Elektrik makinelerinde enerji dönüştürme işlemi

Elektrik makineleri amaçlarına göre iki ana türe ayrılır: elektrik jeneratörleri ve elektrik motorları... Jeneratörler elektrik enerjisi üretmek için tasarlanmıştır ve elektrik motorları, lokomotif tekerlek çiftlerini, fanların dönüş millerini, kompresörleri vb.

Elektrikli makinelerde bir enerji dönüştürme işlemi gerçekleşir. Jeneratörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu, jeneratörün çalışması için şaftını bir tür motorla döndürmeniz gerektiği anlamına gelir. Örneğin, bir dizel lokomotifte bir jeneratör bir dizel motor tarafından, bir termik santralde bir buhar türbini tarafından döndürülerek tahrik edilir, bir hidroelektrik santralinin - bir su türbini.

Elektrik motorları ise elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Bu nedenle motorun çalışması için kablolarla bir elektrik enerjisi kaynağına bağlanması veya dedikleri gibi elektrik şebekesine bağlanması gerekir.

Herhangi bir elektrikli makinenin çalışma prensibi, elektromanyetik indüksiyon fenomeninin kullanımına ve tellerin bir akım ve bir manyetik alanla etkileşimi sırasında elektromanyetik kuvvetlerin ortaya çıkmasına dayanır. Bu fenomenler hem jeneratörün hem de elektrik motorunun çalışması sırasında gerçekleştirilir. Bu nedenle, genellikle elektrikli makinelerin jeneratör ve motor çalışma modlarından bahsederler.

Dönen elektrikli makinelerde, enerji dönüştürme işleminde iki ana parça yer alır: armatür ve birbirine göre hareket eden kendi sargılarına sahip indüktör. İndüktör arabada bir manyetik alan oluşturur. Armatür sargısında e. ile… ve bir elektrik akımı oluşur. Armatür sargısındaki akım, bir manyetik alanla etkileşime girdiğinde, makinede enerji dönüştürme işleminin gerçekleştirildiği elektromanyetik kuvvetler oluşturulur.

Bir elektrikli makinede bir enerji dönüştürme işleminin performansı için

Aşağıdaki hükümler, Poincaré ve Barhausen'in elektrik enerjisinin temel teoremlerinden türetilmiştir:

1) mekanik ve elektrik enerjisinin doğrudan karşılıklı dönüşümü, yalnızca elektrik enerjisinin alternatif elektrik akımının enerjisi olması durumunda mümkündür;

2) bu tür bir enerji dönüştürme işleminin uygulanması için, bu amaca yönelik elektrik devreleri sisteminin değişen bir elektrik endüktansına veya değişen bir elektrik kapasitesine sahip olması gerekir,

3) alternatif bir elektrik akımının enerjisini doğru bir elektrik akımının enerjisine dönüştürmek için, bu amaç için tasarlanmış elektrik devreleri sisteminin değişen bir elektrik direncine sahip olması gerekir.

Birinci konumdan, mekanik enerjinin bir elektrik makinesinde yalnızca alternatif elektrik akımı enerjisine veya tersine dönüştürülebileceği sonucu çıkar.

Bu ifadenin doğru akım elektrik makinelerinin varlığı gerçeğiyle bariz çelişkisi, bir "doğru akım makinesinde" iki aşamalı bir enerji dönüşümüne sahip olduğumuz gerçeğiyle çözülür.

Dolayısıyla, bir doğru akım elektrik makinesi jeneratörü durumunda, mekanik enerjinin alternatif akım enerjisine dönüştürüldüğü bir makinemiz var ve ikincisi, "değişken elektrik direncini" temsil eden özel bir cihazın varlığından dolayı enerjiye dönüştürülüyor. doğru akımdan.

Bir elektrik makinesi durumunda, süreç açıkça ters yönde ilerler: bir elektrik makinesine sağlanan doğru elektrik akımının enerjisi, söz konusu değişken direnç aracılığıyla alternatif elektrik akımı enerjisine ve ikincisi mekanik enerjiye dönüştürülür.

Bahsedilen değişen elektrik direncinin rolünü, geleneksel bir "DC kollektör makinesinde" bir "elektrikli makine fırçası" ve bir "elektrikli makine toplayıcısından" oluşan ve kayma halkalarında " bulunan "kayan elektrik kontağı" oynar.

Bir elektrik makinesinde bir enerji dönüştürme işlemi oluşturmak için, içinde "değişken elektrik endüktansı" veya "değişken elektrik kapasitansı" olması gerektiğinden, bir elektrik makinesi ya elektromanyetik indüksiyon prensibi ile ya da üzerinde yapılabilir. elektriksel indüksiyon ilkesi. İlk durumda bir "endüktif makine", ikinci durumda - bir "kapasitif makine" elde ederiz.

Kapasitans makinelerinin hala pratik bir önemi yoktur.Endüstride, ulaşımda ve günlük yaşamda kullanılan elektrikli makineler endüktif makinelerdir ve arkasında, esasen daha geniş bir kavram olan "elektrik makinesi" kısa adı pratikte kök salmıştır.

Bir elektrik jeneratörünün çalışma prensibi.

En basit elektrik jeneratörü, manyetik alanda dönen bir döngüdür (Şekil 1, a). Bu jeneratörde 1. dönüş armatür sargısıdır. İndüktör, aralarında armatür 3'ün döndüğü kalıcı mıknatıslardır 2.

Pirinç. 1. En basit jeneratör (a) ve elektrik motorunun (b) şematik diyagramları

Bobin belirli bir dönüş frekansı n ile döndüğünde, kenarları (iletkenler) akının Ф manyetik alan çizgilerini geçer ve her bir iletkende e indüklenir. vesaire. s. d. Şek. 1 ve armatürün dönme yönü e. vesaire. c. sağ el kuralına göre güney kutbunun altında bulunan iletken bizden uzağa doğru yönlendirilmiştir ve e. vesaire. v. Kuzey Kutbu'nun altında bulunan bir telde - bize doğru.

Armatür sargısına bir elektrik enerjisi alıcısı 4 bağlarsanız, o zaman bir elektrik akımı I akacaktır kapalı devre... Armatür sargısının tellerinde, I akımı e ile aynı şekilde yönlendirilecektir. vesaire. SD.

Armatürü manyetik bir alanda döndürmek için neden bir dizel motordan veya bir türbinden (ana motor) elde edilen mekanik enerjiyi harcamak gerektiğini anlayalım. i akımı bir manyetik alan içinde bulunan tellerden aktığında, her tel üzerinde bir elektromanyetik kuvvet F etki eder.

Şek. 1 ve akımın yönü sol el kuralına göre, sola yöneltilen F kuvveti Güney Kutbu'nun altında bulunan iletkene, sağa yönlendirilen F kuvveti ise Güney Kutbu'nun altında bulunan iletkene etki edecektir. Kuzey Kutbu.Bu kuvvetler birlikte saat yönünde bir elektromanyetik moment M oluşturur.

ŞEK. Şekil 1'de gösterildiği gibi, ancak jeneratörün elektrik enerjisi yayması sırasında oluşan elektromanyetik moment M'nin tellerin dönüş yönüne ters yönde yönlendirildiği, bu nedenle tellerin dönüşünü yavaşlatma eğiliminde olan bir frenleme momenti olduğu görülmektedir. jeneratör armatürü.

Ankrajın durmasını önlemek için, armatür miline, M momentine zıt ve büyüklükte eşit bir harici tork Mvn uygulamak gerekir. Makinedeki sürtünme ve diğer dahili kayıplar dikkate alındığında, harici tork, jeneratör yük akımı tarafından oluşturulan elektromanyetik momentten M daha büyük olmalıdır.

Bu nedenle, jeneratörün normal çalışmasına devam etmek için, her motorla armatürünü döndürmek için dışarıdan mekanik enerji sağlamak gerekir 5.

Yüksüz durumda (harici jeneratör devresi açıkken), jeneratör rölanti modundadır.Bu durumda, sürtünmenin üstesinden gelmek ve jeneratördeki diğer dahili enerji kayıplarını telafi etmek için yalnızca dizel veya türbinden gelen mekanik enerji miktarı gerekir.

Jeneratör üzerindeki yükün artmasıyla, yani verdiği elektrik gücü REL, armatür sargısının tellerinden geçen I akımı ve M türbinlerinin frenleme torku normal çalışmaya devam eder.

Bu nedenle, örneğin bir dizel lokomotif jeneratöründen bir dizel lokomotifin elektrik motorları tarafından ne kadar çok elektrik enerjisi tüketilirse, onu döndüren dizel motordan o kadar fazla mekanik enerji alınır ve dizel motora o kadar fazla yakıt verilmesi gerekir. .

Yukarıda ele alınan elektrik jeneratörünün çalışma koşullarından, onun özelliği olduğu anlaşılmaktadır:

1. i ve e akımı yönünde eşleştirme. vesaire. v. armatür sargısının tellerinde. Bu, makinenin elektrik enerjisi saldığını gösterir;

2. armatürün dönüşüne karşı yönlendirilmiş bir M elektromanyetik frenleme momentinin görünümü. Bu, bir makinenin dışarıdan mekanik enerji alması ihtiyacını ima eder.

Elektrik motorunun prensibi.

Prensip olarak elektrik motoru, jeneratör ile aynı şekilde tasarlanmıştır. En basit elektrik motoru, kutupların 2 manyetik alanında dönen armatür 3 üzerinde bulunan bir dönüş 1'dir (Şekil 1, b). Dönüşün iletkenleri bir armatür sargısı oluşturur.

Bobini bir elektrik enerjisi kaynağına, örneğin bir elektrik şebekesine 6 bağlarsanız, o zaman bir elektrik akımı I tellerinin her birinden akmaya başlayacağım.Bu akım, kutupların manyetik alanıyla etkileşime girerek elektromanyetik oluşturur. kuvvetler F .

Şek. Şekil 1b'de görüldüğü gibi, güney kutbunun altında bulunan iletken üzerindeki akımın yönü sağa yöneltilen F kuvvetinden etkilenecek ve sola yöneltilen F kuvveti kuzey kutbunun altında bulunan iletkene etki edecektir. Bu kuvvetlerin birleşik etkisinin bir sonucu olarak, saat yönünün tersine yönlendirilmiş bir elektromanyetik tork M yaratılır, bu da armatürü telle belirli bir frekansta döndürmeye zorlar n... Armatür milini herhangi bir mekanizmaya veya cihaza bağlarsanız 7 ( bir dizel lokomotifin veya elektrikli lokomotifin, metal kesme aletinin vb.Bu durumda, bu cihaz tarafından oluşturulan harici moment MVN, elektromanyetik moment M'ye karşı yönlendirilecektir.

Yük altında çalışan bir elektrik motorunun armatürü döndüğünde elektrik enerjisinin neden tüketildiğini anlayalım. Armatür telleri manyetik bir alanda döndüğünde, her bir telde e'nin indüklendiği bulundu. vesaire. yönü sağ el kuralına göre belirlenir. Bu nedenle, Şek. 1, b dönüş yönü e. vesaire. Güney kutbunun altında bulunan iletkende indüklenen c. e bizden uzağa yönlendirilecek ve e. vesaire. kuzey kutbunun altında bulunan iletkende indüklenen s.e bize doğru yönelecektir. İncir. 1, b e., vb. olduğu görülmektedir. c.Yani, her bir iletkende indüklenen akım i'ye karşı yönlendirilir, yani iletkenlerden geçişini engeller.

Akımın armatür tellerinden aynı yönde akmaya devam etmesi, yani elektrik motorunun normal çalışmaya devam etmesi ve gerekli torku geliştirmesi için, bu tellere yönlendirilmiş bir dış gerilim U uygulamak gerekir. e. vesaire. c. ve genel e'den daha büyük. vesaire. c. E, armatür sargısının seri bağlı tüm tellerinde indüklenir. Bu nedenle elektrik motoruna elektrik enerjisinin şebekeden sağlanması gerekmektedir.

Yük olmadığında (motor miline uygulanan harici fren torku), elektrik motoru harici bir kaynaktan (şebeke) az miktarda elektrik enerjisi tüketir ve rölantide içinden küçük bir akım akar. Bu enerji, makinedeki dahili güç kayıplarını karşılamak için kullanılır.

Yük arttıkça, elektrik motorunun tükettiği akım ve geliştirdiği elektromanyetik tork da artar. Dolayısıyla yük arttıkça elektrik motorunun saldığı mekanik enerjinin artması otomatik olarak kaynaktan çektiği elektriğin artmasına neden olur.

Yukarıda tartışılan elektrik motorunun çalışma koşullarından, bunun karakteristik olduğu anlaşılmaktadır:

1. elektromanyetik moment M ve hız n yönünde çakışma Bu, mekanik enerjinin makineden geri dönüşünü karakterize eder;

2. armatür sargısının tellerindeki görünüm e. i akımına ve harici U voltajına karşı yönlendirilir. Bu, makinenin dışarıdan elektrik enerjisi alması gerektiğini gösterir.

Elektrikli makinelerin tersinirlik ilkesi

Jeneratör ve elektrik motorunun çalışma prensibini göz önünde bulundurduğumuzda, aynı şekilde düzenlendiğini ve bu makinelerin çalışma temelinde pek çok ortak yön olduğunu gördük.

Jeneratörde mekanik enerjinin elektrik enerjisine ve motorda elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi işlemi EMF indüksiyonu ile ilgilidir. vesaire. pp. manyetik alan içinde dönen armatür sargısının tellerinde ve manyetik alan ile akım taşıyan tellerin etkileşimi sonucu elektromanyetik kuvvetlerin ortaya çıkması.

Jeneratör ve elektrik motoru arasındaki fark sadece e'nin karşılıklı yönündedir. d. ile, akım, elektromanyetik tork ve hız.

Ele alınan jeneratör ve elektrik motoru çalışma süreçlerini özetleyerek, elektrik makinelerinin tersine çevrilebilirliği ilkesini oluşturmak mümkündür... Bu prensibe göre, herhangi bir elektrik makinesi hem jeneratör hem de elektrik motoru olarak çalışabilir ve jeneratör modundan motor moduna geçebilir. ve tersi.

Pirinç. 2. e'nin yönü vb. motor (a) ve jeneratör (b) modlarında doğru akım elektrik makinesinin çalışması sırasında E, akım I, armatür dönüş frekansı n ve elektromanyetik moment M ile

Bu durumu açıklığa kavuşturmak için çalışmayı düşünün Doğru akım elektrikli makine farklı koşullar altında. Harici voltaj U toplam e'den büyükse. vesaire. v. D. armatür sargısının seri bağlı tüm tellerinde, daha sonra akım I, şekil 2'de gösterilen şekilde akacaktır. 2 ve yön ve makine bir elektrik motoru gibi çalışacak, şebekeden elektrik enerjisi tüketecek ve mekanik enerji verecektir.

Ancak, herhangi bir nedenle e. vesaire. c. E, harici voltaj U'dan daha büyük olursa, armatür sargısındaki akım I yönünü değiştirir (Şekil 2, b) ve e ile çakışır. vesaire. v. D. Bu durumda, dönüş frekansına karşı yönlendirilecek olan M elektromanyetik momentinin yönü de değişecektir n... Yönde tesadüf d., vb. E ve akım I ile, makinenin şebekeye elektrik enerjisi vermeye başladığı ve frenleme elektromanyetik momentinin M görünmesi, mekanik enerjiyi dışarıdan tüketmesi gerektiğini gösterir.

Bu nedenle, ne zaman e. vb. ileArmatür sargısının tellerinde indüklenen E, şebeke voltajı U'dan daha büyük olur, makine motor çalışma modundan jeneratör moduna geçer, yani E < U olduğunda makine motor olarak çalışır, E> U — olarak bir jeneratör.

Bir elektrik makinesinin motor modundan jeneratör moduna geçişi farklı şekillerde yapılabilir: armatür sargısının bağlı olduğu kaynağın U voltajını düşürerek veya e'yi artırarak. vesaire. armatür sargısında E ile.