машина

Следните разпоредби произтичат от основните теореми за електрическата енергия на Поанкаре и Бархаузен:

1) директна реципрочна трансформация на механична и електрическа енергия е възможна само ако електрическата енергия е енергията на променлив електрически ток;

2) за осъществяването на процеса на такова преобразуване на енергия е необходимо системата от електрически вериги, предназначени за тази цел, да има или променяща се електрическа индуктивност, или променящ се електрически капацитет,

3) за да се преобразува енергията на променлив електрически ток в енергия на постоянен електрически ток, е необходимо системата от електрически вериги, предназначени за тази цел, да има променящо се електрическо съпротивление.

От първата позиция следва, че механичната енергия може да се преобразува в електрическа машина само в енергия на променлив електрически ток или обратно.

Привидното противоречие на това твърдение с факта на съществуването на електрически машини с постоянен ток се разрешава от факта, че в «машина с постоянен ток» имаме двустепенна конверсия на енергия.

Така че, в случай на генератор на електрически машини с постоянен ток, имаме машина, в която механичната енергия се преобразува в енергия на променлив ток и тази последна, поради наличието на специално устройство, представляващо „променящо се електрическо съпротивление“, се преобразува в енергия от постоянен ток.

В случай на електрическа машина процесът очевидно върви в обратна посока: енергията на постоянен електрически ток, подаван към електрическа машина, се преобразува посредством споменатото променливо съпротивление в енергия на променлив електрически ток, а последната в механична енергия.

Ролята на споменатото променящо се електрическо съпротивление се играе от „плъзгащия се електрически контакт“, който в конвенционална „машина за колектор с постоянен ток“ се състои от „четка за електрическа машина“ и „колектор за електрическа машина“, а в плъзгащи пръстени “.

Тъй като за да се създаде процес на преобразуване на енергия в електрическа машина, е необходимо в нея да има или „променяща се електрическа индуктивност“, или „променящ се електрически капацитет“, електрическа машина може да бъде направена или на принципа на електромагнитната индукция, или на принципа на електрическата индукция. В първия случай получаваме „индуктивна машина“, във втория — „капацитивна машина“.

Капацитетните машини все още нямат практическо значение. Използвани в промишлеността, в транспорта и в ежедневието, електрическите машини са индуктивни машини, зад които на практика се е вкоренило краткото наименование „електрическа машина“, което по същество е по -широко понятие.

Принципът на действие на електрически генератор.

Най -простият електрически генератор е контур, въртящ се в магнитно поле (фиг. 1, а). В този генератор завой 1 е намотката на котвата. Индукторът е постоянни магнити 2, между които котвата 3 се върти.

Ориз. 1. Схематични схеми на най -простия генератор (а) и електродвигател (б)

Когато бобината се върти с определена честота на въртене н неговите страни (проводници) пресичат магнитните силови линии на потока Ф и е се индуцира във всеки проводник. и т.н. с. д. С приетата на фиг. 1 и посоката на въртене на котвата e. и т.н. с. в проводника, разположен под южния полюс, според правилото на дясната ръка, е насочен далеч от нас, и e. и т.н. с. в проводник, разположен под Северния полюс — към нас.

Ако свържете приемник на електрическа енергия 4 към намотката на котвата, тогава през затворен кръг ще тече електрически ток I. В проводниците на намотката на котвата токът I ще бъде насочен по същия начин като e. и т.н. с. д.

Нека да разберем защо, за да се върти котвата в магнитно поле, е необходимо да се изразходва механична енергия, получена от дизелов двигател или турбина (първодвигател). Когато токът i преминава през проводници, разположени в магнитно поле, върху всеки проводник действа електромагнитна сила F.

С посоченото на фиг. 1, а посоката на тока според правилото на лявата ръка, силата F, насочена наляво, ще действа върху проводника, разположен под южния полюс, а силата F, насочена надясно, ще действа върху проводника, разположен под Северният полюс. Тези сили създават заедно електромагнитен момент М. по посока на часовниковата стрелка.

От преглед на фиг. 1, но се вижда, че електромагнитният момент М, който възниква, когато генераторът отделя електрическа енергия, е насочен в посока, обратна на въртенето на проводниците, следователно това е спирачен момент, който има тенденция да забави въртенето на котвата на генератора.

За да се предотврати спирането на котвата, е необходимо да се приложи външен въртящ момент Mvn към вала на котвата, противоположен на момента М и равен по величина на него. Като се вземат предвид триенето и други вътрешни загуби в машината, външният въртящ момент трябва да бъде по -голям от електромагнитния момент М, създаден от тока на натоварване на генератора.

Следователно, за да продължи нормалната работа на генератора, е необходимо да му се подава механична енергия отвън — да се върти арматурата му с всеки двигател 5.

При липса на товар (с отворена външна верига на генератора) генераторът е в режим на празен ход.В този случай се изисква само количеството механична енергия от дизела или турбината, което е необходимо за преодоляване на триенето и компенсиране на други вътрешни загуби на енергия в генератора.

С увеличаване на натоварването на генератора, тоест дадената от него електрическа мощност REL, токът I, преминаващ през проводниците на намотката на котвата, и спирачният момент М. турбини за продължаване на нормалната работа.

По този начин, колкото повече електрическа енергия се изразходва, например, от електродвигателите на дизелов локомотив от дизелов локомотивен генератор, толкова повече механична енергия отнема от въртящия го дизелов двигател и толкова повече гориво трябва да се подава към дизеловия двигател.

От условията на работа на електрическия генератор, разгледани по -горе, следва, че е характерно за него:

1. съвпадение по посока на тока i и e. и т.н. с. в проводниците на намотката на котвата. Това показва, че машината отделя електрическа енергия;

2. появата на електромагнитен спирачен момент M, насочен срещу въртенето на котвата. Това предполага необходимостта машина да получава механична енергия отвън.

Принципът на електрическия мотор.

По принцип електродвигателят е проектиран по същия начин като генератора. Най -простият електродвигател е завой 1 (фиг. 1, б), разположен върху котвата 3, който се върти в магнитното поле на полюси 2. Проводниците на завоя образуват намотка на котва.

Ако свържете бобината към източник на електрическа енергия, например към електрическа мрежа 6, тогава през всеки от нейните проводници ще започне да тече електрически ток I. Този ток, взаимодействащ с магнитното поле на полюсите, създава електромагнитни сили F .

С посоченото на фиг. 1б, посоката на тока върху проводника, разположен под южния полюс, ще се въздейства от силата F, насочена надясно, а силата F, насочена вляво, ще действа върху проводника, лежащ под северния полюс. В резултат на комбинираното действие на тези сили се създава електромагнитен въртящ момент М, насочен обратно на часовниковата стрелка, който задвижва котвата с проводника на въртене с определена честота н… Ако свържете арматурния вал към който и да е механизъм или устройство 7 (междуосие на дизелов локомотив или електрически локомотив, металорежещ инструмент и т.н.), тогава електродвигателят ще задвижи това устройство на въртене, тоест ще му даде механична енергия. В този случай външният момент MVN, създаден от това устройство, ще бъде насочен срещу електромагнитния момент М.

Нека разберем защо се консумира електрическа енергия, когато котвата на електродвигател, работещ под товар, се върти. Установено е, че когато арматурните проводници се въртят в магнитно поле, д се индуцира във всеки проводник. и т.н. с, чиято посока се определя според правилото на дясната ръка. Следователно, с посоченото на фиг. 1, b посока на въртене на e. и т.н. с. e, индуциран в проводника, разположен под южния полюс, ще бъде насочен далеч от нас, и e. и т.н. с. д, индуциран в проводника, разположен под северния полюс, ще бъде насочен към нас. Фиг. 1, б се вижда, че д. и т.н. с. Тоест, индуцираните във всеки проводник са насочени срещу тока i, тоест предотвратяват преминаването му през проводниците.

За да може токът да продължи да преминава през арматурните проводници в същата посока, тоест, така че електрическият мотор да продължи да работи нормално и да развива необходимия въртящ момент, е необходимо да се приложи външно напрежение U към тези проводници, насочени към e. и т.н. с. и по -голям от общия e. и т.н. с. E индуциран във всички последователно свързани проводници на намотката на котвата. Следователно е необходимо да се подава електрическа енергия към електродвигателя от мрежата.

При липса на товар (външен спирачен момент, приложен към вала на двигателя), електродвигателят консумира малко количество електрическа енергия от външен източник (мрежа) и през него преминава малък ток на празен ход. Тази енергия се използва за покриване на вътрешните загуби на мощност в машината.

С увеличаването на натоварването се увеличава токът, консумиран от електродвигателя, и електромагнитният въртящ момент, който той развива. Следователно, увеличаването на механичната енергия, отделяна от електродвигателя с увеличаване на натоварването, автоматично води до увеличаване на електроенергията, която поема от източника.

От разгледаните по -горе условия на работа на електродвигателя следва, че той е характерен за него:

1. съвпадение по посока на електромагнитния момент М и скорост н. Това характеризира връщането на механичната енергия от машината;

2. появата в проводниците на намотката на котвата e. и т.н., насочени срещу тока i и външното напрежение U. Това предполага необходимостта машината да получава електрическа енергия отвън.

Принципът на обратимост на електрическите машини

Като се има предвид принципът на действие на генератор и електродвигател, установихме, че те са подредени по същия начин и че има много общо в основата на работата на тези машини.

Процесът на преобразуване на механичната енергия в електрическа енергия в генератора и електрическата енергия в механична енергия в двигателя е свързан с индуцирането на ЕРС. и т.н. с. в проводниците на намотката на котвата, въртящи се в магнитно поле и възникването на електромагнитни сили в резултат на взаимодействието на магнитното поле и проводниците с ток.

Разликата между генератор и електродвигател е само във взаимната посока на e. г. с, ток, електромагнитен въртящ момент и скорост.

Обобщавайки разглежданите процеси на работа на генератора и електродвигателя, е възможно да се установи принцип на обратимост на електрическите машини… Според този принцип всяка електрическа машина може да работи като генератор и електродвигател и да превключва от режим генератор в режим на двигател и обратно.

Ориз. 2. Посока на д. и т.н. с. E, ток I, честота на въртене на котвата н и електромагнитен момент M по време на работа на електрическа машина с постоянен ток в режими двигател (а) и генератор (б)

За да изясните тази ситуация, помислете за работата Електрическа машина с постоянен ток при различни условия. Ако външното напрежение U е по -голямо от общото e. и т.н. с. Д. във всички последователно свързани проводници на намотката на котвата, тогава токът I ще тече в този, посочен на фиг. 2, а посоката и машината ще работят като електродвигател, като консумират електрическа енергия от мрежата и раздават механична енергия.

Ако обаче по някаква причина e. и т.н. с. E става по -голямо от външното напрежение U, тогава токът I в намотката на котвата ще промени посоката си (фиг. 2, б) и ще съвпадне с e. и т.н. с. Д. В този случай посоката на електромагнитния момент М също ще се промени, което ще бъде насочено срещу честотата на въртене н… Съвпадение в посока д. и т.н. с. E и ток I означава, че машината е започнала да дава електрическа енергия на мрежата, а появата на спирачен електромагнитен момент M показва, че тя трябва да консумира механична енергия отвън.

Следователно, когато д. и т.н. с. E, индуцирано в проводниците на намотката на котвата, става по -голямо от мрежовото напрежение U, машината превключва от режим на работа на двигателя към режим на генератор, тоест когато E < U машината работи като двигател, с E> U — като генератор.

Прехвърлянето на електрическа машина от режим на двигател в режим на генератор може да се извърши по различни начини: чрез намаляване на напрежението U на източника, към който е свързана намотката на котвата, или чрез увеличаване на e. и т.н. с. E в намотката на котвата.