Procesul de conversie a energiei în mașini electrice

Mașinile electrice sunt împărțite în funcție de scop în două tipuri principale: generatoare electrice și motoare electrice... Generatoarele sunt concepute pentru a genera energie electrică, iar motoarele electrice sunt concepute pentru a antrena perechi de roți ale locomotivelor, arborii de rotire a ventilatoarelor, compresoarelor etc.

Un proces de conversie a energiei are loc în mașinile electrice. Generatoarele transformă energia mecanică în energie electrică. Aceasta înseamnă că, pentru ca generatorul să funcționeze, trebuie să-i rotești arborele cu un fel de motor. Pe o locomotivă diesel, de exemplu, un generator este antrenat în rotație de un motor diesel, pe o centrală termică de o turbină cu abur, a unei centrale hidroelectrice — o turbină cu apă.

Motoarele electrice, pe de altă parte, transformă energia electrică în energie mecanică. Prin urmare, pentru ca motorul să funcționeze, acesta trebuie să fie conectat prin fire la o sursă de energie electrică sau, după cum se spune, conectat la rețeaua electrică.

Principiul de funcționare al oricărei mașini electrice se bazează pe utilizarea fenomenelor de inducție electromagnetică și apariția forțelor electromagnetice în timpul interacțiunii firelor cu un curent și un câmp magnetic. Aceste fenomene se realizează atât în ​​timpul funcționării generatorului cât și a motorului electric. Prin urmare, ei vorbesc adesea despre modul de funcționare generator și motor al mașinilor electrice.

În mașinile electrice rotative, în procesul de conversie a energiei sunt implicate două părți principale: armătura și inductorul cu propriile înfășurări care se mișcă unul față de celălalt. Inductorul creează un câmp magnetic în mașină. În înfăşurarea armăturii indus de e. cu… și apare un curent electric. Când curentul interacționează în înfășurarea armăturii cu un câmp magnetic, se creează forțe electromagnetice, prin care se realizează procesul de conversie a energiei în mașină.

Pentru efectuarea unui proces de conversie a energiei într-o mașină electrică

Următoarele prevederi derivă din teoremele fundamentale ale energiei electrice ale lui Poincaré și Barhausen:

1) transformarea reciprocă directă a energiei mecanice și electrice este posibilă numai dacă energia electrică este energia curentului electric alternativ;

2) pentru implementarea procesului de conversie a energiei, este necesar ca sistemul de circuite electrice destinat în acest scop să aibă fie o inductanță electrică în schimbare, fie o capacitate electrică în schimbare,

3) pentru a transforma energia unui curent electric alternativ în energia unui curent electric continuu este necesar ca sistemul de circuite electrice proiectat în acest scop să aibă o rezistență electrică variabilă.

Din prima poziție rezultă că energia mecanică poate fi convertită într-o mașină electrică doar în energie de curent electric alternativ sau invers.

Aparenta contradicție a acestei afirmații cu faptul existenței mașinilor electrice cu curent continuu se rezolvă prin faptul că într-o „mașină cu curent continuu” avem o conversie a energiei în două etape.

Deci, în cazul unui generator de mașini electrice de curent continuu, avem o mașină în care energia mecanică este transformată în energie de curent alternativ iar aceasta din urmă, datorită prezenței unui dispozitiv special reprezentând „rezistență electrică variabilă”, este transformată în energie. din curent continuu.

În cazul unei mașini electrice, procesul merge în mod evident în direcția opusă: energia curentului electric continuu furnizată unei mașini electrice este convertită prin intermediul rezistenței variabile menționate în energie de curent electric alternativ, iar aceasta din urmă în energie mecanică.

Rolul rezistenței electrice modificate menționate este jucat de „contact electric de alunecare”, care într-o „mașină de colectare DC” convențională constă dintr-o „perie de mașină electrică” și un „colector de mașină electrică”, și în inele colectoare „.

Întrucât pentru a crea un proces de conversie a energiei într-o mașină electrică, este necesar să existe fie „inductanță electrică variabilă”, fie „capacitate electrică variabilă”, o mașină electrică poate fi realizată fie pe principiul inducției electromagnetice, fie pe principiul inducției electrice. În primul caz obținem o „mașină inductivă”, în al doilea – o „mașină capacitivă”.

Mașinile de capacitate nu au încă nicio importanță practică.Folosite în industrie, în transport și în viața de zi cu zi, mașinile electrice sunt mașini inductive, în spatele cărora în practică a prins rădăcină denumirea scurtă de „mașină electrică”, care este în esență un concept mai larg.

Principiul de funcționare a unui generator electric.

Cel mai simplu generator electric este o buclă care se rotește într-un câmp magnetic (Fig. 1, a). În acest generator, tura 1 este înfășurarea armăturii. Inductorul sunt magneți permanenți 2, între care se rotește armătura 3.

Orez. 1. Scheme schematice ale celui mai simplu generator (a) și motor electric (b)

Când bobina se rotește cu o anumită frecvență de rotație n, laturile sale (conductoarele) traversează liniile de câmp magnetic ale fluxului Ф și e este indus în fiecare conductor. etc. s. d. Cu cele adoptate în fig. 1 și sensul de rotație al armăturii e. etc. c. în conductorul situat sub polul sudic, după regula mâinii drepte, este îndreptat departe de noi, iar e. etc. v. într-un fir situat sub Polul Nord – spre noi.

Dacă conectați un receptor de energie electrică 4 la înfășurarea armăturii, atunci un curent electric I va circula printr-un circuit închis.În firele înfășurării armăturii, curentul I va fi direcționat în același mod ca e. etc. s. d.

Să înțelegem de ce, pentru a roti armătura într-un câmp magnetic, este necesară cheltuirea energiei mecanice obținute de la un motor diesel sau o turbină (motor principal). Când curentul i circulă prin fire situate într-un câmp magnetic, asupra fiecărui fir acţionează o forţă electromagnetică F.

Cu cele indicate în fig. 1, iar direcția curentului conform regulii stângii, forța F îndreptată spre stânga va acționa asupra conductorului situat sub Polul Sud, iar forța F îndreptată spre dreapta va acționa asupra conductorului situat sub Polul Nord.Aceste forțe împreună creează un moment electromagnetic M. în sensul acelor de ceasornic.

Dintr-o examinare a fig. 1, dar se poate observa că momentul electromagnetic M, care apare atunci când generatorul emite energie electrică, este îndreptat în sens opus rotației firelor, prin urmare este un moment de frânare care tinde să încetinească rotația armatura generatorului.

Pentru a preveni blocarea ancorei, este necesar să se aplice un cuplu extern Mvn arborelui armăturii, opus și egal ca mărime cu momentul M. Luând în considerare frecarea și alte pierderi interne din mașină, cuplul extern trebuie să fie mai mare decât momentul electromagnetic M creat de curentul de sarcină a generatorului.

Prin urmare, pentru a continua funcționarea normală a generatorului, este necesar să-l alimenteze cu energie mecanică din exterior - să-și rotească armătura cu fiecare motor 5.

Fără sarcină (cu circuitul generatorului extern deschis), generatorul este în modul inactiv.În acest caz, este necesară doar cantitatea de energie mecanică din motorină sau turbină pentru a depăși frecarea și a compensa alte pierderi interne de energie din generator.

Cu o creștere a sarcinii generatorului, adică a puterii electrice REL dată de acesta, curentul I care trece prin firele înfășurării armăturii și cuplul de frânare M. turbinele pentru a continua funcționarea normală.

Astfel, cu cât este consumată mai multă energie electrică, de exemplu, de motoarele electrice ale unei locomotive diesel de la un generator de locomotivă diesel, cu atât este nevoie de mai multă energie mecanică de la motorul diesel care o rotește și cu atât trebuie furnizat mai mult combustibil motorului diesel. .

Din condițiile de funcționare ale generatorului electric, considerate mai sus, rezultă că este caracteristic acestuia:

1. potrivirea în direcția curentului i și e. etc. v. în firele înfăşurării armăturii. Aceasta indică faptul că mașina eliberează energie electrică;

2. apariţia unui moment electromagnetic de frânare M îndreptat împotriva rotaţiei armăturii. Aceasta implică necesitatea ca o mașină să primească energie mecanică din exterior.

Principiul motorului electric.

În principiu, motorul electric este proiectat în același mod ca și generatorul. Cel mai simplu motor electric este o spire 1 (Fig. 1, b), situată pe armătura 3, care se rotește în câmpul magnetic al polilor 2. Conductorii spirei formează o înfășurare a armăturii.

Dacă conectați bobina la o sursă de energie electrică, de exemplu, la o rețea electrică 6, atunci un curent electric I va începe să curgă prin fiecare dintre firele sale.Acest curent, interacționând cu câmpul magnetic al polilor, creează electromagnetice. forțele F.

Cu cele indicate în fig. 1b, direcția curentului pe conductorul situat sub polul sud va fi afectată de forța F îndreptată spre dreapta, iar forța F îndreptată spre stânga va acționa asupra conductorului situat sub polul nord. Ca urmare a acțiunii combinate a acestor forțe, se creează un cuplu electromagnetic M îndreptat în sens invers acelor de ceasornic, care antrenează armătura cu firul să se rotească cu o anumită frecvență n... Dacă conectați arborele armăturii la orice mecanism sau dispozitiv 7 ( axa centrală a unei locomotive diesel sau a unei locomotive electrice, unealtă de tăiere a metalelor etc.), atunci motorul electric va pune acest dispozitiv în rotație, adică îi va da energie mecanică.În acest caz, momentul extern MVN creat de acest dispozitiv va fi îndreptat împotriva momentului electromagnetic M.

Să înțelegem de ce se consumă energie electrică atunci când armătura unui motor electric care funcționează sub sarcină se rotește. S-a constatat că atunci când firele armăturii se rotesc într-un câmp magnetic, e este indusă în fiecare fir. etc. cu, a cărui direcție este determinată după regula mâinii drepte. Prin urmare, cu cele indicate în fig. 1, b sensul de rotație al lui e. etc. c. e indus în conductorul situat sub polul sud va fi îndreptat departe de noi, iar e. etc. s. e indus în conductorul situat sub polul nord se va îndrepta spre noi. Smochin. 1, b se vede că e., etc. c. Adică indușii în fiecare conductor sunt direcționați împotriva curentului i, adică împiedică trecerea acestuia prin conductori.

Pentru ca curentul să continue să circule prin firele armăturii în aceeași direcție, adică astfel încât motorul electric să continue să funcționeze normal și să dezvolte cuplul necesar, este necesar să se aplice o tensiune externă U acestor fire direcționate către e. etc. c. şi mai mare decât generalul e. etc. c. E indus în toate firele conectate în serie ale înfăşurării armăturii. Prin urmare, este necesară alimentarea cu energie electrică a motorului electric din rețea.

În absența sarcinii (cuplul de frânare extern aplicat arborelui motorului), motorul electric consumă o cantitate mică de energie electrică de la o sursă externă (rețea) și un curent mic circulă prin el la ralanti. Această energie este utilizată pentru a acoperi pierderile interne de putere din mașină.

Pe măsură ce sarcina crește, crește și curentul consumat de motorul electric și cuplul electromagnetic pe care îl dezvoltă. Prin urmare, o creștere a energiei mecanice eliberate de motorul electric pe măsură ce sarcina crește, duce automat la o creștere a energiei electrice pe care o extrage de la sursă.

Din condițiile de funcționare ale motorului electric discutate mai sus, rezultă că este caracteristic acestuia:

1. coincidenta in directia momentului electromagnetic M si a vitezei n. Aceasta caracterizeaza revenirea energiei mecanice din masina;

2. apariţia în firele înfăşurării armăturii e. etc.dirijate împotriva curentului i şi tensiunii externe U. Aceasta implică necesitatea ca maşina să primească energie electrică din exterior.

Principiul reversibilității mașinilor electrice

Având în vedere principiul de funcționare al unui generator și al unui motor electric, am constatat că acestea sunt dispuse în același mod și că există multe în comun în baza funcționării acestor mașini.

Procesul de conversie a energiei mecanice în energie electrică în generator și a energiei electrice în energie mecanică în motor este legat de inducerea EMF. etc. pp. în firele înfășurării armăturii care se rotesc în câmp magnetic și apariția forțelor electromagnetice ca urmare a interacțiunii câmpului magnetic cu firele purtătoare de curent.

Diferența dintre un generator și un motor electric este doar în direcția reciprocă a lui e. d. cu curent, cuplu electromagnetic și viteză.

Rezumând procesele considerate de funcționare a generatorului și a motorului electric, se poate stabili un principiu de reversibilitate a mașinilor electrice... Conform acestui principiu, orice mașină electrică poate funcționa ca generator și motor electric și poate trece de la modul generator la modul motor. si invers.

Orez. 2. Direcția e. etc. cu E, curent I, frecvența de rotație a armăturii n și momentul electromagnetic M în timpul funcționării unei mașini electrice cu curent continuu în modurile motor (a) și generator (b)

Pentru a clarifica această situație, luați în considerare munca Mașină electrică cu curent continuu in conditii diferite. Dacă tensiunea externă U este mai mare decât e totală. etc. v. D. în toate firele conectate în serie ale înfăşurării armăturii, atunci curentul I va circula în cel indicat în fig. 2, iar direcția și mașina vor funcționa ca un motor electric, consumând energie electrică din rețea și eliberând energie mecanică.

Cu toate acestea, dacă din anumite motive e. etc. c. E devine mai mare decât tensiunea externă U, atunci curentul I din înfășurarea armăturii își va schimba direcția (Fig. 2, b) și coincide cu e. etc. v. D. În acest caz se va modifica și direcția momentului electromagnetic M care va fi îndreptată împotriva frecvenței de rotație n... Coincidență în direcția d. etc. cu E și curent I înseamnă că mașina a început să dea energie electrică rețelei, iar apariția unui moment electromagnetic de frânare M indică faptul că trebuie să consume energie mecanică din exterior.

Prin urmare, când e. etc. cuE indusă în firele înfășurării armăturii devine mai mare decât tensiunea de rețea U, mașina trece din modul de funcționare a motorului în modul generator, adică atunci când E < U mașina funcționează ca motor, cu E> U — ca un generator.

Transferul unei mașini electrice din modul motor în modul generator se poate face în diferite moduri: prin reducerea tensiunii U a sursei la care este conectată înfășurarea armăturii sau prin creșterea e. etc. cu E în înfăşurarea armăturii.