Procés de conversió d'energia en màquines elèctriques

Les màquines elèctriques es divideixen per finalitat en dos tipus principals: generadors elèctrics i motors elèctrics... Els generadors estan dissenyats per generar energia elèctrica, i els motors elèctrics estan dissenyats per accionar parells de rodes de locomotores, eixos giratoris de ventiladors, compressors, etc.

Un procés de conversió d'energia té lloc a les màquines elèctriques. Els generadors converteixen l'energia mecànica en energia elèctrica. Això vol dir que perquè el generador funcioni, cal girar el seu eix amb algun tipus de motor. En una locomotora dièsel, per exemple, un generador és accionat en rotació per un motor dièsel, en una central tèrmica per una turbina de vapor, d'una central hidroelèctrica: una turbina d'aigua.

Els motors elèctrics, en canvi, converteixen l'energia elèctrica en energia mecànica. Per tant, perquè el motor funcioni, ha d'estar connectat per cables a una font d'energia elèctrica, o, com diuen, endollat ​​a la xarxa elèctrica.

El principi de funcionament de qualsevol màquina elèctrica es basa en l'ús dels fenòmens d'inducció electromagnètica i l'aparició de forces electromagnètiques durant la interacció dels cables amb un corrent i un camp magnètic. Aquests fenòmens es realitza durant el funcionament tant del generador com del motor elèctric. Per tant, sovint parlen dels modes de funcionament del generador i del motor de les màquines elèctriques.

En les màquines elèctriques giratòries, en el procés de conversió d'energia intervenen dues parts principals: l'induït i l'inductor amb els seus propis bobinatges que es mouen entre si. L'inductor crea un camp magnètic al cotxe. En el bobinatge de l'induït induït per e. amb… i es produeix un corrent elèctric. Quan el corrent interacciona a l'enrotllament de l'induït amb un camp magnètic, es creen forces electromagnètiques, a través de les quals es realitza el procés de conversió d'energia a la màquina.

Per a la realització d'un procés de conversió d'energia en una màquina elèctrica

Les disposicions següents deriven dels teoremes fonamentals de l'energia elèctrica de Poincaré i Barhausen:

1) la transformació recíproca directa de l'energia mecànica i elèctrica només és possible si l'energia elèctrica és l'energia del corrent elèctric altern;

2) Per a l'execució del procés d'aquesta conversió d'energia, és necessari que el sistema de circuits elèctrics destinats a aquesta finalitat tingui una inductància elèctrica variable o una capacitat elèctrica canviant,

3) per convertir l'energia d'un corrent elèctric altern en l'energia d'un corrent elèctric continu, és necessari que el sistema de circuits elèctrics dissenyat amb aquesta finalitat tingui una resistència elèctrica variable.

De la primera posició es dedueix que l'energia mecànica es pot convertir en una màquina elèctrica només en energia de corrent elèctric altern o viceversa.

L'aparent contradicció d'aquesta afirmació amb el fet de l'existència de màquines elèctriques de corrent continu es resol pel fet que en una «màquina de corrent continu» tenim una conversió d'energia en dues etapes.

Així, en el cas d'un generador de màquina elèctrica de corrent continu, tenim una màquina en la qual l'energia mecànica es converteix en energia de corrent altern i aquesta última, a causa de la presència d'un dispositiu especial que representa "resistència elèctrica variable", es converteix en energia. de corrent continu.

En el cas d'una màquina elèctrica, el procés òbviament va en sentit contrari: l'energia del corrent elèctric continu subministrada a una màquina elèctrica es converteix mitjançant aquesta resistència variable en energia de corrent elèctric altern, i aquesta última en energia mecànica.

El paper de l'esmentada resistència elèctrica canviant el juga el "contacte elèctric lliscant", que en una "màquina col·lectora de corrent continu" convencional consisteix en un "raspall de màquina elèctrica" ​​i un "colector de màquina elèctrica", i en anelles lliscants ".

Com que per crear un procés de conversió d'energia en una màquina elèctrica, és necessari tenir-hi "inductància elèctrica variable" o "capacità elèctrica variable", una màquina elèctrica es pot fer segons el principi d'inducció electromagnètica, o bé principi d'inducció elèctrica. En el primer cas obtenim una "màquina inductiva", en el segon una "màquina capacitiva".

Les màquines de capacitat encara no tenen importància pràctica.Utilitzades a la indústria, al transport i a la vida quotidiana, les màquines elèctriques són màquines inductives, darrere de les quals a la pràctica ha arrelat el nom curt de "màquina elèctrica", que és essencialment un concepte més ampli.

Principi de funcionament d'un generador elèctric.

El generador elèctric més senzill és un bucle que gira en un camp magnètic (Fig. 1, a). En aquest generador, la volta 1 és el bobinatge de l'induït. L'inductor són imants permanents 2, entre els quals gira l'induït 3.

Arròs. 1. Esquemes del generador més simple (a) i del motor elèctric (b)

Quan la bobina gira amb una certa freqüència de rotació n, els seus costats (conductors) creuen les línies de camp magnètic del flux Ф i s'indueix e en cada conductor. etc. s. d. Amb el adoptat a la fig. 1 i el sentit de gir de l'induït e. etc. c) en el conductor situat sota el pol sud, segons la regla de la dreta, es dirigeix ​​lluny de nosaltres, i e. etc. v. en un cable situat sota el pol nord - cap a nosaltres.

Si connecteu un receptor d'energia elèctrica 4 al bobinat de l'induït, aleshores un corrent elèctric I circularà per un circuit tancat.En els cables del bobinat de l'induït, el corrent I es dirigirà de la mateixa manera que e. etc. SD.

Entenem per què, per fer girar l'induït en un camp magnètic, cal gastar energia mecànica obtinguda d'un motor dièsel o d'una turbina (motor principal). Quan el corrent i flueix per cables situats en un camp magnètic, una força electromagnètica F actua sobre cada cable.

Amb l'indicat a la fig. 1, i la direcció del corrent segons la regla de l'esquerra, la força F dirigida a l'esquerra actuarà sobre el conductor situat sota el pol sud, i la força F dirigida a la dreta actuarà sobre el conductor situat sota el Pol Nord.Aquestes forces juntes creen un moment electromagnètic M. en el sentit de les agulles del rellotge.

A partir d'un examen de la FIG. 1, però es pot veure que el moment electromagnètic M, que es produeix quan el generador emet energia elèctrica, es dirigeix ​​en sentit contrari a la rotació dels cables, per tant és un moment de frenada que tendeix a frenar la rotació del armadura del generador.

Per evitar que l'àncora s'atura, cal aplicar un parell extern Mvn a l'eix de l'induït, oposat i igual en magnitud al moment M. Tenint en compte la fricció i altres pèrdues internes a la màquina, el parell extern ha de ser superior al moment electromagnètic M creat pel corrent de càrrega del generador.

Per tant, per continuar el funcionament normal del generador, cal subministrar-lo amb energia mecànica des de l'exterior: girar la seva armadura amb cada motor 5.

Sense càrrega (amb el circuit del generador extern obert), el generador està en mode inactiu. En aquest cas, només es necessita la quantitat d'energia mecànica del dièsel o de la turbina per superar la fricció i compensar altres pèrdues d'energia interna del generador.

Amb un augment de la càrrega del generador, és a dir, la potència elèctrica REL donada per aquest, el corrent I que passa pels cables del bobinatge de l'induït i el parell de frenada M. turbines per continuar el funcionament normal.

Així, com més energia elèctrica consumeix, per exemple, els motors elèctrics d'una locomotora dièsel d'un generador de locomotores dièsel, més energia mecànica necessitarà del motor dièsel que la fa girar i més combustible s'ha de subministrar al motor dièsel. .

De les condicions de funcionament del generador elèctric, considerades anteriorment, se'n desprèn que és característic:

1. concordant en el sentit del corrent i i e. etc. v. en els cables del bobinatge de l'induït. Això indica que la màquina està alliberant energia elèctrica;

2. l'aparició d'un moment de frenada electromagnètic M dirigit contra la rotació de l'induït. Això implica la necessitat que una màquina rebi energia mecànica de l'exterior.

El principi del motor elèctric.

En principi, el motor elèctric està dissenyat de la mateixa manera que el generador. El motor elèctric més senzill és un gir 1 (Fig. 1, b), situat a l'induït 3, que gira en el camp magnètic dels pols 2. Els conductors del gir formen un bobinat d'induït.

Si connecteu la bobina a una font d'energia elèctrica, per exemple, a una xarxa elèctrica 6, llavors un corrent elèctric I començarà a fluir per cadascun dels seus cables. Aquest corrent, interaccionant amb el camp magnètic dels pols, crea electromagnètics. forces F.

Amb l'indicat a la fig. 1b, la direcció del corrent al conductor situat sota el pol sud es veurà afectada per la força F dirigida a la dreta, i la força F dirigida a l'esquerra actuarà sobre el conductor situat sota el pol nord. Com a resultat de l'acció combinada d'aquestes forces, es crea un parell electromagnètic M dirigit en sentit contrari a les agulles del rellotge, que fa girar l'induït amb el cable amb una freqüència determinada n... Si connecteu l'eix de l'induït a qualsevol mecanisme o dispositiu 7 ( eix central d'una locomotora dièsel o una locomotora elèctrica, una eina de tall de metall, etc.), aleshores el motor elèctric farà girar aquest dispositiu, és a dir, li donarà energia mecànica.En aquest cas, el moment extern MVN creat per aquest dispositiu es dirigirà contra el moment electromagnètic M.

Entenem per què es consumeix energia elèctrica quan l'induït d'un motor elèctric que funciona sota càrrega gira. Es va trobar que quan els cables de l'induït giren en un camp magnètic, s'indueix e en cada cable. etc. amb, la direcció del qual es determina segons la regla de la mà dreta. Per tant, amb l'indicat a la fig. 1, b sentit de gir de e. etc. c.e induïda en el conductor situat sota el pol sud es dirigirà lluny de nosaltres, i e. etc. s. e induïda en el conductor situat sota el pol nord es dirigirà cap a nosaltres. Fig. 1, b es veu que e., etc. c. És a dir, els induïts en cada conductor estan dirigits contra el corrent i, és a dir, impedeixen el seu pas pels conductors.

Perquè el corrent continuï circulant pels cables de l'induït en la mateixa direcció, és a dir, perquè el motor elèctric continuï funcionant amb normalitat i desenvolupi el parell necessari, cal aplicar una tensió externa U a aquests cables dirigits a e. etc. c. i més gran que el general e. etc. c) E induïda en tots els cables connectats en sèrie del bobinatge de l'induït. Per tant, és necessari subministrar energia elèctrica al motor elèctric des de la xarxa.

En absència de càrrega (parell de frenada extern aplicat a l'eix del motor), el motor elèctric consumeix una petita quantitat d'energia elèctrica d'una font externa (red) i un petit corrent flueix a través d'ell en ralentí. Aquesta energia s'utilitza per cobrir les pèrdues de potència internes de la màquina.

A mesura que augmenta la càrrega, també augmenta el corrent consumit pel motor elèctric i el parell electromagnètic que desenvolupa. Per tant, un augment de l'energia mecànica alliberada pel motor elèctric a mesura que augmenta la càrrega provoca automàticament un augment de l'electricitat que treu de la font.

De les condicions de funcionament del motor elèctric comentades anteriorment, se'n desprèn que és característic:

1. coincidència en la direcció del moment electromagnètic M i la velocitat n. Això caracteritza el retorn de l'energia mecànica de la màquina;

2. l'aparició en els cables del bobinatge de l'induït e. etc dirigida contra el corrent i i la tensió externa U. Això implica la necessitat que la màquina rebi energia elèctrica de l'exterior.

El principi de reversibilitat de les màquines elèctriques

Tenint en compte el principi de funcionament d'un generador i d'un motor elèctric, vam comprovar que estan disposats de la mateixa manera i que hi ha molt en comú en la base del funcionament d'aquestes màquines.

El procés de conversió d'energia mecànica en energia elèctrica al generador i energia elèctrica en energia mecànica al motor està relacionat amb la inducció de CEM. etc. pp en els cables del bobinatge de l'induït girant en un camp magnètic i l'aparició de forces electromagnètiques com a resultat de la interacció del camp magnètic i els cables que transporten corrent.

La diferència entre un generador i un motor elèctric només és en la direcció mútua de e. d. amb, corrent, parell electromagnètic i velocitat.

Resumint els processos de funcionament del generador i del motor elèctric considerats, és possible establir un principi de reversibilitat de les màquines elèctriques... Segons aquest principi, qualsevol màquina elèctrica pot funcionar com a generador i motor elèctric i passar del mode generador al mode motor. i viceversa.

Arròs. 2. Direcció d'e., etc. amb E, corrent I, freqüència de rotació de l'induït n i moment electromagnètic M durant el funcionament d'una màquina elèctrica de corrent continu en els modes de motor (a) i generador (b)

Per aclarir aquesta situació, considereu el treball Màquina elèctrica de corrent continu sota diferents condicions. Si la tensió externa U és superior a la e total. etc. v. D. en tots els cables connectats en sèrie del bobinat de l'induït, aleshores el corrent I circularà en el que s'indica a la fig. 2, i la direcció i la màquina funcionaran com a motor elèctric, consumint energia elèctrica de la xarxa i donant energia mecànica.

Tanmateix, si per algun motiu e. etc. c.E esdevé més gran que la tensió externa U, aleshores el corrent I al bobinatge de l'induït canviarà de direcció (Fig. 2, b) i coincidirà amb e. etc. v. D. En aquest cas també canviarà el sentit del moment electromagnètic M, que anirà dirigit en contra de la freqüència de gir n... Coincidència en el sentit d., etc. amb E i corrent I vol dir que la màquina ha començat a donar energia elèctrica a la xarxa, i l'aparició d'un moment electromagnètic de frenada M indica que ha de consumir energia mecànica de l'exterior.

Per tant, quan e. etc. ambE induïda als cables del bobinatge de l'induït és més gran que la tensió de xarxa U, la màquina passa del mode de funcionament del motor al mode del generador, és a dir, quan E <U la màquina funciona com a motor, amb E> U - com un generador.

La transferència d'una màquina elèctrica del mode motor al mode generador es pot fer de diferents maneres: reduint la tensió U de la font a la qual està connectat el bobinatge de l'induït, o augmentant e. etc. amb E al bobinatge de l'induït.