Proses penukaran tenaga dalam mesin elektrik

Mesin elektrik dibahagikan mengikut tujuan kepada dua jenis utama: penjana elektrik dan motor elektrik... Penjana direka untuk menjana kuasa elektrik, dan motor elektrik direka untuk memacu sepasang roda lokomotif, memutar aci kipas, pemampat, dsb.

Proses penukaran tenaga berlaku dalam mesin elektrik. Penjana menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Ini bermakna agar penjana berfungsi, anda perlu menghidupkan acinya dengan beberapa jenis enjin. Pada lokomotif diesel, sebagai contoh, penjana digerakkan secara putaran oleh enjin diesel, pada loji kuasa haba oleh turbin stim, loji hidroelektrik - turbin air.

Motor elektrik, sebaliknya, menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal. Oleh itu, agar enjin berfungsi, ia mesti disambungkan dengan wayar ke sumber tenaga elektrik, atau, seperti yang mereka katakan, dipasang ke rangkaian elektrik.

Prinsip operasi mana-mana mesin elektrik adalah berdasarkan penggunaan fenomena aruhan elektromagnet dan penampilan daya elektromagnet semasa interaksi wayar dengan arus dan medan magnet. Fenomena ini dilakukan semasa operasi kedua-dua penjana dan motor elektrik. Oleh itu, mereka sering bercakap tentang penjana dan mod motor operasi mesin elektrik.

Dalam mesin elektrik berputar, dua bahagian utama terlibat dalam proses penukaran tenaga: angker dan induktor dengan belitannya sendiri yang bergerak relatif antara satu sama lain. Induktor mencipta medan magnet di dalam kereta. Dalam belitan angker disebabkan oleh e. dengan… dan arus elektrik berlaku. Apabila arus berinteraksi dalam belitan angker dengan medan magnet, daya elektromagnet tercipta, yang melaluinya proses penukaran tenaga dalam mesin direalisasikan.

Untuk prestasi proses penukaran tenaga dalam mesin elektrik

Peruntukan berikut diperoleh daripada teorem asas tenaga elektrik Poincaré dan Barhausen:

1) transformasi timbal balik langsung tenaga mekanikal dan elektrik hanya mungkin jika tenaga elektrik adalah tenaga arus elektrik berselang;

2) untuk pelaksanaan proses penukaran tenaga sedemikian, sistem litar elektrik yang dimaksudkan untuk tujuan ini perlu mempunyai sama ada kearuhan elektrik yang berubah atau kapasiti elektrik yang berubah,

3) untuk menukar tenaga arus elektrik berselang-seli kepada tenaga arus elektrik terus, sistem litar elektrik yang direka untuk tujuan ini perlu mempunyai rintangan elektrik yang berubah-ubah.

Dari kedudukan pertama ia mengikuti bahawa tenaga mekanikal boleh ditukar dalam mesin elektrik sahaja kepada tenaga arus elektrik berselang-seli atau sebaliknya.

Percanggahan nyata kenyataan ini dengan fakta kewujudan mesin elektrik arus terus diselesaikan oleh fakta bahawa dalam «mesin arus terus» kita mempunyai penukaran dua peringkat tenaga.

Jadi, dalam kes penjana mesin elektrik arus terus, kami mempunyai mesin di mana tenaga mekanikal ditukar kepada tenaga arus ulang-alik dan yang terakhir, disebabkan oleh kehadiran peranti khas yang mewakili "rintangan elektrik berubah-ubah", ditukar kepada tenaga. daripada arus terus.

Dalam kes mesin elektrik, proses itu jelas berjalan dalam arah yang bertentangan: tenaga arus elektrik terus yang dibekalkan kepada mesin elektrik ditukar melalui rintangan berubah-ubah tersebut kepada tenaga arus elektrik berselang-seli, dan yang terakhir menjadi tenaga mekanikal.

Peranan rintangan elektrik yang berubah-ubah tersebut dimainkan oleh "sentuhan elektrik gelongsor", yang dalam "mesin pengumpul DC" konvensional terdiri daripada "berus mesin elektrik" dan "pengumpul mesin elektrik", dan dalam gelang gelincir " .

Oleh kerana untuk mencipta proses penukaran tenaga dalam mesin elektrik, adalah perlu untuk mempunyai sama ada "aruhan elektrik berubah" atau "muatan elektrik berubah" di dalamnya, mesin elektrik boleh dibuat sama ada berdasarkan prinsip aruhan elektromagnet, atau pada prinsip aruhan elektrik. Dalam kes pertama kita mendapat "mesin induktif", dalam kes kedua - "mesin kapasitif".

Mesin kapasitans masih tidak mempunyai kepentingan praktikal.Digunakan dalam industri, dalam pengangkutan dan dalam kehidupan seharian, mesin elektrik adalah mesin induktif, di belakangnya dalam praktiknya nama pendek "mesin elektrik" telah berakar umbi, yang pada asasnya merupakan konsep yang lebih luas.

Prinsip operasi penjana elektrik.

Penjana elektrik yang paling mudah ialah gelung berputar dalam medan magnet (Rajah 1, a). Dalam penjana ini, pusingan 1 ialah belitan angker. Induktor ialah magnet kekal 2, di antaranya angker 3 berputar.

nasi. 1. Gambar rajah skema penjana termudah (a) dan motor elektrik (b)

Apabila gegelung berputar dengan frekuensi putaran tertentu n, sisinya (konduktor) melintasi garis medan magnet fluks Ф dan e teraruh dalam setiap konduktor. dan lain-lain. s. d. Dengan yang diterima pakai dalam rajah. 1 dan arah putaran angker e. dan lain-lain. c. dalam konduktor yang terletak di bawah kutub selatan, mengikut peraturan sebelah kanan, diarahkan menjauhi kami, dan e. dan lain-lain. v. dalam wayar yang terletak di bawah Kutub Utara - ke arah kami.

Jika anda menyambungkan penerima tenaga elektrik 4 ke belitan angker, maka arus elektrik I akan mengalir melalui litar tertutup.Dalam wayar belitan angker, arus I akan diarahkan dengan cara yang sama seperti e. dan lain-lain. s. d.

Mari kita fahami mengapa, untuk memutarkan angker dalam medan magnet, perlu menghabiskan tenaga mekanikal yang diperoleh daripada enjin diesel atau turbin (enjin utama). Apabila arus i mengalir melalui wayar yang terletak dalam medan magnet, daya elektromagnet F bertindak pada setiap wayar.

Dengan yang ditunjukkan dalam rajah. 1, dan arah arus mengikut peraturan kiri, daya F yang diarahkan ke kiri akan bertindak pada konduktor yang terletak di bawah Kutub Selatan, dan daya F yang diarahkan ke kanan akan bertindak pada konduktor yang terletak di bawah Kutub utara.Daya-daya ini bersama-sama mencipta momen elektromagnet M. mengikut arah jam.

Daripada pemeriksaan FIG. 1, tetapi dapat dilihat bahawa momen elektromagnet M, yang berlaku apabila penjana mengeluarkan tenaga elektrik, diarahkan ke arah yang bertentangan dengan putaran wayar, oleh itu ia adalah momen brek yang cenderung untuk memperlahankan putaran angker penjana.

Untuk mengelakkan sauh daripada terhenti, adalah perlu untuk menggunakan tork luaran Mvn pada aci angker, bertentangan dan sama magnitud dengan momen M. Dengan mengambil kira geseran dan kerugian dalaman lain dalam mesin, tork luaran mestilah lebih besar daripada momen elektromagnet M yang dicipta oleh arus beban penjana.

Oleh itu, untuk meneruskan operasi biasa penjana, adalah perlu untuk membekalkannya dengan tenaga mekanikal dari luar - untuk menghidupkan angkernya dengan setiap enjin 5.

Tanpa beban (dengan litar penjana luaran terbuka), penjana berada dalam mod melahu.Dalam kes ini, hanya jumlah tenaga mekanikal daripada diesel atau turbin diperlukan untuk mengatasi geseran dan mengimbangi kehilangan tenaga dalaman yang lain dalam penjana.

Dengan peningkatan dalam beban pada penjana, iaitu, kuasa elektrik REL yang diberikan olehnya, arus I melalui wayar belitan angker dan tork brek M. turbin untuk meneruskan operasi normal.

Oleh itu, lebih banyak tenaga elektrik digunakan, sebagai contoh, oleh motor elektrik lokomotif diesel daripada penjana lokomotif diesel, lebih banyak tenaga mekanikal yang diperlukan daripada enjin diesel memutarnya, dan lebih banyak bahan api mesti dibekalkan kepada enjin diesel. .

Daripada keadaan operasi penjana elektrik, yang dipertimbangkan di atas, ia adalah ciri-cirinya:

1. padanan dalam arah arus i dan e. dan lain-lain. v. dalam wayar belitan angker. Ini menunjukkan bahawa mesin sedang melepaskan tenaga elektrik;

2. kemunculan momen brek elektromagnet M yang diarahkan terhadap putaran angker. Ini membayangkan keperluan untuk mesin menerima tenaga mekanikal dari luar.

Prinsip motor elektrik.

Pada dasarnya, motor elektrik direka dengan cara yang sama seperti penjana. Motor elektrik yang paling mudah ialah pusingan 1 (Rajah 1, b), terletak pada angker 3, yang berputar dalam medan magnet kutub 2. Konduktor giliran membentuk belitan angker.

Jika anda menyambungkan gegelung ke sumber tenaga elektrik, sebagai contoh, ke rangkaian elektrik 6, maka arus elektrik I akan mula mengalir melalui setiap wayarnya.Arus ini, berinteraksi dengan medan magnet kutub, menghasilkan elektromagnet daya F .

Dengan yang ditunjukkan dalam rajah. 1b, arah arus pada konduktor yang terletak di bawah kutub selatan akan dipengaruhi oleh daya F yang diarahkan ke kanan, dan daya F yang diarahkan ke kiri akan bertindak ke atas konduktor yang terletak di bawah kutub utara. Hasil daripada tindakan gabungan daya ini, tork elektromagnet M yang diarahkan lawan jam dicipta, yang memacu angker dengan wayar berputar dengan frekuensi tertentu n... Jika anda menyambungkan aci angker ke mana-mana mekanisme atau peranti 7 ( paksi tengah lokomotif diesel atau lokomotif elektrik, alat pemotong logam, dll.), maka motor elektrik akan menetapkan peranti ini dalam putaran, iaitu, memberikannya tenaga mekanikal.Dalam kes ini, momen luaran MVN yang dicipta oleh peranti ini akan diarahkan terhadap momen elektromagnet M.

Mari kita fahami mengapa tenaga elektrik digunakan apabila angker motor elektrik yang beroperasi di bawah beban berputar. Didapati bahawa apabila wayar angker berputar dalam medan magnet, e teraruh dalam setiap wayar. dan lain-lain. dengan, arah yang ditentukan mengikut peraturan sebelah kanan. Oleh itu, dengan yang ditunjukkan dalam rajah. 1, b arah putaran e. dan lain-lain. c. teraruh dalam konduktor yang terletak di bawah kutub selatan akan diarahkan menjauhi kita, dan e. dan lain-lain. s. e teraruh dalam konduktor yang terletak di bawah kutub utara akan diarahkan ke arah kita. Rajah. 1, b dilihat bahawa e., dsb. c) Iaitu, teraruh dalam setiap konduktor diarahkan melawan arus i, iaitu, ia menghalang laluannya melalui konduktor.

Agar arus terus mengalir melalui wayar angker ke arah yang sama, iaitu, supaya motor elektrik terus berfungsi dengan normal dan mengembangkan tork yang diperlukan, adalah perlu untuk menggunakan voltan luaran U pada wayar ini yang diarahkan ke e. dan lain-lain. c. dan lebih besar daripada umum e. dan lain-lain. c. E teraruh dalam semua wayar bersiri belitan angker. Oleh itu, adalah perlu untuk membekalkan tenaga elektrik kepada motor elektrik dari rangkaian.

Sekiranya tiada beban (tork brek luaran dikenakan pada aci motor), motor elektrik menggunakan sejumlah kecil tenaga elektrik daripada sumber luaran (sesalur) dan arus kecil mengalir melaluinya semasa melahu. Tenaga ini digunakan untuk menampung kehilangan kuasa dalaman dalam mesin.

Apabila beban bertambah, begitu juga arus yang digunakan oleh motor elektrik dan tork elektromagnet yang dihasilkannya. Oleh itu, peningkatan dalam tenaga mekanikal yang dikeluarkan oleh motor elektrik apabila beban meningkat secara automatik membawa kepada peningkatan dalam tenaga elektrik yang diperoleh daripada sumber.

Daripada keadaan operasi motor elektrik yang dibincangkan di atas, ia adalah ciri-cirinya:

1. kebetulan dalam arah momen elektromagnet M dan kelajuan n. Ini mencirikan pemulangan tenaga mekanikal daripada mesin;

2. rupa dalam wayar belitan angker e. dan lain-lain yang diarahkan melawan arus i dan voltan luar U. Ini membayangkan keperluan untuk mesin menerima tenaga elektrik dari luar.

Prinsip kebolehbalikan mesin elektrik

Memandangkan prinsip operasi penjana dan motor elektrik, kami mendapati ia disusun dengan cara yang sama dan terdapat banyak persamaan dalam asas pengendalian mesin ini.

Proses menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik dalam penjana dan tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dalam motor adalah berkaitan dengan aruhan EMF. dan lain-lain. ms dalam wayar belitan angker berputar dalam medan magnet dan kemunculan daya elektromagnet hasil daripada interaksi medan magnet dan wayar pembawa arus.

Perbezaan antara penjana dan motor elektrik hanya dalam arah bersama e. d. dengan, arus, tork dan kelajuan elektromagnet.

Merumuskan proses operasi penjana dan motor elektrik yang dipertimbangkan, adalah mungkin untuk mewujudkan prinsip keterbalikan mesin elektrik... Menurut prinsip ini, mana-mana mesin elektrik boleh berfungsi sebagai penjana dan motor elektrik dan beralih dari mod penjana ke mod motor dan begitu juga sebaliknya.

nasi. 2. Arah e., dsb. dengan E, arus I, frekuensi putaran angker n dan momen elektromagnet M semasa pengendalian mesin elektrik arus terus dalam mod motor (a) dan penjana (b)

Untuk menjelaskan keadaan ini, pertimbangkan untuk bekerja Mesin elektrik arus terus dalam keadaan yang berbeza. Jika voltan luar U lebih besar daripada jumlah e. dan lain-lain. v. D. dalam semua wayar bersiri penggulungan angker, maka arus I akan mengalir dalam yang ditunjukkan dalam rajah. 2, dan arah dan mesin akan berfungsi sebagai motor elektrik, memakan tenaga elektrik daripada rangkaian dan memberikan tenaga mekanikal.

Walau bagaimanapun, jika atas sebab tertentu e. dan lain-lain. c. E menjadi lebih besar daripada voltan luar U, maka arus I dalam belitan angker akan menukar arahnya (Rajah 2, b) dan bertepatan dengan e. dan lain-lain. v. D. Dalam kes ini, arah momen elektromagnet M juga akan berubah, yang akan diarahkan terhadap frekuensi putaran n... Kebetulan dalam arah d., dsb. dengan E dan arus I bermakna mesin telah mula memberikan tenaga elektrik kepada rangkaian, dan kemunculan momen elektromagnet brek M menunjukkan bahawa ia mesti menggunakan tenaga mekanikal dari luar.

Oleh itu, apabila e. dsb. denganE teraruh dalam wayar belitan angker menjadi lebih besar daripada voltan sesalur U, mesin bertukar dari mod operasi motor ke mod penjana, iaitu, apabila E < U mesin berfungsi sebagai motor, dengan E> U — sebagai sebuah penjana.

Pemindahan mesin elektrik dari mod motor ke mod penjana boleh dilakukan dengan cara yang berbeza: dengan mengurangkan voltan U sumber yang mana belitan angker disambungkan, atau dengan meningkatkan e. dan lain-lain. dengan E dalam belitan angker.