Energijos konversijos procesas elektros mašinose

Elektros mašinos pagal paskirtį skirstomos į dvi pagrindines rūšis: elektros generatorius ir elektros variklius... Generatoriai skirti generuoti elektros energiją, o elektros varikliai – varyti lokomotyvų ratų poras, sukti ventiliatorių, kompresorių velenus ir kt.

Energijos konversijos procesas vyksta elektros mašinose. Generatoriai mechaninę energiją paverčia elektros energija. Tai reiškia, kad norint, kad generatorius veiktų, reikia pasukti jo veleną kažkokiu varikliu. Pavyzdžiui, dyzeliniame lokomotyve generatorius sukamas dyzeliniu varikliu, šiluminėje elektrinėje – garo turbina, hidroelektrinės – vandens turbinos.

Kita vertus, elektros varikliai elektros energiją paverčia mechanine energija. Todėl, kad variklis veiktų, jis turi būti prijungtas laidais prie elektros energijos šaltinio arba, kaip sakoma, įjungtas į elektros tinklą.

Bet kurios elektros mašinos veikimo principas pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškinių panaudojimu ir elektromagnetinių jėgų atsiradimu laidų sąveikos su srove ir magnetiniu lauku metu. Šie reiškiniai atliekama veikiant tiek generatoriui, tiek elektros varikliui. Todėl dažnai kalbama apie elektros mašinų generatoriaus ir variklio veikimo režimus.

Besisukančiose elektros mašinose energijos konversijos procese dalyvauja dvi pagrindinės dalys: armatūra ir induktorius su savo apvijomis, kurios juda viena kitos atžvilgiu. Induktorius automobilyje sukuria magnetinį lauką. Armatūros apvijoje sukeltas e. su... ir atsiranda elektros srovė. Srovei sąveikaujant armatūros apvijoje su magnetiniu lauku, susidaro elektromagnetinės jėgos, per kurias realizuojamas energijos konversijos procesas mašinoje.

Energijos konversijos procesui elektrinėje mašinoje atlikti

Šios nuostatos kyla iš pagrindinių Poincaré ir Barhausen elektros energijos teoremų:

1) tiesioginė abipusė mechaninės ir elektros energijos transformacija galima tik tada, kai elektros energija yra kintamos elektros srovės energija;

2) tokiam energijos konversijos procesui įgyvendinti būtina, kad tam skirta elektros grandinių sistema turėtų arba kintantį elektrinį induktyvumą, arba kintančią elektrinę talpą,

3) kintamos elektros srovės energijai paversti nuolatinės elektros srovės energija būtina, kad tam suprojektuota elektros grandinių sistema turėtų kintančią elektrinę varžą.

Iš pirmos pozicijos išplaukia, kad mechaninė energija elektrinėje mašinoje gali būti paversta tik kintamos elektros srovės energija arba atvirkščiai.

Akivaizdus šio teiginio prieštaravimas nuolatinės srovės elektrinių mašinų egzistavimo faktui išsprendžiamas tuo, kad „nuolatinės srovės mašinoje“ yra dviejų pakopų energijos konversija.

Taigi, nuolatinės srovės elektros mašinų generatoriaus atveju turime mašiną, kurioje mechaninė energija paverčiama kintamosios srovės energija, o pastaroji dėl specialaus prietaiso, vaizduojančio „kintamąją elektrinę varžą“, paverčiama energija. nuo nuolatinės srovės.

Elektros mašinos atveju procesas akivaizdžiai vyksta priešinga kryptimi: į elektros mašiną tiekiamos nuolatinės elektros srovės energija minėtos kintamos varžos pagalba paverčiama kintamos elektros srovės energija, o pastaroji – mechanine energija.

Minėtos kintančios elektrinės varžos vaidmenį atlieka „slenkantis elektrinis kontaktas“, kuris įprastoje „nuolatinės srovės kolektoriaus mašinoje“ susideda iš „elektrinės mašinos šepečio“ ir „elektros mašinos kolektoriaus“ bei iš slydimo žiedų.

Kadangi norint sukurti energijos konversijos procesą elektrinėje mašinoje, joje turi būti arba „kintama elektrinė induktyvumas“, arba „kintama elektrinė talpa“, elektrinė mašina gali būti pagaminta arba elektromagnetinės indukcijos principu, arba elektrinės indukcijos principas. Pirmuoju atveju gauname „indukcinę mašiną“, antruoju – „talpinę mašiną“.

Talpos mašinos vis dar neturi praktinės reikšmės.Naudojamos pramonėje, transporte ir kasdieniame gyvenime, elektros mašinos yra indukcinės mašinos, už kurių praktikoje įsitvirtino trumpasis pavadinimas „elektrinė mašina“, kuri iš esmės yra platesnė sąvoka.

Elektros generatoriaus veikimo principas.

Paprasčiausias elektros generatorius – magnetiniame lauke besisukanti kilpa (1 pav., a). Šiame generatoriuje 1 posūkis yra armatūros apvija. Induktorius yra nuolatiniai magnetai 2, tarp kurių sukasi armatūra 3.

Ryžiai. 1. Paprasčiausio generatoriaus (a) ir elektros variklio (b) schemos

Ritei sukant tam tikru sukimosi dažniu n, jos šonai (laidininkai) kerta srauto Ф magnetinio lauko linijas ir kiekviename laidininke indukuojama e. ir tt s. d. Su priimtu pav. 1 ir armatūros sukimosi kryptis e. ir tt c) po pietiniu ašigaliu esančiame laidininke pagal dešinės rankos taisyklę nukreipta nuo mūsų, o e. ir tt v. laidoje, esančiame po Šiaurės ašigaliu – link mūsų.

Jei prie armatūros apvijos prijungsite elektros energijos imtuvą 4, tai uždara grandine tekės elektros srovė I. Armatūros apvijos laiduose srovė I bus nukreipta taip pat kaip e. ir tt s. d.

Supraskime, kodėl, norint sukti armatūrą magnetiniame lauke, reikia išleisti mechaninę energiją, gautą iš dyzelinio variklio arba turbinos (pagrindinio variklio). Kai srovė i teka laidais, esančiais magnetiniame lauke, kiekvieną laidą veikia elektromagnetinė jėga F.

Su nurodyta pav. 1, o srovės kryptis pagal kairiosios rankos taisyklę, jėga F, nukreipta į kairę, veiks laidininką, esantį po pietų ašigaliu, o jėga F, nukreipta į dešinę, veiks laidininką, esantį po pietų ašigaliu. Šiaurės ašigalis.Šios jėgos kartu sukuria elektromagnetinį momentą M. pagal laikrodžio rodyklę.

Išnagrinėjus Fig. 1, tačiau matyti, kad elektromagnetinis momentas M, susidarantis generatoriui skleidžiant elektros energiją, yra nukreiptas priešinga laidų sukimosi kryptimi, todėl tai yra stabdymo momentas, linkęs sulėtinti generatoriaus armatūra.

Kad inkaras neužstrigtų, armatūros velenui reikia pritaikyti išorinį sukimo momentą Mvn, priešingą momentui M ir jo dydžiui lygus. Atsižvelgiant į trintį ir kitus vidinius mašinos nuostolius, išorinis sukimo momentas turi būti didesnis nei generatoriaus apkrovos srovės sukuriamas elektromagnetinis momentas M.

Todėl norint tęsti normalų generatoriaus veikimą, būtina jį tiekti mechanine energija iš išorės – su kiekvienu varikliu 5 sukti jo armatūrą.

Be apkrovos (esant atvirai išorinei generatoriaus grandinei) generatorius veikia tuščiosios eigos režimu.Šiuo atveju reikalingas tik toks mechaninės energijos kiekis iš dyzelino ar turbinos, kad būtų įveikta trintis ir kompensuoti kiti generatoriaus vidiniai energijos nuostoliai.

Didėjant generatoriaus apkrovai, tai yra jo duotai elektros galiai REL, srovė I, einanti per armatūros apvijos laidus ir stabdymo momentas M. turbinos toliau normaliai veiktų.

Taigi, kuo daugiau elektros energijos suvartoja, pavyzdžiui, dyzelinio lokomotyvo elektros varikliai iš dyzelinio lokomotyvo generatoriaus, tuo daugiau mechaninės energijos ji paima iš jį sukančio dyzelinio variklio ir tuo daugiau degalų turi būti tiekiama dyzeliniam varikliui. .

Iš aukščiau aptartų elektros generatoriaus veikimo sąlygų matyti, kad jam būdinga:

1. sutapimas srovės i ir e kryptimis. ir tt v. armatūros apvijos laiduose. Tai rodo, kad mašina išskiria elektros energiją;

2. elektromagnetinio stabdymo momento M, nukreipto prieš armatūros sukimąsi, atsiradimas. Tai reiškia, kad mašina turi gauti mechaninę energiją iš išorės.

Elektros variklio veikimo principas.

Iš esmės elektros variklis sukonstruotas taip pat, kaip ir generatorius. Paprasčiausias elektros variklis yra posūkis 1 (1 pav., b), esantis ant armatūros 3, kuris sukasi polių 2 magnetiniame lauke. Posūkio laidininkai sudaro armatūros apviją.

Jei ritę prijungsite prie elektros energijos šaltinio, pavyzdžiui, prie elektros tinklo 6, tai per kiekvieną jos laidą pradės tekėti elektros srovė I. Ši srovė, sąveikaudama su polių magnetiniu lauku, sukuria elektromagnetinį. jėgos F.

Su nurodyta pav. 1b, srovės kryptį laido, esančio po pietiniu ašigaliu, paveiks jėga F, nukreipta į dešinę, o jėga F, nukreipta į kairę, veiks laidininką, esantį po šiauriniu ašigaliu. Dėl bendro šių jėgų veikimo susidaro prieš laikrodžio rodyklę nukreiptas elektromagnetinis sukimo momentas M, kuris verčia inkarą su viela suktis tam tikru dažniu n... Jei armatūros veleną prijungiate prie bet kokio mechanizmo ar įrenginio 7 ( dyzelinio lokomotyvo ar elektrinio lokomotyvo centrinė ašis, metalo pjovimo įrankis ir pan.), tada elektros variklis įjungs šį įrenginį, tai yra, suteiks jam mechaninę energiją.Tokiu atveju šio įrenginio sukurtas išorinis momentas MVN bus nukreiptas prieš elektromagnetinį momentą M.

Supraskime, kodėl elektros energija suvartojama, kai sukasi apkrova veikiančio elektros variklio armatūra. Nustatyta, kad kai armatūros laidai sukasi magnetiniame lauke, kiekviename laide indukuojama e. ir tt su, kurio kryptis nustatoma pagal dešinės rankos taisyklę. Todėl su nurodyta pav. 1, b sukimosi kryptis e. ir tt c) po pietiniu poliumi esančiame laidininke indukuota e bus nukreipta nuo mūsų, o e. ir tt Po šiaurės ašigaliu esančiame laidininke indukuota s.e bus nukreipta į mus. Fig. 1, b matyti, kad e. ir kt. c) Tai yra, kiekviename laidininke indukuotos srovės yra nukreiptos prieš srovę i, tai yra, neleidžia jai praeiti per laidininkus.

Kad srovė ir toliau tekėtų per armatūros laidus ta pačia kryptimi, tai yra, kad elektros variklis toliau normaliai dirbtų ir sukurtų reikiamą sukimo momentą, šiems laidams reikia įvesti išorinę įtampą U, nukreiptą į e. ir tt c ir didesnis nei bendrasis e. ir tt c) E indukuojama visuose nuosekliai sujungtuose armatūros apvijos laiduose. Todėl elektros varikliui reikia tiekti elektros energiją iš tinklo.

Nesant apkrovos (variklio velenui veikiamas išorinis stabdymo momentas), elektros variklis sunaudoja nedidelį kiekį elektros energijos iš išorinio šaltinio (tinklo) ir tuščiąja eiga juo teka nedidelė srovė. Ši energija naudojama vidiniams mašinos energijos nuostoliams padengti.

Didėjant apkrovai, didėja ir elektros variklio suvartojama srovė bei jo sukuriamas elektromagnetinis sukimo momentas. Todėl padidėjus mechaninei energijai, kurią išskiria elektros variklis, didėjant apkrovai, automatiškai padidėja elektros energija, kurią jis gauna iš šaltinio.

Iš aukščiau aptartų elektros variklio veikimo sąlygų matyti, kad jam būdinga:

1. sutapimas elektromagnetinio momento M ir greičio n kryptimi. Tai apibūdina mechaninės energijos grįžimą iš mašinos;

2. išvaizda armatūros apvijos laiduose e. ir tt nukreipta prieš srovę i ir išorinę įtampą U. Tai reiškia, kad mašina turi gauti elektros energiją iš išorės.

Elektros mašinų grįžtamumo principas

Atsižvelgdami į generatoriaus ir elektros variklio veikimo principą, nustatėme, kad jie yra išdėstyti vienodai ir kad šių mašinų veikimo pagrinduose yra daug bendro.

Mechaninės energijos pavertimo elektros energija generatoriuje ir elektros energijos mechanine energija variklyje procesas yra susijęs su EML indukcija. ir tt pp magnetiniame lauke besisukančios armatūros apvijos laiduose ir elektromagnetinių jėgų atsiradimas dėl magnetinio lauko ir srovės laidų sąveikos.

Skirtumas tarp generatoriaus ir elektros variklio yra tik abipuse e. d) su srove, elektromagnetiniu sukimo momentu ir greičiu.

Apibendrinant nagrinėjamus generatoriaus ir elektros variklio veikimo procesus, galima nustatyti elektros mašinų grįžtamumo principą... Pagal šį principą bet kuri elektros mašina gali dirbti kaip generatorius ir elektros variklis bei persijungti iš generatoriaus režimo į variklio režimą ir atvirkščiai.

Ryžiai. 2. E. kryptis ir kt. su E, srovė I, armatūros sukimosi dažnis n ir elektromagnetinis momentas M veikiant nuolatinės srovės elektros mašinai variklio (a) ir generatoriaus (b) režimais

Norėdami išsiaiškinti šią situaciją, apsvarstykite galimybę dirbti Nuolatinės srovės elektros mašina skirtingomis sąlygomis. Jei išorinė įtampa U yra didesnė už bendrą e. ir tt v. D. visuose nuosekliai sujungtuose armatūros apvijos laiduose, tada srovė I tekės ta, kuri nurodyta pav. 2, o kryptis ir mašina veiks kaip elektros variklis, vartodamas elektros energiją iš tinklo ir išskirdamas mechaninę energiją.

Tačiau jei dėl kokių nors priežasčių e. ir tt c E tampa didesnė už išorinę įtampą U, tada srovė I armatūros apvijoje pakeis savo kryptį (2 pav., b) ir sutaps su e. ir tt v. D. Tokiu atveju pasikeis ir elektromagnetinio momento M kryptis, kuri bus nukreipta prieš sukimosi dažnį n... Sutapimas kryptimi d. ir kt. su E ir srove I reiškia, kad mašina pradėjo duoti elektros energiją į tinklą, o stabdymo elektromagnetinio momento M atsiradimas rodo, kad ji turi vartoti mechaninę energiją iš išorės.

Todėl, kai el. suArmatūros apvijos laiduose indukuota E tampa didesnė už tinklo įtampą U, mašina persijungia iš variklio darbo režimo į generatoriaus režimą, tai yra, kai E < U mašina veikia kaip variklis, su E> U — kaip. generatorius.

Elektros mašinos perkėlimas iš variklio režimo į generatoriaus režimą gali būti atliekamas įvairiais būdais: sumažinant šaltinio, prie kurio prijungta armatūros apvija, įtampą U arba padidinant e. ir tt su E armatūros apvijoje.