Energiaátalakítási folyamat elektromos gépekben

Az elektromos gépeket rendeltetésük szerint két fő típusra osztják: elektromos generátorok és villanymotorok... A generátorok elektromos áram előállítására szolgálnak, a villanymotorok pedig mozdonyok kerékpárjainak meghajtására, ventilátorok, kompresszorok tengelyeinek forgatására, stb.

Az elektromos gépekben energiaátalakítási folyamat megy végbe. A generátorok a mechanikai energiát elektromos energiává alakítják. Ez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy a generátor működjön, meg kell forgatni a tengelyét valamilyen motorral. Dízelmozdonyon például a generátort dízelmotor hajtja meg, hőerőműben gőzturbina, vízierőműről — vízturbináról.

Az elektromos motorok viszont az elektromos energiát mechanikai energiává alakítják. Ezért ahhoz, hogy a motor működjön, vezetékekkel kell csatlakoztatni egy elektromos energiaforráshoz, vagy, ahogy mondják, csatlakoztatni kell az elektromos hálózathoz.

Bármely elektromos gép működési elve az elektromágneses indukció jelenségeinek felhasználásán és az elektromágneses erők megjelenésén alapul a vezetékek árammal és mágneses mezővel való kölcsönhatása során. Ezek a jelenségek mind a generátor, mind a villanymotor működése közben történik. Ezért gyakran beszélnek az elektromos gépek generátoros és motoros működési módjáról.

A forgó elektromos gépeknél az energiaátalakítási folyamatban két fő rész vesz részt: az armatúra és az induktor saját tekercsekkel, amelyek egymáshoz képest mozognak. Az induktor mágneses teret hoz létre az autóban. Az armatúra tekercsben által kiváltott e. val vel…és elektromos áram keletkezik. Amikor az áram az armatúra tekercsében mágneses térrel kölcsönhatásba lép, elektromágneses erők jönnek létre, amelyek révén a gépben az energiaátalakítási folyamat megvalósul.

Energiaátalakítási folyamat végzéséhez elektromos gépben

A következő rendelkezések Poincaré és Barhausen elektromos energia alapvető tételeiből származnak:

1) a mechanikai és elektromos energia közvetlen reciprok átalakítása csak akkor lehetséges, ha az elektromos energia a váltakozó elektromos áram energiája;

2) az ilyen energiaátalakítási folyamat megvalósításához az szükséges, hogy az erre a célra szolgáló elektromos áramkörök rendszere változó elektromos induktivitású vagy változó elektromos kapacitású legyen,

3) a váltakozó elektromos áram energiájának egyenáramú energiává alakításához szükséges, hogy az erre a célra kialakított elektromos áramkörök rendszere változó elektromos ellenállású legyen.

Az első pozícióból következik, hogy a mechanikai energia egy elektromos gépben csak váltakozó áramú energiává alakítható át, vagy fordítva.

Ennek az állításnak a látszólagos ellentmondását az egyenáramú elektromos gépek létezésének tényével feloldja az a tény, hogy egy "egyenáramú gépben" kétlépcsős energiaátalakítás van.

Tehát egy egyenáramú elektromos gépgenerátornál van egy olyan gépünk, amelyben a mechanikai energiát váltakozó áramú energiává alakítják, és ez utóbbi egy speciális, "változó elektromos ellenállást" képviselő eszköz jelenléte miatt energiává alakítja. egyenáramból.

Egy elektromos gép esetében a folyamat nyilvánvalóan ellentétes irányba megy: a villamos gépet betáplált egyenáram energiája az említett változtatható ellenállás segítségével váltakozó áramú, ez utóbbi pedig mechanikai energiává alakul.

Az említett változó elektromos ellenállás szerepét a "csúszó elektromos érintkező" tölti be, amely egy hagyományos "egyenáramú kollektorgépben" egy "elektromos gépkeféből" és egy "elektromos gépkollektorból", valamint csúszógyűrűkből áll.

Mivel egy elektromos gépben energiaátalakítási folyamat létrehozásához vagy "változó elektromos induktivitás" vagy "változó elektromos kapacitás" szükséges, az elektromos gép vagy elektromágneses indukció elvén, vagy az elektromos indukció elve. Az első esetben "induktív gépet" kapunk, a másodikban "kapacitív gépet".

A kapacitásgépeknek még mindig nincs gyakorlati jelentősége.Az iparban, a közlekedésben és a mindennapi életben használt elektromos gépek induktív gépek, amelyek mögé a gyakorlatban az "elektromos gép" rövid elnevezés honosodott meg, ami lényegében tágabb fogalom.

Az elektromos generátor működési elve.

A legegyszerűbb elektromos generátor egy mágneses térben forgó hurok (1. ábra, a). Ebben a generátorban az 1. fordulat az armatúra tekercselése. Az induktor 2 állandó mágnesek, amelyek között a 3 armatúra forog.

Rizs. 1. A legegyszerűbb generátor (a) és villanymotor (b) sematikus diagramja

Amikor a tekercs bizonyos n forgási frekvenciával forog, oldalai (vezetői) keresztezik a Ф fluxus mágneses erővonalait, és e indukálódik mindegyik vezetőben. stb. s. d. Az 1. ábrán átvett változattal. 1. ábra és az armatúra forgásiránya e. stb. c) a déli pólus alatt elhelyezkedő vezetékben a jobbkéz szabály szerint tőlünk távolabb van irányítva, és pl. stb. v. az Északi-sark alatt elhelyezkedő vezetékben - felénk.

Ha az armatúra tekercsére 4 elektromos energia vevőt csatlakoztatunk, akkor zárt áramkörön keresztül I elektromos áram fog átfolyni. Az armatúra tekercs vezetékeiben az I áram ugyanúgy lesz irányítva, mint az e. stb. SD.

Értsük meg, hogy az armatúra mágneses térben történő forgatásához miért kell dízelmotorból vagy turbinából (primer motor) nyert mechanikai energiát elkölteni. Amikor az i áram a mágneses térben elhelyezkedő vezetékeken folyik, minden vezetékre F elektromágneses erő hat.

ábrán jelzettekkel. 1, és az áram iránya a balkéz szabály szerint, a balra ható F erő a déli pólus alatti vezetőre, a jobbra irányú F erő pedig a bal oldali vezetőre hat. Északi sark.Ezek az erők együttesen M. elektromágneses nyomatékot hoznak létre az óramutató járásával megegyező irányban.

ábra vizsgálatából. ábrán látható, de látható, hogy a generátor elektromos energiájának kibocsátásakor fellépő M elektromágneses nyomaték a vezetékek forgásával ellentétes irányban irányul, ezért olyan fékezőnyomatékról van szó, amely lassítja a generátor forgását. generátor armatúra.

A horgony elakadásának megakadályozása érdekében külső Mvn nyomatékot kell alkalmazni az armatúra tengelyére, amely az M nyomatékkal ellentétes és azzal egyenlő nagyságú. Figyelembe véve a gép súrlódását és egyéb belső veszteségeit, a külső nyomatéknak nagyobbnak kell lennie, mint a generátor terhelési árama által létrehozott M elektromágneses nyomaték.

Ezért a generátor normál működésének folytatásához kívülről mechanikai energiával kell ellátni - minden 5 motorral el kell forgatni az armatúrát.

Terhelés nélkül (nyitott külső generátor áramkör mellett) a generátor üresjáratban van, ebben az esetben csak a dízelből vagy a turbinából származó mechanikai energia mennyisége szükséges a súrlódás leküzdéséhez és a generátor egyéb belső energiaveszteségének kompenzálásához.

A generátor terhelésének, vagyis az általa adott REL elektromos teljesítmény növekedésével az armatúra tekercselés vezetékein áthaladó I áram és az M fékezőnyomaték a turbinák normál működését folytatják.

Így minél több elektromos energiát fogyasztanak el például egy dízelmozdony elektromos motorjai egy dízelmozdony generátorból, annál több mechanikai energiát vesz el az azt forgató dízelmotor, és annál több üzemanyagot kell a dízelmotorba juttatni. .

Az elektromos generátor fentebb megvizsgált működési feltételeiből az következik, hogy jellemző rá:

1. illesztés az i és e áram irányában. stb. v. az armatúra tekercsének vezetékeiben. Ez azt jelzi, hogy a gép elektromos energiát szabadít fel;

2. az armatúra forgása ellen irányuló M elektromágneses fékezőnyomaték megjelenése. Ez azt jelenti, hogy a gépnek kívülről kell mechanikai energiát kapnia.

Az elektromos motor elve.

Elvileg az elektromos motort ugyanúgy tervezték, mint a generátort. A legegyszerűbb villanymotor a 3 armatúrán található 1 menet (1. ábra, b), amely a 2 pólusok mágneses terében forog. A fordulat vezetői egy armatúra tekercset alkotnak.

Ha a tekercset egy elektromos energiaforráshoz csatlakoztatja, például egy elektromos hálózathoz 6, akkor minden vezetékén elektromos áram fog áramlani I. Ez az áram a pólusok mágneses mezőjével kölcsönhatásba lépve elektromágneses erőt hoz létre. erők F .

ábrán jelzettekkel. Az 1b. ábrán látható, hogy a déli pólus alatt elhelyezkedő vezetőn az áram irányát a jobbra irányuló F erő, a balra irányuló F erő pedig az északi pólus alatt lévő vezetőre hat. Ezen erők együttes hatásának eredményeként az óramutató járásával ellentétes irányú M elektromágneses nyomaték jön létre, amely az armatúrát a huzallal egy bizonyos n frekvenciájú forgásra hajtja... Ha az armatúra tengelyét bármilyen mechanizmushoz vagy eszközhöz csatlakoztatja 7 ( dízelmozdony vagy elektromos mozdony középtengelye, fémvágó szerszám stb.), akkor a villanymotor ezt az eszközt forgatni fogja, azaz mechanikai energiát ad neki.Ebben az esetben az eszköz által létrehozott MVN külső nyomaték az M elektromágneses nyomaték ellen irányul.

Értsük meg, miért fogyasztanak elektromos energiát, amikor a terhelés alatt működő villanymotor armatúrája forog. Azt találták, hogy amikor az armatúra vezetékei mágneses térben forognak, minden vezetékben e indukálódik. stb. -vel, melynek irányát a jobbkéz szabály szerint határozzuk meg. Ezért az ábrán jelzettekkel. 1, b e forgásiránya. stb. c) a déli pólus alatti vezetőben indukált e tőlünk el lesz irányítva, és e. stb. Az északi pólus alatti vezetőben indukált s. e felénk irányul. Ábra. 1, b látható, hogy e. stb. c) Ez azt jelenti, hogy az egyes vezetőkben indukáltak az i áram ellen irányulnak, azaz megakadályozzák annak áthaladását a vezetőkön.

Annak érdekében, hogy az áram továbbra is ugyanabban az irányban folyhasson át az armatúra vezetékein, vagyis hogy a villanymotor továbbra is normálisan működjön és a szükséges nyomatékot kifejlessze, ezekre a vezetékekre külső U feszültséget kell alkalmazni, e. stb. c és nagyobb, mint az általános e. stb. c) E indukálva az armatúra tekercs összes sorba kapcsolt vezetékében. Ezért az elektromos motort a hálózatról kell villamos energiával ellátni.

Terhelés hiányában (a motor tengelyére kifejtett külső fékezőnyomaték) a villanymotor kis mennyiségű elektromos energiát fogyaszt külső forrásból (hálózatból), és alapjáraton kis áram folyik rajta. Ez az energia a gép belső teljesítményveszteségének fedezésére szolgál.

A terhelés növekedésével az elektromos motor által felvett áramerősség és az általa kialakított elektromágneses nyomaték is növekszik. Ezért az elektromos motor által felszabaduló mechanikai energia növekedése a terhelés növekedésével automatikusan a forrásból felvett elektromosság növekedéséhez vezet.

Az elektromos motor fentebb tárgyalt működési körülményeiből az következik, hogy jellemző rá:

1. egybeesés az M elektromágneses nyomaték és az n sebesség irányában Ez jellemzi a mechanikai energia visszatérését a gépből;

2. az armatúra tekercsének megjelenése a vezetékekben e. stb., amelyek az i áram és az U külső feszültség ellen irányulnak. Ez azt jelenti, hogy a gépnek kívülről kell elektromos energiát kapnia.

Az elektromos gépek megfordíthatóságának elve

Figyelembe véve a generátor és a villanymotor működési elvét, azt találtuk, hogy ezek egyformán vannak elrendezve, és sok közös van e gépek működésének alapjában.

A mechanikai energia elektromos energiává alakításának folyamata a generátorban és elektromos energiává mechanikai energiává alakítása a motorban az EMF indukciójához kapcsolódik. stb. pp. az armatúra tekercsének mágneses térben forgó vezetékeiben és a mágneses tér és az áramot vezető vezetékek kölcsönhatása következtében fellépő elektromágneses erők fellépése.

A generátor és a villanymotor közötti különbség csak az e kölcsönös irányában van. d) árammal, elektromágneses nyomatékkal és fordulatszámmal.

Összefoglalva a figyelembe vett generátor- és villanymotoros működési folyamatokat, megállapítható az elektromos gépek megfordíthatóságának elve... Ezen elv szerint bármely elektromos gép működhet generátorként és villanymotorként, és válthat generátor üzemmódból motoros üzemmódba. és fordítva.

Rizs. 2. Az e. iránya stb. E-vel, I árammal, armatúra n forgási frekvenciával és M elektromágneses nyomatékkal az egyenáramú elektromos gép motor (a) és generátor (b) üzemmódban történő működése közben

A helyzet tisztázása érdekében fontolja meg a munkát Egyenáramú elektromos gép különböző feltételek mellett. Ha az U külső feszültség nagyobb, mint a teljes e. stb. v. D. az armatúra tekercs összes sorba kapcsolt vezetékében, akkor az I áram az ábrán látható módon fog folyni. 2, az irány és a gép pedig elektromos motorként fog működni, elektromos energiát fogyasztva a hálózatból és mechanikai energiát adva ki.

Ha azonban valamilyen okból pl. stb. c) E nagyobb lesz, mint az U külső feszültség, akkor az armatúra tekercsben lévő I áram iránya megváltozik (2. ábra, b) és egybeesik e-vel. stb. v. D. Ebben az esetben az M elektromágneses nyomaték iránya is megváltozik, ami az n forgási frekvencia ellen irányul... Egybeesés d. irányban stb. E-vel és áramerősséggel I azt jelenti, hogy a gép elkezdett elektromos energiát adni a hálózatnak, és az M fékező elektromágneses nyomaték megjelenése azt jelzi, hogy kívülről kell mechanikai energiát fogyasztania.

Ezért amikor e. stb. val velAz armatúra tekercselés vezetékeiben indukált E nagyobb lesz, mint az U hálózati feszültség, a gép motoros üzemmódból generátor üzemmódba kapcsol, vagyis amikor E < U a gép motorként működik, E> U-val — mint egy generátor.

Az elektromos gép motoros üzemmódból generátor üzemmódba történő átvitele többféleképpen történhet: annak a forrásnak az U feszültségének csökkentésével, amelyre az armatúra tekercselése csatlakozik, vagy e növelésével. stb. E-vel az armatúra tekercsben.