Energia muundamise protsess elektrimasinates

Elektrimasinad jagunevad otstarbe järgi kahte põhiliiki: elektrigeneraatorid ja elektrimootorid... Generaatorid on mõeldud elektrienergia tootmiseks ja elektrimootorid vedurite rataste paaride juhtimiseks, ventilaatorite, kompressorite võllide pööramiseks jne.

Elektrimasinates toimub energia muundamise protsess. Generaatorid muudavad mehaanilise energia elektrienergiaks. See tähendab, et selleks, et generaator töötaks, tuleb selle võlli mingisuguse mootoriga keerata. Diiselveduril käitab generaatorit näiteks diiselmootor, soojuselektrijaamas auruturbiin, hüdroelektrijaamast — veeturbiinist.

Elektrimootorid seevastu muudavad elektrienergia mehaaniliseks energiaks. Seetõttu tuleb mootori töötamiseks ühendada see juhtmetega elektrienergia allikaga või, nagu öeldakse, ühendada elektrivõrku.

Mis tahes elektrimasina tööpõhimõte põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtuste kasutamisel ja elektromagnetiliste jõudude ilmnemisel juhtmete koostoimel voolu ja magnetväljaga. Need nähtused teostatakse nii generaatori kui ka elektrimootori töötamise ajal. Seetõttu räägivad nad sageli elektrimasinate generaatori ja mootori töörežiimidest.

Pöörlevates elektrimasinates osalevad energia muundamise protsessis kaks põhiosa: armatuur ja induktiivpool, millel on oma mähised, mis liiguvad üksteise suhtes. Induktor loob autos magnetvälja. Armatuuri mähises indutseeritud e. koos… ja tekib elektrivool. Voolu vastasmõjul armatuurimähises magnetväljaga tekivad elektromagnetilised jõud, mille kaudu realiseerub masinas energia muundamise protsess.

Energia muundamise protsessi läbiviimiseks elektrimasinas

Järgmised sätted tulenevad Poincaré ja Barhauseni elektrienergia põhiteoreemidest:

1) mehaanilise ja elektrienergia otsene vastastikune muundamine on võimalik ainult siis, kui elektrienergia on vahelduvvoolu energia;

2) sellise energia muundamise protsessi läbiviimiseks on vajalik, et selleks ettenähtud elektriahelate süsteem oleks muutuva elektriinduktiivsuse või muutuva elektrivõimsusega,

3) vahelduvvoolu energia muundamiseks alalisvoolu energiaks on vajalik, et selleks projekteeritud elektriahelate süsteem oleks muutuva elektritakistusega.

Esimesest positsioonist järeldub, et mehaanilist energiat saab elektrimasinas muundada ainult vahelduvvooluenergiaks või vastupidi.

Selle väite näiline vastuolu alalisvoolu elektrimasinate olemasolu faktiga on lahendatud sellega, et "alalisvoolumasinas" toimub energia kaheastmeline muundamine.

Nii et alalisvoolu elektrimasina generaatori puhul on meil masin, milles mehaaniline energia muundatakse vahelduvvooluenergiaks ja viimane tänu spetsiaalse seadme olemasolule, mis esindab "muutuvat elektritakistust", muundatakse energiaks. alalisvoolust.

Elektrimasina puhul kulgeb protsess ilmselgelt vastupidises suunas: elektrimasinale antava alalisvoolu energia muundatakse nimetatud muutuva takistuse abil elektri vahelduvvooluenergiaks, viimane aga mehaaniliseks energiaks.

Nimetatud muutuva elektritakistuse rolli mängib "libisev elektriline kontakt", mis tavalises "alalisvoolukollektormasinas" koosneb "elektrimasinaharjast" ja "elektrimasina kollektorist" ning libisemisrõngastest ".

Kuna elektrimasinas energia muundamise protsessi loomiseks on vajalik, et selles oleks kas "muutuv elektriline induktiivsus" või "muutuv elektrimahtuvus", saab elektrimasina valmistada kas elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel või elektrilise induktsiooni põhimõte. Esimesel juhul saame "induktiivse masina", teisel - "mahtuvusmasina".

Mahtuvusmasinatel pole endiselt praktilist tähtsust.Tööstuses, transpordis ja igapäevaelus kasutatavad elektrimasinad on induktiivmasinad, mille taha on praktikas juurdunud lühinimetus "elektrimasin", mis on sisuliselt laiem mõiste.

Elektrigeneraatori tööpõhimõte.

Lihtsaim elektrigeneraator on magnetväljas pöörlev ahel (joon. 1, a). Selles generaatoris on pööre 1 armatuuri mähis. Induktiivpool on püsimagnetid 2, mille vahel armatuur 3 pöörleb.

Riis. 1. Lihtsaima generaatori (a) ja elektrimootori (b) skemaatilised skeemid

Kui mähis pöörleb teatud pöörlemissagedusega n, siis selle küljed (juhid) ristuvad voo Ф magnetvälja jõujoontega ja e indutseeritakse igas juhis. jne. s. d. Joonisel fig. 1 ja armatuuri pöörlemissuund e. jne. c lõunapooluse all paiknevas juhis on parema käe reegli kohaselt meist eemale suunatud ja e. jne. v. põhjapooluse all asuvas juhtmes - meie poole.

Kui ühendada armatuurimähisega elektrienergia 4 vastuvõtja, siis läbi suletud ahela liigub elektrivool I. Armatuurimähise juhtmetes suunatakse vool I samamoodi nagu e. jne. s. d.

Mõelgem, miks on armatuuri magnetväljas pööramiseks vaja kulutada diiselmootorist või turbiinist (peamootorist) saadavat mehaanilist energiat. Kui vool i liigub läbi magnetväljas paiknevate juhtmete, mõjub igale juhtmele elektromagnetiline jõud F.

Joonisel fig. 1 ja voolu suund vastavalt vasaku käe reeglile, vasakule suunatud jõud F mõjub lõunapooluse all paiknevale juhile ja paremale suunatud jõud F juhile, mis asub lõunapooluse all. Põhjapoolus.Need jõud koos tekitavad elektromagnetilise momendi M. päripäeva.

Joonise fig. 1, kuid on näha, et generaatori elektrienergia väljastamisel tekkiv elektromagnetmoment M on suunatud juhtmete pöörlemisele vastupidises suunas, seega on tegemist pidurdusmomendiga, mis kipub pidurdusmomenti pidurdama. generaatori armatuur.

Ankru kinnikiilumise vältimiseks on vaja armatuuri võllile rakendada välist pöördemomenti Mvn, mis on vastupidine ja võrdne momendiga M. Võttes arvesse hõõrdumist ja muid masina sisemisi kadusid, peab väline pöördemoment olema suurem kui generaatori koormusvoolu tekitatav elektromagnetmoment M.

Seetõttu on generaatori normaalse töö jätkamiseks vaja seda väljastpoolt mehaanilise energiaga varustada - iga mootoriga 5 pöörata selle armatuuri.

Koormatuseta (avatud generaatori vooluringiga) on generaator tühikäigul Sel juhul on hõõrdumise ületamiseks ja generaatori muude sisemiste energiakadude kompenseerimiseks vaja ainult diisli või turbiini mehaanilist energiat.

Generaatori koormuse, see tähendab tema poolt antud elektrivõimsuse REL suurenemisega, armatuuri mähise juhtmeid läbiva voolu I ja pidurdusmomendi M. turbiinide normaalse töö jätkamiseks.

Seega, mida rohkem elektrienergiat tarbivad näiteks diiselveduri elektrimootorid diiselveduri generaatorist, seda rohkem kulub mehaanilist energiat diiselmootorilt seda pöörates ja seda rohkem tuleb diiselmootorile kütust anda. .

Eespool käsitletud elektrigeneraatori töötingimustest järeldub, et see on sellele iseloomulik:

1. sobitamine voolu i ja e suunas. jne. v. armatuuri mähise juhtmetes. See näitab, et masin vabastab elektrienergiat;

2. elektromagnetilise pidurdusmomendi M ilmnemine, mis on suunatud armatuuri pöörlemisele. See tähendab, et masin peab saama mehaanilist energiat väljastpoolt.

Elektrimootori tööpõhimõte.

Põhimõtteliselt on elektrimootor konstrueeritud samamoodi nagu generaator. Lihtsaim elektrimootor on armatuuril 3 paiknev pööre 1 (joonis 1, b), mis pöörleb pooluste 2 magnetväljas. Pöörde juhid moodustavad armatuurimähise.

Kui ühendate mähise elektrienergia allikaga, näiteks elektrivõrguga 6, siis hakkab iga selle juhtme kaudu voolama elektrivool I. See vool, mis interakteerub pooluste magnetväljaga, tekitab elektromagnetilise jõud F .

Joonisel fig. 1b, mõjutab lõunapooluse all asuva juhi voolu suunda paremale suunatud jõud F ja vasakule suunatud jõud F mõjub põhjapooluse all asuvale juhile. Nende jõudude koosmõjul tekib vastupäeva suunatud elektromagnetiline pöördemoment M, mis sunnib armatuuri koos juhtmega teatud sagedusega n... Kui ühendate armatuuri võlli mis tahes mehhanismi või seadmega 7 ( diiselveduri või elektriveduri, metalli lõikeriista vms kesktelg), siis paneb elektrimootor selle seadme pöörlema, st annab sellele mehaanilise energia.Sel juhul on selle seadme loodud väline moment MVN suunatud elektromagnetilise momendi M vastu.

Mõistame, miks kulub koormusel töötava elektrimootori armatuuri pöörlemisel elektrienergiat. Leiti, et kui armatuuri juhtmed pöörlevad magnetväljas, indutseeritakse igas juhtmes e. jne. millega, mille suund määratakse parema käe reegli järgi. Seetõttu koos joonisel fig. 1, b e pöörlemissuund. jne. c) lõunapooluse all asuvas juhis indutseeritud e suunatakse meist eemale ja e. jne. Põhjapooluse all asuvas juhis indutseeritud s.e suunatakse meie poole. Joonis fig. 1, b on näha, et e. jne. c) See tähendab, et igas juhtmes indutseeritud on suunatud voolu i vastu, see tähendab, et nad takistavad selle läbimist juhtmetest.

Selleks, et vool jätkaks armatuuri juhtmete samas suunas liikumist, st et elektrimootor jätkaks normaalset tööd ja arendaks vajalikku pöördemomenti, on vaja nendele juhtmetele suunata välispinge U. e. jne. c ja suurem kui üldine e. jne. c) E indutseeritud kõigis armatuurimähise järjestikku ühendatud juhtmetes. Seetõttu on vaja elektrimootorit elektrienergiaga varustada võrgust.

Koormuse puudumisel (mootori võllile rakendatav väline pidurdusmoment) tarbib elektrimootor vähesel määral välisest allikast (võrgust) saadavat elektrienergiat ja tühikäigul liigub sellest läbi väike vool. Seda energiat kasutatakse masina sisemiste võimsuskadude katmiseks.

Koormuse kasvades suureneb ka elektrimootori poolt tarbitav vool ja selle tekitatav elektromagnetiline pöördemoment. Seetõttu põhjustab elektrimootori poolt vabaneva mehaanilise energia suurenemine koormuse suurenemisel automaatselt allikast tarbitava elektrienergia suurenemist.

Eespool käsitletud elektrimootori töötingimustest järeldub, et see on sellele iseloomulik:

1. kokkulangevus elektromagnetmomendi M ja kiiruse n suunas See iseloomustab mehaanilise energia tagasitulekut masinast;

2. välimus armatuuri mähise juhtmetes e. jne, mis on suunatud voolu i ja välispinge U vastu. See tähendab, et masin peab saama elektrienergiat väljast.

Elektrimasinate pöörduvuse põhimõte

Arvestades generaatori ja elektrimootori tööpõhimõtet, leidsime, et need on paigutatud ühtemoodi ja nende masinate tööpõhimõttes on palju ühist.

Mehaanilise energia muundamine elektrienergiaks generaatoris ja elektrienergia mehaaniliseks energiaks mootoris on seotud elektromagnetväljade induktsiooniga. jne. lk magnetväljas pöörleva armatuuri mähise juhtmetes ja elektromagnetjõudude tekkimine magnetvälja ja voolu juhtivate juhtmete vastasmõju tulemusena.

Generaatori ja elektrimootori erinevus on ainult vastastikuses suunas e. d) voolu, elektromagnetilise pöördemomendi ja kiirusega.

Võttes kokku vaadeldud generaatori ja elektrimootori tööprotsessid, on võimalik kehtestada elektrimasinate pöörduvuse põhimõte... Selle põhimõtte järgi võib iga elektrimasin töötada generaatori ja elektrimootorina ning lülituda generaatorirežiimilt mootorirežiimile ja vastupidi.

Riis. 2. Suund e. jne. E, vool I, armatuuri pöörlemissagedus n ja elektromagnetmoment M alalisvoolu elektrimasina töötamise ajal mootori (a) ja generaatori (b) režiimides

Selle olukorra selgitamiseks kaaluge tööd Alalisvoolu elektrimasin erinevatel tingimustel. Kui välispinge U on suurem kui kogu e. jne. v. D. kõigis armatuurimähise järjestikku ühendatud juhtmetes, siis voolab vool I joonisel fig. 2 ning suund ja masin töötavad elektrimootorina, tarbides võrgust elektrienergiat ja andes välja mehaanilist energiat.

Kui aga mingil põhjusel e. jne. c. E muutub suuremaks kui välispinge U, siis muudab armatuuri mähises olev vool I suunda (joonis 2, b) ja langeb kokku e-ga. jne. v. D. Sel juhul muutub ka elektromagnetmomendi M suund, mis on suunatud vastu pöörlemissagedust n... Kokkulangevus suunas d. jne. E ja vooluga I tähendab, et masin on hakanud võrku elektrienergiat andma ja pidurduselektromagnetmomendi M ilmumine näitab, et see peab tarbima väljastpoolt tulevat mehaanilist energiat.

Seega, kui e jne. koosArmatuurimähise juhtmetes indutseeritud E muutub võrgupingest U suuremaks, lülitub masin mootori töörežiimilt generaatorirežiimile, st kui E < U töötab masin mootorina, E> U-ga — as. generaator.

Elektrimasina üleviimist mootorirežiimilt generaatorirežiimile saab teha erineval viisil: vähendades allika pinget U, millega armatuurimähis on ühendatud, või suurendades e. jne. E-ga armatuuri mähises.