Процесс преобразования энергии в электрических машинах
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной.
Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле . В обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.
Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса
Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:
1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;
2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,
3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.
Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.
Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в «машине постоянного тока» мы имеем двустадийное преобразование энергии.
Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой «изменяющееся электрическое сопротивление», преобразуется в энергию постоянного тока.
В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя — в энергию механическую.
Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет «скользящий электрический контакт», который в обычной «коллекторной машине постоянного тока» состоит из «электромашинной щетки» и «электромашинного коллектора», а в «униполярной электрической машине постоянного тока» из «электромашинной щетки» и «электромашинных контактных колец».
Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или «изменяющейся электрической индуктивности», или «изменяющейся электрической емкости», то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем «индуктивную машину», во втором — «емкостную машину».
Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование «электрическая машина», являющееся, по существу, более широким понятием.
Принцип действия электрического генератора.
Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.
Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)
При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, — к нам.
Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.
Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.
При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, — сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.
Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.
Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.
Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двигателем 5.
При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.
При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя.
Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.
Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.
При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;
2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Принцип обратимости электрических машин
Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.
Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.
Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.
Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E > U — генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Преобразование энергии в асинхронном двигателе
При работе асинхронного двигателя происходит процесс преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного движения. Этот процесс сопровождается бесполезным расходом части энергии источника питания на нагрев машины, который характеризуют мощностями электрических, магнитных и механических потерь.
Мощностью электрических потерь характеризуют нагрев обмоток статора и ротора, обладающих активными сопротивлениями R и /?2. По закону Джоуля — Ленца, она, как известно, пропорциональна квадрату тока в обмотке.
Мощностью магнитных потерь характеризуют нагрев стальных пакетов магнитопровода, вызванный явлениями перемагничивания (гистерезисом) и вихревыми токами. Эти потери — потери в стали — определяются свойствами стали. Они зависят от величины индукции магнитного поля и частоты перемагничивания, так как пропорциональны квадрату индукции магнитного поля и прямо пропорциональны частоте.
Механические потери слагаются из потерь механической энергии на трение в подшипниках (в контактных кольцах для машин с фазным ротором), а также на вентиляцию машины.
Процесс преобразования электрической энергии в полезную механическую энергию, развиваемую асинхронным двигателем, может быть описан уравнением баланса активной мощности. На основании закона сохранения и преобразования энергии можно записать
где Рх — мощность потребления электрической энергии; АР1э— мощность электрических потерь в обмотке статора; АР1маг|1 — мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода статора; АРъ — мощность электрических потерь в обмотке ротора; ДР2магн — мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода ротора; АРмех — мощность механических потерь; Р2 — полезная механическая мощность двигателя.
Уравнение (3.8.1) наглядно иллюстрируется диаграммой мощностей, представленной на рис. 3.8.1. Она дополнена структурной схемой асинхронного двигателя, которая указывает на характер связей, существующих меж-
Рис. 3.8.1. Диаграмма преобразования энергии в асинхронном двигателе
ду источником питания, статором электрической машины, ротором и рабочей машиной (станок, кран, насос и т.п.), приводимой в движение асинхронным двигателем. Источник питания и статор связаны между собой электрически, статор и ротор имеют магнитную, а ротор и рабочий механизм — механическую связь.
Из диаграммы рис. 3.8.1 следует, что мощность Рэм передачи энергии со статора на ротор, осуществляемой посредством вращающегося магнитного поля, всегда меньше активной мощности двигателя на значение мощности электрических и магнитных потерь в статоре:
Мощность Рш, называемую электромагнитной мощностью, можно выразить также через механические величины — угловую скорость С2, магнитного поля и электромагнитный момент М)м, создаваемый двигателем вследствие силового взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами роторной обмотки. Возможность такого выражения электромагнитной мощности может быть обоснована с помощью модели асинхронного двигателя — магнитной муфты, показанной на рис. 3.8.2.
Рис. 3.8.2. Электромагнитная муфта
Здесь взамен статора с трехфазной обмоткой, возбуждающей основное вращающееся магнитное поле, применены эквивалентные постоянные магниты, вращаемые посторонним двигателем со скоростью Q,.
Как известно из курса теоретической механики, момент сил, действующих на равномерно вращающийся ротор, равен моменту сил, действующих на статор, или моменту сил, приложенных к полюсам вращаемого магнита. Отсюда мощность постороннего двигателя, вращающего магнитную муфту со скоростью D.р численно равна электромагнитной мощности:
Аналогично выражается механическая мощность Рмех ротора, вращающегося со скоростью Q9:
В инженерной практике большее применение имеет частота вращения п, об/мин, использование в формулах (3.8.2) и (3.8.3) угловой скорости Q, рад/с, предпочтительнее, гак как позволяет связать Р и М в основной системе единиц СИ без дополнительных коэффициентов.
Разность электромагнитной и механической мощностей равна мощности потерь в роторе машины. Поскольку мощность магнитных потерь в роторс мала по сравнению с мощностью электрических потерь (так как мала частота перемагничивания пакета ротора), ею пренебрегают и считают
Последнее равенство позволяет получить из формул (3.8.2) и (3.8.3) весьма важное для анализа работы асинхронных двигателей соотношение
Итак, мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению.
Для ограничения электрических потерь в роторе двигателя его рассчитывают и конструируют таким образом, чтобы при номинальной нагрузке частота вращения ротора незначительно отличалась от частоты вращения магнитного поля, и, как уже отмечалось выше, номинальное скольжение равно нескольким процентам.
Полезная механическая мощность Р2 двигателя меньше механической мощности Рмех ротора на значение мощности механических потерь: Р2 = ^ех “ ЛРмех. Поэтому полезный момент (момент на валу двигателя, момент вращения М|ф) совсем немного меньше электромагнитного момента, создаваемого ротором Мэм, и при ДРмех= 0 эти моменты равны: Мэм = МщУ
Для асинхронных двигателей, как и для двигателя постоянного тока, вращающий момент Мир равен моменту нагрузки, т.е. моменту сопротивления Мс, и в этом случае возможно обозначение момента без индекса: М = Мэм = Мс.
В режиме разгона или торможения часть мощности расходуется на изменение запаса кинетической энергии, и часто используется понятие «динамический момент» Мдин. Динамический момент равен произведению углового ускорения и приведенного к валу двигателя момента инерции всех вращающихся частей:
При равномерном вращении отсутствует ускорение — динамический момент равен нулю.
Анализ процессов разгона и торможения (переходных процессов) невозможен без рассмотрения этой динамической составляющей момента нагрузки.
Следует иметь в виду, что в паспорте асинхронного двигателя, так же как и других электрических двигателях, в качестве номинальной мощности всегда указывается его полезная механическая мощность Р2, а не мощность потребления электрической энергии Р,. Отношение этих мощностей определяет КПД асинхронного двигателя:
Задание 3.8.1. Мощность магнитных потерь в пакете магнитопровода статора.
Преобразование электрической энергии в механическую
Процесс преобразования электрической энергии в механическую
Электроэнергия – это физический термин, который распространен в быту и технике и применяется для определения количества электрической энергии, получаемой конечным потребителем из сети или выдаваемой генератором в электрическую сеть.
Механическая энергия – это физическая скалярная величина, которая является мерой всех форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода материи из одной формы в другую.
Чтобы подробно рассмотреть процесс преобразования электрической энергии в механическую рассмотрим рисунок, который представлен ниже.
Рисунок 1. Процесс преобразования электрической энергии в механическую. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электрический ток, который протекает по проводнику взаимодействует с магнитным полем магнита, вследствие чего возникает электромагнитная сила — Fэм. Направление данной силой определяется по правилу левой руки. Благодаря ее действию проводник перемещается с некоторой скоростью v и таким образом электроэнергия тока источника питания преобразуется в механическую энергию движения проводника под действием силы Fэм. В данном случае уже электромагнитная сила является движущей. Противодействие оказывается механической энергией, например, силой трения. При движении проводником пересекаются магнитные линии и согласно явлению электромагнитной индукции в нем наводится электродвижущая сила Е. Ее направление определяется по правилу правой руки, в рассматриваемом случае оно противоположной силе тока I. Электродвижущая сила, которая направлена навстречу электрическому току называется встречной или противоэлектродвижущей силе. Встречное направление электродвижущей силы является признаком того, что электрическая энергия потребляется потребителем. Допустим, что сопротивление проводника принято за R0, тогда электрическое напряжение на его концах при встречной электродвижущей силе может быть рассчитано следующим образом:
Готовые работы на аналогичную тему
Электрические машины, предназначение которых заключается в преобразовании электрической энергии в механическую называются двигателями.
Электрический двигатель
Электрический двигатель – это электромеханический преобразователь — являющаяся основным элементом электрического привода электрическая машина, в которой электроэнергия преобразуется в механическую энергию.
Основными составляющими электродвигателя являются статор — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть. У большинства двигателей ротор находится внутри статора. Если у электродвигателя ротор располагается снаружи, то он называется двигателем обращенного типа. В основу действия электрических двигателей положен принцип электромагнитной индукции. На двигателях постоянного тока малой мощности в качестве индуктора используется пара постоянных магнитов. Ротор может быть:
- короткозамкнутым:
- фазным — используется в случае необходимости уменьшения пускового тока и регулировки частоты вращения двигателя. В большинстве случаев это крановые двигатели, используемые в крановых установках.
Электрические двигатели делятся на:
- Двигатели постоянного тока, в которых переключение фаз происходит в самом двигателе. Данный тип двигателя подразделяется на несколько подклассов по следующим признакам: способ переключения фа и наличие обратной связи — вентильные и коллекторные двигатели; тип возбуждения — машины с самовозбуждением и с независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
- Двигатели пульсирующего тока, питание которых происходит пульсирующим электрическим током. По своей конструкции данный тип двигателя близок к конструкции машин постоянного тока. Основное конструктивное отличие заключается в наличии дренирования вставки в остове, дополнительных шихтованных полюсах, большем количестве пар полюсов, компенсационной обмотки. Двигатели пульсирующего тока используются на электровозах в совокупности с установками выпрямления переменного тока.
- Двигатели переменного тока, питание которых осуществляется переменным током. По принципу работы они делятся на асинхронные и синхронные. Основное отличие заключается в следующем: в синхронных двигателях первая гармоника магнитодвижущей силы статора двигается со скоростью вращения ротора, а в асинхронных всегда присутствует разница между скоростями вращения магнитного поля в статоре и вращения ротора. Синхронные машины делятся на двигатели с постоянными магнитами, реактивные, гибридные, шаговые, гистерезисные и реактивно-гистерезисные. Асинхронные двигатели делятся на одно-, двух-, трех и многофазные.
В современной промышленности наиболее распространены асинхронные электродвигатели. Они являются машинами переменного тока, в которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания.