Energieomzettingsproces in elektrische machines

Elektrische machines zijn doelbewust onderverdeeld in twee hoofdtypen: elektrische generatoren en elektromotoren... Generatoren zijn ontworpen om elektrische stroom op te wekken, en elektromotoren zijn ontworpen om paren wielen van locomotieven aan te drijven, assen van ventilatoren, compressoren, enz. te laten draaien.

In elektrische machines vindt een energieomzettingsproces plaats. Generatoren zetten mechanische energie om in elektrische energie. Dit betekent dat om de generator te laten werken, u de as met een soort motor moet laten draaien. Op een diesellocomotief wordt bijvoorbeeld een generator in rotatie aangedreven door een dieselmotor, op een warmtekrachtcentrale door een stoomturbine, van een waterkrachtcentrale — een waterturbine.

Elektromotoren daarentegen zetten elektrische energie om in mechanische energie. Om de motor te laten werken, moet hij daarom met draden worden aangesloten op een bron van elektrische energie, of, zoals ze zeggen, op het elektriciteitsnet worden aangesloten.

Het werkingsprincipe van elke elektrische machine is gebaseerd op het gebruik van de verschijnselen van elektromagnetische inductie en het verschijnen van elektromagnetische krachten tijdens de interactie van draden met een stroom en een magnetisch veld. Deze verschijnselen wordt uitgevoerd tijdens de werking van zowel de generator als de elektromotor. Daarom praten ze vaak over de generator- en motormodi van elektrische machines.

Bij roterende elektrische machines zijn twee hoofdonderdelen betrokken bij het energieomzettingsproces: het anker en de inductor met zijn eigen wikkelingen die ten opzichte van elkaar bewegen. De inductor creëert een magnetisch veld in de auto. In de ankerwikkeling geïnduceerd door e. met… en er ontstaat een elektrische stroom. Wanneer de stroom in de ankerwikkeling interageert met een magnetisch veld, worden elektromagnetische krachten gecreëerd, waardoor het energieomzettingsproces in de machine wordt gerealiseerd.

Voor het uitvoeren van een energieomzettingsproces in een elektrische machine

De volgende bepalingen zijn afgeleid van de fundamentele stellingen van elektrische energie van Poincaré en Barhausen:

1) directe wederzijdse transformatie van mechanische en elektrische energie is alleen mogelijk als de elektrische energie de energie is van elektrische wisselstroom;

2) voor de implementatie van het proces van een dergelijke energieomzetting is het noodzakelijk dat het systeem van elektrische circuits dat voor dit doel is bedoeld een veranderende elektrische inductantie of een veranderende elektrische capaciteit heeft,

3) om de energie van een elektrische wisselstroom om te zetten in de energie van een elektrische gelijkstroom, is het noodzakelijk dat het hiervoor ontworpen systeem van elektrische circuits een veranderende elektrische weerstand heeft.

Uit de eerste positie volgt dat mechanische energie in een elektrische machine alleen kan worden omgezet in elektrische wisselstroomenergie of vice versa.

De schijnbare tegenstrijdigheid van deze bewering met het feit van het bestaan ​​van elektrische gelijkstroommachines wordt opgelost door het feit dat we in een "gelijkstroommachine" een tweetraps omzetting van energie hebben.

Dus, in het geval van een gelijkstroom elektrische machinegenerator, hebben we een machine waarin mechanische energie wordt omgezet in wisselstroomenergie en de laatste, vanwege de aanwezigheid van een speciaal apparaat dat "variabele elektrische weerstand" vertegenwoordigt, wordt omgezet in energie uit gelijkstroom.

In het geval van een elektrische machine gaat het proces uiteraard in de tegenovergestelde richting: de energie van elektrische gelijkstroom die aan een elektrische machine wordt toegevoerd, wordt door middel van genoemde variabele weerstand omgezet in energie van wisselende elektrische stroom, en deze laatste in mechanische energie.

De rol van de genoemde veranderende elektrische weerstand wordt gespeeld door het "glijdende elektrische contact", dat in een conventionele "DC-collectormachine" bestaat uit een "elektrische machineborstel" en een "elektrische machinecollector", en in sleepringen ".

Aangezien om een ​​energieomzettingsproces in een elektrische machine te creëren, het noodzakelijk is om ofwel "variabele elektrische inductantie" of "variabele elektrische capaciteit" erin te hebben, kan een elektrische machine worden gemaakt op basis van het principe van elektromagnetische inductie, of op het principe van elektrische inductie. In het eerste geval krijgen we een "inductieve machine", in het tweede - een "capacitieve machine".

Capaciteitsmachines zijn nog steeds van geen praktisch belang.Gebruikt in de industrie, in het transport en in het dagelijks leven, zijn elektrische machines inductieve machines, waarachter in de praktijk de korte naam "elektrische machine" wortel heeft geschoten, wat in wezen een breder concept is.

Het werkingsprincipe van een elektrische generator.

De eenvoudigste elektrische generator is een lus die roteert in een magnetisch veld (Fig. 1, a). In deze generator is winding 1 de ankerwikkeling. De inductor is permanente magneten 2, waartussen het anker 3 roteert.

Rijst. 1. Schema's van de eenvoudigste generator (a) en elektromotor (b)

Wanneer de spoel roteert met een bepaalde rotatiefrequentie n, kruisen de zijden (geleiders) de magnetische veldlijnen van de flux Ф en wordt e geïnduceerd in elke geleider. enz. sd Met de aangenomen in fig. 1 en de draairichting van het anker e. enz. c) in de geleider die zich onder de zuidpool bevindt, is volgens de rechterhandregel van ons af gericht, en e. enz. v. in een draad onder de Noordpool - naar ons toe.

Als je een ontvanger van elektrische energie 4 aansluit op de ankerwikkeling, dan zal er een elektrische stroom I door een gesloten circuit vloeien.In de draden van de ankerwikkeling zal de stroom I op dezelfde manier worden gericht als e. enz. s.d.

Laten we begrijpen waarom, om het anker in een magnetisch veld te laten draaien, het nodig is om mechanische energie te besteden die is verkregen van een dieselmotor of een turbine (prime engine). Wanneer stroom i door draden stroomt die zich in een magnetisch veld bevinden, werkt een elektromagnetische kracht F op elke draad.

Met de aangegeven in afb. 1, en de richting van de stroom volgens de linkerhandregel, zal de kracht F die naar links is gericht inwerken op de geleider die zich onder de zuidpool bevindt, en de kracht F die naar rechts is gericht zal inwerken op de geleider die zich onder de zuidpool bevindt Noordpool.Deze krachten creëren samen een elektromagnetisch moment M. met de klok mee.

Uit een onderzoek van FIG. 1, maar het is te zien dat het elektromagnetische moment M, dat optreedt wanneer de generator elektrische energie uitzendt, in de tegenovergestelde richting van de rotatie van de draden is gericht, daarom is het een remmoment dat de neiging heeft om de rotatie van de generator anker.

Om te voorkomen dat het anker vastloopt, is het noodzakelijk om een ​​extern koppel Mvn op de ankerschacht uit te oefenen, tegengesteld aan en gelijk in grootte aan het moment M. Rekening houdend met wrijving en andere interne verliezen in de machine, moet het externe koppel groter zijn dan het elektromagnetische moment M gecreëerd door de generatorbelastingsstroom.

Om de normale werking van de generator voort te zetten, is het daarom noodzakelijk om deze van buitenaf te voorzien van mechanische energie - om het anker met elke motor te laten draaien 5.

Bij nullast (met het externe generatorcircuit open) bevindt de generator zich in de stationaire modus.In dit geval is alleen de hoeveelheid mechanische energie van de diesel of turbine nodig om wrijving te overwinnen en andere interne energieverliezen in de generator te compenseren.

Met een toename van de belasting van de generator, dat wil zeggen het elektrische vermogen REL dat erdoor wordt gegeven, de stroom I die door de draden van de ankerwikkeling gaat en het remkoppel M. turbines om de normale werking voort te zetten.

Dus hoe meer elektrische energie wordt verbruikt, bijvoorbeeld door de elektromotoren van een diesellocomotief van een diesellocomotiefgenerator, hoe meer mechanische energie het kost van de dieselmotor om hem te laten draaien, en hoe meer brandstof er aan de dieselmotor moet worden toegevoerd. .

Uit de hierboven besproken bedrijfsomstandigheden van de elektrische generator volgt dat deze kenmerkend is:

1. aanpassing in de richting van stroom i en e. enz. v. in de draden van de ankerwikkeling. Dit geeft aan dat de machine elektrische energie vrijgeeft;

2. het optreden van een elektromagnetisch remmoment M gericht tegen de rotatie van het anker. Dit houdt in dat een machine mechanische energie van buitenaf moet ontvangen.

Het principe van de elektromotor.

In principe is de elektromotor op dezelfde manier ontworpen als de generator. De eenvoudigste elektromotor is een winding 1 (Fig. 1, b), gelegen op het anker 3, die roteert in het magnetische veld van polen 2. De geleiders van de winding vormen een ankerwikkeling.

Als je de spoel aansluit op een bron van elektrische energie, bijvoorbeeld op een elektrisch netwerk 6, dan zal een elektrische stroom I door elk van zijn draden gaan stromen.Deze stroom, in wisselwerking met het magnetische veld van de polen, creëert elektromagnetische dwingt F.

Met de aangegeven in afb. 1b, zal de richting van de stroom op de geleider onder de zuidpool worden beïnvloed door de kracht F die naar rechts is gericht, en de kracht F die naar links is gericht zal inwerken op de geleider die zich onder de noordpool bevindt. Als resultaat van de gecombineerde werking van deze krachten, wordt een elektromagnetisch koppel M tegen de klok in gecreëerd, dat het anker met de draad aandrijft om te roteren met een bepaalde frequentie n... Als u de ankeras aansluit op een mechanisme of apparaat 7 ( middenas van een diesellocomotief of elektrische locomotief, metaalsnijgereedschap, enz.), dan zal de elektromotor dit apparaat in rotatie brengen, dat wil zeggen, het mechanische energie geven.In dit geval zal het externe moment MVN dat door dit apparaat wordt gecreëerd, worden gericht tegen het elektromagnetische moment M.

Laten we begrijpen waarom elektrische energie wordt verbruikt wanneer het anker van een onder belasting werkende elektromotor draait. Het bleek dat wanneer de ankerdraden in een magnetisch veld roteren, e in elke draad wordt geïnduceerd. enz. met, waarvan de richting wordt bepaald volgens de rechterhandregel. Daarom, met de aangegeven in Fig. 1, b draairichting van e. enz. c.e geïnduceerd in de geleider die zich onder de zuidpool bevindt, zal van ons af worden gericht, en e. enz. s. e geïnduceerd in de geleider die zich onder de noordpool bevindt, zal naar ons worden gericht. Afb. 1, b blijkt dat e., etc. C. Dat wil zeggen, de geïnduceerde in elke geleider zijn gericht tegen de stroom i, dat wil zeggen, ze voorkomen dat deze door de geleiders gaat.

Om ervoor te zorgen dat de stroom door de ankerdraden in dezelfde richting blijft stromen, dat wil zeggen, zodat de elektromotor normaal blijft werken en het nodige koppel ontwikkelt, is het noodzakelijk om een ​​​​externe spanning U toe te passen op deze draden gericht naar e. enz. c.en groter dan de algemene e. enz. C. E geïnduceerd in alle in serie geschakelde draden van de ankerwikkeling. Daarom is het noodzakelijk om elektrische energie vanuit het netwerk aan de elektromotor te leveren.

Bij afwezigheid van belasting (extern remkoppel uitgeoefend op de motoras), verbruikt de elektromotor een kleine hoeveelheid elektrische energie van een externe bron (net) en vloeit er een kleine stroom doorheen bij stationair draaien. Deze energie wordt gebruikt om de interne vermogensverliezen in de machine te dekken.

Naarmate de belasting toeneemt, neemt ook de stroom die door de elektromotor wordt verbruikt en het elektromagnetische koppel dat deze ontwikkelt toe. Daarom leidt een toename van de mechanische energie die vrijkomt door de elektromotor naarmate de belasting toeneemt automatisch tot een toename van de elektriciteit die deze uit de bron haalt.

Uit de hierboven besproken bedrijfsomstandigheden van de elektromotor volgt dat deze kenmerkend is:

1. samenvallen in de richting van het elektromagnetische moment M en snelheid n. Dit kenmerkt de terugkeer van mechanische energie van de machine;

2. het uiterlijk in de draden van de ankerwikkeling e. enz. gericht tegen de stroom i en de externe spanning U. Dit impliceert dat de machine elektrische energie van buitenaf moet ontvangen.

Het principe van omkeerbaarheid van elektrische machines

Gezien het werkingsprincipe van een generator en een elektromotor, ontdekten we dat ze op dezelfde manier zijn gerangschikt en dat er veel overeenkomsten zijn in de basis van de werking van deze machines.

Het proces van het omzetten van mechanische energie in elektrische energie in de generator en elektrische energie in mechanische energie in de motor is gerelateerd aan de inductie van EMF. enz. pp. in de draden van de ankerwikkeling die roteren in een magnetisch veld en het ontstaan ​​van elektromagnetische krachten als gevolg van de interactie van het magnetische veld en de stroomvoerende draden.

Het verschil tussen een generator en een elektromotor zit alleen in de onderlinge richting van e. d.met, stroom, elektromagnetisch koppel en snelheid.

Als we de beschouwde werkingsprocessen van generatoren en elektromotoren samenvatten, is het mogelijk om een ​​principe van omkeerbaarheid van elektrische machines vast te stellen... Volgens dit principe kan elke elektrische machine werken als een generator en een elektromotor en overschakelen van generatormodus naar motormodus en vice versa.

Rijst. 2. Richting van e., enz. met E, stroom I, ankerrotatiefrequentie n en elektromagnetisch moment M tijdens bedrijf van een gelijkstroom elektrische machine in motor (a) en generator (b) modi

Overweeg werk om deze situatie te verduidelijken Gelijkstroom elektrische machine onder verschillende omstandigheden. Als de externe spanning U groter is dan de totale e. enz. v. D. in alle in serie geschakelde draden van de ankerwikkeling, dan zal de stroom I vloeien zoals aangegeven in Fig. 2, en de richting en machine zullen werken als een elektromotor, elektrische energie van het netwerk verbruiken en mechanische energie afgeven.

Als echter om de een of andere reden e. enz. C. E wordt groter dan de externe spanning U, dan zal de stroom I in de ankerwikkeling van richting veranderen (Fig. 2, b) en samenvallen met e. enz. v. D. In dit geval zal ook de richting van het elektromagnetische moment M veranderen, dat gericht zal zijn tegen de rotatiefrequentie n... Toeval in de richting d., etc. met E en stroom I betekent dat de machine is begonnen elektrische energie aan het netwerk te geven, en het optreden van een remmend elektromagnetisch moment M geeft aan dat het mechanische energie van buitenaf moet verbruiken.

Daarom, wanneer e.etc. metE geïnduceerd in de draden van de ankerwikkeling wordt groter dan de netspanning U, de machine schakelt over van de motorbedrijfsmodus naar de generatormodus, dat wil zeggen, wanneer E < U werkt de machine als een motor, met E> U - als een generator.

De overgang van een elektrische machine van motormodus naar generatormodus kan op verschillende manieren worden gedaan: door de spanning U te verlagen van de bron waarop de ankerwikkeling is aangesloten, of door e te verhogen. enz. met E in de ankerwikkeling.