Enerģijas pārveidošanas process elektriskajās mašīnās
Elektriskās mašīnas pēc mērķa iedala divos galvenajos veidos: elektriskie ģeneratori un elektromotori... Ģeneratori ir paredzēti elektroenerģijas ģenerēšanai, bet elektromotori – lokomotīvju riteņu pāru piedziņai, ventilatoru vārpstu, kompresoru u.c.
Elektriskās mašīnās notiek enerģijas pārveidošanas process. Ģeneratori pārvērš mehānisko enerģiju elektroenerģijā. Tas nozīmē, ka, lai ģenerators darbotos, ir jāpagriež tā vārpsta ar kaut kādu dzinēju. Piemēram, dīzeļlokomotīvē ģeneratoru rotē dīzeļdzinējs, termoelektrostacijā ar tvaika turbīnu, hidroelektrostacijas — ūdens turbīnas.
No otras puses, elektromotori pārvērš elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā. Tāpēc, lai dzinējs darbotos, tam ar vadiem jābūt savienotam ar elektroenerģijas avotu vai, kā saka, pieslēgtam elektrotīklam.
Jebkuras elektriskās mašīnas darbības princips ir balstīts uz elektromagnētiskās indukcijas parādību izmantošanu un elektromagnētisko spēku parādīšanos vadu mijiedarbības laikā ar strāvu un magnētisko lauku. Šīs parādības tiek veikta gan ģeneratora, gan elektromotora darbības laikā. Tāpēc viņi bieži runā par elektrisko mašīnu ģeneratora un motora darbības režīmiem.
Rotējošās elektriskās mašīnās enerģijas pārveidošanas procesā ir iesaistītas divas galvenās daļas: armatūra un induktors ar saviem tinumiem, kas pārvietojas viens pret otru. Induktors rada automašīnā magnētisko lauku. Armatūras tinumā ko izraisa e. ar… un rodas elektriskā strāva. Strāvai mijiedarbojoties armatūras tinumā ar magnētisko lauku, rodas elektromagnētiskie spēki, caur kuriem tiek realizēts enerģijas pārveidošanas process mašīnā.
Enerģijas pārveidošanas procesa veikšanai elektriskā mašīnā
No Puankarē un Barhauzena elektriskās enerģijas pamatteorēmām izriet šādi noteikumi:
1) mehāniskās un elektriskās enerģijas tieša abpusēja pārveidošana iespējama tikai tad, ja elektriskā enerģija ir maiņstrāvas enerģija;
2) šādas enerģijas pārveidošanas procesa īstenošanai ir nepieciešams, lai šim nolūkam paredzētajai elektrisko ķēžu sistēmai būtu vai nu mainīga elektriskā induktivitāte, vai mainīga elektriskā jauda,
3) lai pārveidotu maiņstrāvas enerģiju līdzstrāvas enerģijā, nepieciešams, lai šim nolūkam paredzētajai elektrisko ķēžu sistēmai būtu mainīga elektriskā pretestība.
No pirmās pozīcijas izriet, ka mehānisko enerģiju elektriskā mašīnā var pārvērst tikai maiņstrāvas enerģijā vai otrādi.
Šī apgalvojuma šķietamo pretrunu ar līdzstrāvas elektrisko mašīnu pastāvēšanas faktu atrisina fakts, ka "līdzstrāvas mašīnā" mums ir divpakāpju enerģijas pārveidošana.
Tātad līdzstrāvas elektriskās mašīnas ģeneratora gadījumā mums ir iekārta, kurā mehāniskā enerģija tiek pārveidota maiņstrāvas enerģijā, un pēdējā, pateicoties īpašai ierīcei, kas attēlo "mainīgo elektrisko pretestību", tiek pārveidota enerģijā. no līdzstrāvas.
Elektriskās mašīnas gadījumā process acīmredzami norit pretējā virzienā: elektriskajai mašīnai pievadītās līdzstrāvas enerģija ar minētās mainīgās pretestības palīdzību tiek pārvērsta maiņstrāvas enerģijā, bet pēdējā – mehāniskajā enerģijā.
Minētās mainīgās elektriskās pretestības lomu spēlē "slīdošais elektriskais kontakts", kas parastajā "līdzstrāvas kolektora mašīnā" sastāv no "elektriskās mašīnas birstes" un "elektriskās mašīnas kolektora" un slīdēšanas gredzeniem.
Tā kā, lai elektriskā mašīnā izveidotu enerģijas pārveidošanas procesu, tajā ir jābūt vai nu "mainīgai elektriskā induktivitātei" vai "mainīgai elektriskā kapacitātei", elektrisko mašīnu var izgatavot vai nu pēc elektromagnētiskās indukcijas principa, vai uz elektriskās indukcijas princips. Pirmajā gadījumā mēs iegūstam "induktīvo mašīnu", otrajā - "kapacitatīvo mašīnu".
Kapacitātes mašīnām joprojām nav praktiskas nozīmes.Rūpniecībā, transportā un sadzīvē izmantotās elektriskās mašīnas ir induktīvās mašīnas, aiz kurām praksē iesakņojies īsais nosaukums "elektriskā mašīna", kas būtībā ir plašāks jēdziens.
Elektriskā ģeneratora darbības princips.
Vienkāršākais elektriskais ģenerators ir cilpa, kas rotē magnētiskajā laukā (1. att., a). Šajā ģeneratorā 1. pagrieziens ir armatūras tinums. Induktors ir pastāvīgie magnēti 2, starp kuriem griežas armatūra 3.
Rīsi. 1. Vienkāršākā ģeneratora (a) un elektromotora (b) shematiskās diagrammas
Spolei griežoties ar noteiktu griešanās frekvenci n, tās malas (vadītāji) šķērso plūsmas Ф magnētiskā lauka līnijas un katrā vadītājā tiek inducēts e. utt. s. d. Ar pieņemto att. 1 un armatūras griešanās virzienu e. utt. c) vadītājā, kas atrodas zem dienvidu pola, saskaņā ar labās rokas likumu ir vērsta prom no mums, un e. utt. v. vadā, kas atrodas zem Ziemeļpola - pret mums.
Ja armatūras tinumam pievienosiet elektriskās enerģijas uztvērēju 4, tad caur slēgtu ķēdi plūdīs elektriskā strāva I. Armatūras tinuma vados strāva I tiks virzīta tāpat kā e. utt. s. d.
Sapratīsim, kāpēc, lai armatūru pagrieztu magnētiskajā laukā, ir jātērē mehāniskā enerģija, kas iegūta no dīzeļdzinēja vai turbīnas (galvenā dzinēja). Kad strāva i plūst pa vadiem, kas atrodas magnētiskajā laukā, uz katru vadu iedarbojas elektromagnētiskais spēks F.
Ar norādīto attēlā. 1, un strāvas virziens saskaņā ar kreisās puses likumu, spēks F, kas vērsts pa kreisi, iedarbosies uz vadītāju, kas atrodas zem dienvidu pola, un spēks F, kas vērsts pa labi, iedarbosies uz vadītāju, kas atrodas zem Ziemeļpols.Šie spēki kopā rada elektromagnētisko momentu M. pulksteņrādītāja virzienā.
Pārbaudot Fig. 1, taču redzams, ka elektromagnētiskais moments M, kas rodas, ģeneratoram izstarot elektrisko enerģiju, ir vērsts pretējā virzienā vadu rotācijai, tāpēc tas ir bremzēšanas moments, kas mēdz palēnināt ģeneratora armatūra.
Lai novērstu enkura apstāšanos, armatūras vārpstai jāpieliek ārējs griezes moments Mvn, kas ir pretējs momentam M un vienāds ar lielumu. Ņemot vērā berzi un citus iekšējos zudumus mašīnā, ārējam griezes momentam jābūt lielākam par elektromagnētisko momentu M, ko rada ģeneratora slodzes strāva.
Tāpēc, lai turpinātu normālu ģeneratora darbību, ir nepieciešams to apgādāt ar mehānisko enerģiju no ārpuses - ar katru dzinēju 5 pagriezt tā armatūru.
Bez slodzes (ar atvērtu ārējo ģeneratora ķēdi) ģenerators ir dīkstāves režīmā.Šajā gadījumā ir nepieciešams tikai mehāniskās enerģijas daudzums no dīzeļa vai turbīnas, lai pārvarētu berzi un kompensētu citus iekšējos enerģijas zudumus ģeneratorā.
Pieaugot ģeneratora slodzei, tas ir, tā dotajai elektriskajai jaudai REL, strāvai I, kas iet caur armatūras tinuma vadiem un bremzēšanas momentu M. turbīnas, lai turpinātu normālu darbību.
Tādējādi, jo vairāk elektroenerģijas patērē, piemēram, dīzeļlokomotīves elektromotori no dīzeļlokomotīves ģeneratora, jo vairāk mehāniskās enerģijas tas paņem no dīzeļdzinēja, kas to griež, un jo vairāk degvielas jāpavada dīzeļdzinējam. .
No iepriekš apskatītajiem elektriskā ģeneratora darbības apstākļiem izriet, ka tas ir raksturīgs:
1. saskaņošana strāvas i un e virzienā. utt. v. armatūras tinuma vados. Tas norāda, ka iekārta atbrīvo elektrisko enerģiju;
2. pret armatūras griešanos vērsta elektromagnētiskā bremzēšanas momenta M parādīšanās. Tas nozīmē, ka mašīnai ir jāsaņem mehāniskā enerģija no ārpuses.
Elektromotora darbības princips.
Principā elektromotors ir veidots tāpat kā ģenerators. Vienkāršākais elektromotors ir pagrieziens 1 (1. att., b), kas atrodas uz armatūras 3, kas griežas polu magnētiskajā laukā 2. Pagrieziena vadītāji veido armatūras tinumu.
Ja pievienosiet spoli kādam elektriskās enerģijas avotam, piemēram, elektriskajam tīklam 6, tad pa katru tā vadu sāks plūst elektriskā strāva I. Šī strāva, mijiedarbojoties ar polu magnētisko lauku, rada elektromagnētisko. spēki F .
Ar norādīto attēlā. 1b, strāvas virzienu uz vadītāju, kas atrodas zem dienvidu pola, ietekmēs spēks F, kas vērsts pa labi, un spēks F, kas vērsts pa kreisi, darbosies uz vadītāju, kas atrodas zem ziemeļpola. Šo spēku apvienotās darbības rezultātā rodas pretēji pulksteņrādītāja virzienam vērsts elektromagnētiskais griezes moments M, kas dzen enkuru ar vadu griezties ar noteiktu frekvenci n... Ja pievienojat armatūras vārpstu jebkuram mehānismam vai ierīcei 7 ( dīzeļlokomotīves vai elektriskās lokomotīves, metāla griezējinstrumenta u.c. centra ass), tad elektromotors iestatīs šo ierīci griezties, tas ir, piešķirs tai mehānisko enerģiju.Šajā gadījumā šīs ierīces radītais ārējais moments MVN tiks vērsts pret elektromagnētisko momentu M.
Sapratīsim, kāpēc elektroenerģija tiek patērēta, kad griežas ar slodzi strādājoša elektromotora armatūra. Tika konstatēts, ka armatūras vadiem rotējot magnētiskajā laukā, katrā vadā tiek inducēts e. utt. ar kura virzienu nosaka pēc labās rokas likuma. Tāpēc ar norādīto att. 1, b e rotācijas virziens. utt. c) e, kas inducēts vadītājā, kas atrodas zem dienvidu pola, tiks novirzīts prom no mums, un e. utt. s.e, kas inducēts vadītājā, kas atrodas zem ziemeļpola, tiks vērsta pret mums. att. 1, b ir redzams, ka e. utt. c. Tas ir, katrā vadītājā inducētie ir vērsti pret strāvu i, tas ir, tie neļauj tai iziet cauri vadītājiem.
Lai strāva turpinātu plūst pa armatūras vadiem vienā virzienā, tas ir, lai elektromotors turpinātu normāli strādāt un attīstītu nepieciešamo griezes momentu, šiem vadiem ir jāpieliek ārējais spriegums U, kas vērsts uz e. utt. c un lielāks par vispārējo e. utt. c) E inducēts visos virknē savienotajos armatūras tinuma vados. Tāpēc elektromotoram elektroenerģiju nepieciešams piegādāt no tīkla.
Ja nav slodzes (motora vārpstai tiek pielikts ārējais bremzēšanas moments), elektromotors patērē nelielu daudzumu elektroenerģijas no ārēja avota (tīkla), un caur to tukšgaitā plūst neliela strāva. Šo enerģiju izmanto, lai segtu iekārtas iekšējos jaudas zudumus.
Pieaugot slodzei, palielinās arī elektromotora patērētā strāva un tā radītais elektromagnētiskais griezes moments. Tāpēc mehāniskās enerģijas palielināšanās, ko izdala elektromotors, palielinoties slodzei, automātiski palielina elektroenerģijas daudzumu, ko tas ņem no avota.
No iepriekš apskatītajiem elektromotora darbības apstākļiem izriet, ka tas ir raksturīgs tam:
1. sakritība elektromagnētiskā momenta M un ātruma n virzienā. Tas raksturo mehāniskās enerģijas atgriešanos no mašīnas;
2. armatūras tinuma parādīšanās vados e. utt., kas vērsti pret strāvu i un ārējo spriegumu U. Tas nozīmē, ka iekārtai ir jāsaņem elektroenerģija no ārpuses.
Elektrisko mašīnu atgriezeniskuma princips
Ņemot vērā ģeneratora un elektromotora darbības principu, konstatējām, ka tie ir izvietoti vienādi un ka šo mašīnu darbības pamatā ir daudz kopīga.
Process, kurā mehāniskā enerģija tiek pārveidota elektriskajā enerģijā ģeneratorā un elektriskā enerģija mehāniskajā enerģijā motorā, ir saistīts ar EML indukciju. utt. lpp.armatūras tinuma vados, kas rotē magnētiskajā laukā un elektromagnētisko spēku rašanos magnētiskā lauka un strāvu nesošo vadu mijiedarbības rezultātā.
Atšķirība starp ģeneratoru un elektromotoru ir tikai savstarpējā virzienā e. d) ar strāvu, elektromagnētisko griezes momentu un ātrumu.
Apkopojot aplūkotos ģeneratora un elektromotora darbības procesus, iespējams noteikt elektrisko mašīnu atgriezeniskuma principu... Pēc šī principa jebkura elektromašīna var darboties kā ģenerators un elektromotors un pārslēgties no ģeneratora režīma uz motora režīmu un otrādi.
Rīsi. 2. E. virziens utt. ar E, strāva I, armatūras griešanās frekvence n un elektromagnētiskais moments M līdzstrāvas elektriskās mašīnas darbības laikā motora (a) un ģeneratora (b) režīmā
Lai noskaidrotu šo situāciju, apsveriet iespēju strādāt Līdzstrāvas elektriskā mašīna dažādos apstākļos. Ja ārējais spriegums U ir lielāks par kopējo e. utt. v. D. visos virknē pieslēgtajos armatūras tinuma vados, tad strāva I tecēs tajā, kas norādīta att. 2, un virziens un mašīna darbosies kā elektromotors, patērējot elektroenerģiju no tīkla un izdalot mehānisko enerģiju.
Tomēr, ja kāda iemesla dēļ e. utt. c.E kļūst lielāka par ārējo spriegumu U, tad strāva I armatūras tinumā mainīs virzienu (2.att., b) un sakritīs ar e. utt. v. D. Šajā gadījumā mainīsies arī elektromagnētiskā momenta M virziens, kas būs vērsts pret griešanās frekvenci n... Sakritība virzienā d. utt. ar E un strāvu I nozīmē, ka iekārta ir sākusi tīklam dot elektrisko enerģiju, un bremzēšanas elektromagnētiskā momenta M parādīšanās norāda, ka tai jāpatērē mehāniskā enerģija no ārpuses.
Tāpēc, kad e. utt. arArmatūras tinuma vados inducētais E kļūst lielāks par tīkla spriegumu U, iekārta pārslēdzas no motora darbības režīma uz ģeneratora režīmu, tas ir, kad E < U iekārta darbojas kā motors, ar E> U — kā ģenerators.
Elektriskās mašīnas pārslēgšanu no motora režīma uz ģeneratora režīmu var veikt dažādos veidos: samazinot avota spriegumu U, kuram pievienots armatūras tinums, vai palielinot e. utt. ar E armatūras tinumā.