Energian muuntoprosessi sähkökoneissa

Sähkökoneet jaetaan käyttötarkoituksen mukaan kahteen päätyyppiin: sähkögeneraattorit ja sähkömoottorit... Generaattorit on suunniteltu tuottamaan sähköä, ja sähkömoottorit on suunniteltu ohjaamaan veturien pyöräpareja, kääntämään puhaltimien akseleita, kompressoreja jne.

Sähkökoneissa tapahtuu energian muunnosprosessi. Generaattorit muuttavat mekaanisen energian sähköenergiaksi. Tämä tarkoittaa, että jotta generaattori toimisi, sinun on käännettävä sen akselia jollain moottorilla. Esimerkiksi dieselveturissa generaattoria pyörittää dieselmoottori, lämpövoimalaitoksessa höyryturbiini, vesivoimalaitoksesta - vesiturbiinista.

Sähkömoottorit puolestaan ​​muuttavat sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Siksi, jotta moottori toimisi, se on kytkettävä johdoilla sähköenergian lähteeseen tai, kuten sanotaan, kytkettynä sähköverkkoon.

Minkä tahansa sähkökoneen toimintaperiaate perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöiden käyttöön ja sähkömagneettisten voimien esiintymiseen johtojen vuorovaikutuksessa virran ja magneettikentän kanssa. Nämä ilmiöt suoritetaan sekä generaattorin että sähkömoottorin käytön aikana. Siksi he puhuvat usein sähkökoneiden generaattori- ja moottorikäyttötavoista.

Pyöritävissä sähkökoneissa energian muuntoprosessissa on mukana kaksi pääosaa: ankkuri ja kela omilla käämeillä, jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa. Induktori luo magneettikentän autoon. Ankkurin käämeissä e. kanssa…ja syntyy sähkövirta. Kun virta on vuorovaikutuksessa ankkurikäämissä magneettikentän kanssa, syntyy sähkömagneettisia voimia, joiden kautta energian muunnosprosessi koneessa toteutuu.

Energian muuntoprosessin suorittamiseen sähkökoneessa

Seuraavat määräykset ovat peräisin Poincarén ja Barhausenin sähköenergian peruslauseista:

1) mekaanisen ja sähköisen energian suora vastavuoroinen muuntaminen on mahdollista vain, jos sähköenergia on vaihtosähkövirran energiaa;

2) tällaisen energian muunnosprosessin toteuttamiseksi on välttämätöntä, että tähän tarkoitukseen tarkoitetulla sähköpiirijärjestelmällä on joko muuttuva sähköinduktanssi tai muuttuva sähkökapasiteetti,

3) vaihtosähkövirran energian muuntamiseksi tasavirran energiaksi on välttämätöntä, että tähän tarkoitukseen suunnitellulla sähköpiirijärjestelmällä on muuttuva sähkövastus.

Ensimmäisestä asennosta seuraa, että mekaaninen energia voidaan muuntaa sähkökoneessa vain vaihtosähköenergiaksi tai päinvastoin.

Tämän väitteen ilmeinen ristiriita tasavirtasähkökoneiden olemassaolon kanssa ratkaistaan ​​sillä, että "tasavirtakoneessa" on kaksivaiheinen energian muunnos.

Joten tasavirtasähkökonegeneraattorin tapauksessa meillä on kone, jossa mekaaninen energia muunnetaan vaihtovirtaenergiaksi ja jälkimmäinen muunnetaan "muuttuvaa sähkövastusta" edustavan erityisen laitteen läsnäolon vuoksi energiaksi. tasavirrasta.

Sähkökoneen tapauksessa prosessi etenee ilmeisesti päinvastaiseen suuntaan: sähkökoneeseen syötettävän tasavirran energia muunnetaan mainitun muuttuvan resistanssin avulla vaihtosähköenergiaksi ja jälkimmäinen mekaaniseksi energiaksi.

Mainitun muuttuvan sähkövastuksen roolia hoitaa "liukuva sähkökosketin", joka tavanomaisessa "DC-kollektorikoneessa" koostuu "sähkökoneen harjasta" ja "sähkökoneen kokoojasta" sekä liukurenkaista ".

Koska sähkökoneessa energian muunnosprosessin aikaansaamiseksi tarvitaan joko "muuttuva sähköinen induktanssi" tai "muuttuva sähköinen kapasitanssi", sähkökone voidaan valmistaa joko sähkömagneettisen induktion periaatteella tai sähköisen induktion periaate. Ensimmäisessä tapauksessa saamme "induktiivisen koneen", toisessa - "kapasitiivisen koneen".

Kapasitanssikoneilla ei edelleenkään ole käytännön merkitystä.Teollisuudessa, liikenteessä ja arjessa käytetyt sähkökoneet ovat induktiivisia koneita, joiden taakse käytännössä on juurtunut lyhyt nimitys "sähkökone", joka on olennaisesti laajempi käsite.

Sähkögeneraattorin toimintaperiaate.

Yksinkertaisin sähkögeneraattori on magneettikentässä pyörivä silmukka (kuva 1, a). Tässä generaattorissa kierros 1 on ankkurikäämi. Induktori on kestomagneetit 2, joiden välissä ankkuri 3 pyörii.

Riisi. 1. Kaaviokaaviot yksinkertaisimmasta generaattorista (a) ja sähkömoottorista (b)

Kun kela pyörii tietyllä pyörimistaajuudella n, sen sivut (johtimet) ylittävät vuon Ф magneettikenttäviivat ja e indusoituu jokaiseen johtimeen. jne. s. d. Kuvassa 2 omaksutulla tavalla. 1 ja ankkurin pyörimissuunta e. jne. c. etelänavan alla sijaitsevassa johtimessa on oikean käden säännön mukaan suunnattu poispäin meistä, ja e. jne. v. johdossa, joka sijaitsee pohjoisnavan alla - meitä kohti.

Jos liität ankkurikäämiin sähköenergian 4 vastaanottimen, niin suljetun piirin läpi kulkee sähkövirta I. Ankkurin käämin johdoissa virta I suunnataan samalla tavalla kuin e. jne. s. d.

Ymmärrämme, miksi ankkurin pyörittämiseksi magneettikentässä on käytettävä dieselmoottorista tai turbiinista saatua mekaanista energiaa (päämoottori). Kun virta i kulkee magneettikentässä olevien johtimien läpi, jokaiseen johtimeen vaikuttaa sähkömagneettinen voima F.

Kuvassa ilmoitetun kanssa. 1, ja virran suunta vasemman käden säännön mukaan, vasemmalle suunnattu voima F vaikuttaa etelänavan alla olevaan johtimeen ja oikealle suunnattu voima F vaikuttaa johtimeen, joka sijaitsee johtimessa. Pohjoisnapa.Nämä voimat yhdessä muodostavat sähkömagneettisen momentin M. myötäpäivään.

Kuvion 1 tarkastelun perusteella 1, mutta voidaan nähdä, että generaattorin lähettäessä sähköenergiaa esiintyvä sähkömagneettinen momentti M on suunnattu vastakkaiseen suuntaan kuin johtojen pyöriminen, joten se on jarrutusmomentti, joka pyrkii hidastamaan generaattorin ankkuri.

Ankkurin juuttumisen estämiseksi ankkurin akseliin on kohdistettava ulkoinen vääntömomentti Mvn, joka on vastakkainen ja yhtä suuri kuin momentti M. Ottaen huomioon kitka ja muut koneen sisäiset häviöt ulkoisen vääntömomentin tulee olla suurempi kuin generaattorin kuormitusvirran synnyttämä sähkömagneettinen momentti M.

Siksi generaattorin normaalin toiminnan jatkamiseksi on tarpeen toimittaa sille mekaanista energiaa ulkopuolelta - kääntää sen ankkuri jokaisella moottorilla 5.

Ilman kuormaa (ulkoisen generaattorin piirin ollessa auki) generaattori on lepotilassa, jolloin tarvitaan vain dieselin tai turbiinin mekaanista energiaa kitkan voittamiseksi ja muiden generaattorin sisäisten energiahäviöiden kompensoimiseksi.

Generaattorin kuormituksen, eli sen antaman sähkötehon REL, kasvaessa ankkurikäämin johtimien läpi kulkeva virta I ja jarrutusmomentti M. jatkavat turbiinien normaalia toimintaa.

Mitä enemmän sähköenergiaa siis kuluttavat esimerkiksi dieselveturin sähkömoottorit dieselveturigeneraattorista, sitä enemmän mekaanista energiaa se ottaa sitä pyörittävältä dieselmoottorilta ja sitä enemmän polttoainetta on syötettävä dieselmoottoriin. .

Edellä mainituista sähkögeneraattorin käyttöolosuhteista seuraa, että se on sille ominaista:

1. sovitus virran i ja e suunnassa. jne. v. ankkurikäämin johtimissa. Tämä osoittaa, että kone vapauttaa sähköenergiaa;

2. sähkömagneettisen jarrutusmomentin M ilmaantuminen, joka on suunnattu ankkurin pyörimistä vastaan. Tämä tarkoittaa, että koneen on vastaanotettava mekaanista energiaa ulkopuolelta.

Sähkömoottorin periaate.

Periaatteessa sähkömoottori on suunniteltu samalla tavalla kuin generaattori. Yksinkertaisin sähkömoottori on ankkurissa 3 sijaitseva kierros 1 (kuva 1, b), joka pyörii napojen 2 magneettikentässä. Käännöksen johtimet muodostavat ankkurikäämin.

Jos kytket kelan sähköenergian lähteeseen, esimerkiksi sähköverkkoon 6, niin sen jokaisen johdon läpi alkaa virrata sähkövirta I. Tämä virta, joka on vuorovaikutuksessa napojen magneettikentän kanssa, muodostaa sähkömagneettisen voimat F.

Kuvassa ilmoitetun kanssa. Kuviossa 1b etelänavan alla olevaan johtimeen kohdistuvaan virran suuntaan vaikuttaa oikealle suunnattu voima F ja vasemmalle suunnattu voima F pohjoisnavan alla olevaan johtimeen. Näiden voimien yhteisvaikutuksen seurauksena syntyy vastapäivään suunnattu sähkömagneettinen vääntömomentti M, joka saa ankkurin langalla pyörimään tietyllä taajuudella n... Jos liität ankkurin akselin mihin tahansa mekanismiin tai laitteeseen 7 ( dieselveturin tai sähköveturin, metallin leikkaustyökalun jne. keskiakseli), niin sähkömoottori asettaa tämän laitteen pyörimään, eli antaa sille mekaanista energiaa.Tässä tapauksessa tämän laitteen luoma ulkoinen momentti MVN suunnataan sähkömagneettista momenttia M vastaan.

Ymmärretään miksi sähköenergiaa kuluu, kun kuormitettuna toimivan sähkömoottorin ankkuri pyörii. Havaittiin, että kun ankkurilangat pyörivät magneettikentässä, e indusoituu jokaiseen lankaan. jne. kanssa, jonka suunta määräytyy oikean käden säännön mukaan. Siksi kuvassa 2 esitetyllä tavalla. 1, b e:n pyörimissuunta. jne. c. etelänavan alla olevaan johtimeen indusoituva e suunnataan poispäin meistä, ja e. jne. Pohjoisnavan alla olevaan johtimeen indusoituva s. e suunnataan meitä kohti. Kuva. 1, b nähdään, että e. jne. c. Toisin sanoen kussakin johtimessa indusoidut on suunnattu virtaa i vastaan, eli ne estävät sen kulkemisen johtimien läpi.

Jotta virta voisi edelleen kulkea ankkurijohtojen läpi samaan suuntaan, eli sähkömoottori jatkaa normaalia toimintaansa ja kehittää tarvittavan vääntömomentin, näihin johtimiin on kytkettävä ulkoinen jännite U, joka on suunnattu e. jne. c ja suurempi kuin yleinen e. jne. c. E indusoituu kaikkiin ankkurikäämin sarjaan kytkettyihin johtimiin. Siksi sähkömoottoriin on syötettävä sähköenergiaa verkosta.

Kuorman puuttuessa (ulkoinen jarrutusmomentti moottorin akselille) sähkömoottori kuluttaa pienen määrän sähköenergiaa ulkoisesta lähteestä (verkosta) ja sen läpi kulkee pieni virta tyhjäkäynnillä. Tällä energialla katetaan koneen sisäiset tehohäviöt.

Kuorman kasvaessa myös sähkömoottorin kuluttama virta ja sen kehittämä sähkömagneettinen vääntömomentti kasvavat. Siksi sähkömoottorin vapauttaman mekaanisen energian lisääntyminen kuorman kasvaessa johtaa automaattisesti lähteestä ottaman sähkön lisääntymiseen.

Edellä käsitellyistä sähkömoottorin käyttöolosuhteista seuraa, että se on sille ominaista:

1. yhteensattuma sähkömagneettisen momentin M ja nopeuden n suunnassa. Tämä luonnehtii mekaanisen energian paluuta koneesta;

2. ankkurikäämin ulkonäkö e. jne. suunnattu virtaa i ja ulkoista jännitettä U vastaan. Tämä tarkoittaa, että koneen on saatava sähköenergiaa ulkopuolelta.

Sähkökoneiden käännettävyyden periaate

Generaattorin ja sähkömoottorin toimintaperiaate huomioon ottaen havaitsimme, että ne on järjestetty samalla tavalla ja että näiden koneiden toiminnan perustassa on paljon yhteistä.

Prosessi, jossa mekaaninen energia muunnetaan sähköenergiaksi generaattorissa ja sähköenergia mekaaniseksi energiaksi moottorissa, liittyy EMF:n induktioon. jne. ss. magneettikentässä pyörivän ankkurikäämin johtimissa ja sähkömagneettisten voimien syntymisestä magneettikentän ja virtaa kuljettavien johtimien vuorovaikutuksen seurauksena.

Ero generaattorin ja sähkömoottorin välillä on vain e. d. virralla, sähkömagneettisella vääntömomentilla ja nopeudella.

Yhteenvetona tarkasteltavat generaattorin ja sähkömoottorin toimintaprosessit voidaan muodostaa sähkökoneiden käännettävyyden periaate... Tämän periaatteen mukaan mikä tahansa sähkökone voi toimia generaattorina ja sähkömoottorina ja vaihtaa generaattoritilasta moottoritilaan. ja päinvastoin.

Riisi. 2. E:n suunta jne. E, virta I, ankkurin pyörimistaajuus n ja sähkömagneettinen momentti M tasavirtasähkökoneen käytön aikana moottorissa (a) ja generaattorissa (b)

Selvittääksesi tämän tilanteen, harkitse työtä Tasavirtasähkökone eri olosuhteissa. Jos ulkoinen jännite U on suurempi kuin kokonaisjännite e. jne. v. D. kaikissa ankkurikäämin sarjakytketyissä johtimissa, silloin virta I kulkee kuvan 1 mukaisesti. 2, ja suunta ja kone toimivat sähkömoottorina, joka kuluttaa sähköä verkosta ja luovuttaa mekaanista energiaa.

Jos kuitenkin jostain syystä e. jne. c. E tulee suuremmaksi kuin ulkoinen jännite U, jolloin ankkurikäämin virta I muuttaa suuntaa (kuva 2, b) ja osuu yhteen e:n kanssa. jne. v. D. Tällöin myös sähkömagneettisen momentin M suunta muuttuu, mikä on suunnattu pyörimistaajuutta n vastaan... Sattuma suunnassa d. jne. E:llä ja virralla I tarkoittaa, että kone on alkanut antaa sähköenergiaa verkkoon ja jarrutussähkömagneettisen momentin M ilmaantuminen osoittaa, että sen on kulutettava mekaanista energiaa ulkopuolelta.

Siksi, kun esim. kanssaAnkkurin käämityksen johtimiin indusoituva E tulee suuremmiksi kuin verkkojännite U, kone siirtyy moottorikäyttötilasta generaattoritilaan, eli kun E < U kone toimii moottorina, kun E> U — kuten generaattori.

Sähkökoneen siirto moottoritilasta generaattoritilaan voidaan tehdä eri tavoin: alentamalla sen lähteen jännitettä U, johon ankkurikäämi on kytketty, tai lisäämällä e. jne. jossa E ankkurikäämityksessä.