תהליך המרת אנרגיה במכונות חשמליות

מכונות חשמליות מחולקות לפי ייעוד לשני סוגים עיקריים: גנרטורים חשמליים ומנועים חשמליים... גנרטורים נועדו לייצר חשמל, ומנועים חשמליים נועדו להניע זוגות גלגלים של קטרים, לסובב פירים של מאווררים, מדחסים וכו'.

תהליך המרת אנרגיה מתרחש במכונות חשמליות. גנרטורים ממירים אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. זה אומר שכדי שהגנרטור יעבוד צריך לסובב את הציר שלו עם מנוע כלשהו. על קטר דיזל, למשל, גנרטור מונע בסיבוב על ידי מנוע דיזל, על תחנת כוח תרמית על ידי טורבינת קיטור, של מפעל הידרואלקטרי - טורבינת מים.

מנועים חשמליים, לעומת זאת, ממירים אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. לכן, כדי שהמנוע יעבוד, עליו להיות מחובר באמצעות חוטים למקור אנרגיה חשמלית, או, כמו שאומרים, מחובר לרשת החשמל.

עקרון הפעולה של כל מכונה חשמלית מבוסס על השימוש בתופעות של אינדוקציה אלקטרומגנטית והופעת כוחות אלקטרומגנטיים במהלך האינטראקציה של חוטים עם זרם ושדה מגנטי. התופעות הללו מבוצע במהלך פעולת הגנרטור והמנוע החשמלי כאחד. לכן, הם מדברים לעתים קרובות על מצבי הפעולה של הגנרטור והמנוע של מכונות חשמליות.

במכונות חשמליות מסתובבות, שני חלקים עיקריים מעורבים בתהליך המרת האנרגיה: האבזור והמשרן עם פיתולים משלו הנעים זה ביחס לזה. המשרן יוצר שדה מגנטי במכונית. בפיתול האבזור המושרה על ידי ה. עם... ומתרחש זרם חשמלי. כאשר הזרם מקיים אינטראקציה בפיתול האבזור עם שדה מגנטי, נוצרים כוחות אלקטרומגנטיים, דרכם מתממש תהליך המרת האנרגיה במכונה.

לביצוע תהליך המרת אנרגיה במכונה חשמלית

ההוראות הבאות נובעות מהמשפטים הבסיסיים של אנרגיה חשמלית של פואנקרה וברהאוזן:

1) טרנספורמציה הדדית ישירה של אנרגיה מכנית וחשמלית אפשרית רק אם האנרגיה החשמלית היא האנרגיה של זרם חשמלי לסירוגין;

2) ליישום תהליך המרת אנרגיה כאמור, יש צורך שלמערכת המעגלים החשמליים המיועדים למטרה זו תהיה השראות חשמלית משתנה או קיבולת חשמלית משתנה,

3) על מנת להמיר את האנרגיה של זרם חשמלי חילופין לאנרגיה של זרם חשמלי ישר, יש צורך שלמערכת המעגלים החשמליים המיועדים לכך תהיה התנגדות חשמלית משתנה.

מהעמדה הראשונה עולה שניתן להמיר אנרגיה מכנית במכונה חשמלית רק לאנרגיית זרם חשמלי חילופין או להיפך.

הסתירה לכאורה של הצהרה זו עם עובדת קיומן של מכונות חשמליות בזרם ישר נפתרת על ידי העובדה שב"מכונת זרם ישר" יש לנו המרה דו-שלבית של אנרגיה.

אז, במקרה של מחולל מכונה חשמלית זרם ישר, יש לנו מכונה שבה אנרגיה מכנית מומרת לאנרגיית זרם חילופין והאחרונה, עקב נוכחות של מכשיר מיוחד המייצג "התנגדות חשמלית משתנה", מומרת לאנרגיה מזרם ישר.

במקרה של מכונה חשמלית, התהליך כמובן הולך בכיוון ההפוך: אנרגיית הזרם החשמלי הישיר המסופק למכונה חשמלית מומרת באמצעות ההתנגדות המשתנה האמורה לאנרגיית זרם חשמלי חילופין, ואת האחרונה לאנרגיה מכנית.

את התפקיד של ההתנגדות החשמלית המשתנה כאמור ממלא "מגע חשמלי הזזה", אשר ב"מכונת קולט DC" קונבנציונלית מורכב מ"מברשת מכונה חשמלית" ו"אספן מכונה חשמלית", ובטבעות החלקה ".

מכיוון שכדי ליצור תהליך המרת אנרגיה במכונה חשמלית, יש צורך להכיל "השראות חשמלית משתנה" או "קיבול חשמלי משתנה", מכונה חשמלית יכולה להתבצע או על פי העיקרון של אינדוקציה אלקטרומגנטית, או על העיקרון של אינדוקציה חשמלית. במקרה הראשון נקבל "מכונה אינדוקטיבית", במקרה השני - "מכונה קיבולית".

למכונות קיבול אין עדיין חשיבות מעשית.בשימוש בתעשייה, בתחבורה ובחיי היומיום, מכונות חשמליות הן מכונות אינדוקטיביות, שמאחוריהן בפועל השתרש השם הקצר "מכונה חשמלית", שהוא בעצם מושג רחב יותר.

עקרון הפעולה של גנרטור חשמלי.

הגנרטור החשמלי הפשוט ביותר הוא לולאה המסתובבת בשדה מגנטי (איור 1, א). במחולל זה, סיבוב 1 הוא פיתול האבזור. המשרן הוא מגנטים קבועים 2, שביניהם מסתובב האבזור 3.

אורז. 1. דיאגרמות סכמטיות של הגנרטור הפשוט ביותר (א) והמנוע החשמלי (ב)

כאשר הסליל מסתובב בתדר סיבוב מסוים n, הצדדים שלו (מוליכים) חוצים את קווי השדה המגנטי של השטף Ф ו-e מושרה בכל מוליך. וכו ' ש' ד עם המאומץ באיור. 1 וכיוון הסיבוב של האבזור ה. וכו ' ג במוליך הנמצא מתחת לקוטב הדרומי, לפי כלל יד ימין, מכוון הרחק מאיתנו, וה. וכו ' נ' בחוט שנמצא מתחת לקוטב הצפוני - לעברנו.

אם תחבר מקלט של אנרגיה חשמלית 4 לליפוף האבזור אז זרם חשמלי I יזרום במעגל סגור בחוטים של פיתול הארמטור הזרם I יופנה באותו אופן כמו ה. וכו ' ש' ד.

בואו נבין מדוע, על מנת לסובב את האבזור בשדה מגנטי, יש צורך להוציא אנרגיה מכנית המתקבלת ממנוע דיזל או מטורבינה (מנוע ראשי). כאשר זרם i זורם דרך חוטים הנמצאים בשדה מגנטי, כוח אלקטרומגנטי F פועל על כל חוט.

עם המצוין באיור. 1, וכיוון הזרם לפי כלל יד שמאל, הכוח F המופנה שמאלה יפעל על המוליך שנמצא מתחת לקוטב הדרומי, והכוח F המופנה ימינה יפעל על המוליך שנמצא מתחת לקוטב הדרומי. הקוטב הצפוני.כוחות אלו יוצרים יחד מומנט אלקטרומגנטי M. בכיוון השעון.

מבדיקה של איור. 1, אך ניתן לראות שהמומנט האלקטרומגנטי M, המתרחש כאשר הגנרטור פולט אנרגיה חשמלית, מופנה בכיוון ההפוך לסיבוב החוטים, לכן זהו מומנט בלימה שנוטה להאט את סיבוב ה- אבזור גנרטור.

כדי למנוע מהעוגן להיתקע, יש צורך להפעיל מומנט חיצוני Mvn על ציר האבזור, הפוך ושווה בגודלו לרגע M. בהתחשב בחיכוך ובהפסדים פנימיים אחרים במכונה, המומנט החיצוני חייב להיות גדול מהמומנט האלקטרומגנטי M שנוצר על ידי זרם העומס של הגנרטור.

לכן, כדי להמשיך את הפעולה הרגילה של הגנרטור, יש צורך לספק לו אנרגיה מכנית מבחוץ - להפוך את האבזור שלו עם כל מנוע 5.

ללא עומס (עם מעגל הגנרטור החיצוני פתוח) הגנרטור במצב סרק, במקרה זה נדרשת רק כמות האנרגיה המכנית מהדיזל או הטורבינה כדי להתגבר על החיכוך ולפצות על הפסדי אנרגיה פנימיים אחרים בגנרטור.

עם עלייה בעומס על הגנרטור, כלומר, הספק החשמלי REL שניתן על ידו, הזרם I העובר דרך החוטים של פיתול האבזור ומומנט הבלימה M. טורבינות להמשך פעולה רגילה.

לפיכך, ככל שצורכים יותר אנרגיה חשמלית, למשל, על ידי המנועים החשמליים של קטר דיזל מגנרטור קטר דיזל, כך היא לוקחת יותר אנרגיה מכנית ממנוע הדיזל המסובב אותו, ויש לספק יותר דלק למנוע הדיזל. .

מתנאי ההפעלה של הגנרטור החשמלי, שנחשבו לעיל, עולה כי הוא אופייני לו:

1. התאמה בכיוון הזרם i ו-e. וכו ' v. בחוטים של פיתול האבזור. זה מציין שהמכונה משחררת אנרגיה חשמלית;

2. הופעת מומנט בלימה אלקטרומגנטי M המכוון נגד סיבוב האבזור. זה מרמז על הצורך של מכונה לקבל אנרגיה מכנית מבחוץ.

העיקרון של המנוע החשמלי.

באופן עקרוני, המנוע החשמלי מתוכנן באותו אופן כמו הגנרטור. המנוע החשמלי הפשוט ביותר הוא סיבוב 1 (איור 1, ב), הממוקם על האבזור 3, המסתובב בשדה המגנטי של קטבים 2. מוליכים של התור יוצרים פיתול אבזור.

אם תחבר את הסליל למקור אנרגיה חשמלית, למשל, לרשת חשמלית 6, אז זרם חשמלי I יתחיל לזרום בכל אחד מהחוטים שלו.זרם זה, באינטראקציה עם השדה המגנטי של הקטבים, יוצר אלקטרומגנטי כוחות F.

עם המצוין באיור. 1b, כיוון הזרם על המוליך הממוקם מתחת לקוטב הדרומי יושפע מהכוח F המכוון ימינה, והכוח F המכוון שמאלה יפעל על המוליך הממוקם מתחת לקוטב הצפוני. כתוצאה מהפעולה המשולבת של כוחות אלו, נוצר מומנט אלקטרומגנטי M המכוון נגד כיוון השעון, המניע את האבזור עם החוט להסתובב בתדירות מסוימת n... אם מחברים את פיר האבזור לכל מנגנון או התקן 7 ( ציר מרכז של קטר דיזל או קטר חשמלי, כלי חיתוך מתכת וכו'), אז המנוע החשמלי יקבע את המכשיר הזה בסיבוב, כלומר יעניק לו אנרגיה מכנית.במקרה זה, המומנט החיצוני MVN שנוצר על ידי מכשיר זה יופנה כנגד המומנט האלקטרומגנטי M.

בואו נבין מדוע נצרכת אנרגיה חשמלית כאשר האבזור של מנוע חשמלי הפועל בעומס מסתובב. נמצא שכאשר חוטי האבזור מסתובבים בשדה מגנטי, e מושרה בכל חוט. וכו ' עם, שכיוונו נקבע על פי כלל יד ימין. לכן, עם המצוין באיור. 1, b כיוון הסיבוב של ה. וכו ' ג e המושרה במוליך הממוקם מתחת לקוטב הדרומי יופנה הרחק מאיתנו, וה. וכו ' s. e המושרה במוליך שנמצא מתחת לקוטב הצפוני יופנה אלינו. תאנה. 1,ב נראה כי ה' וכו'. ג.כלומר, המושרה בכל מוליך מכוונת כנגד הזרם i, כלומר, הם מונעים את מעברו דרך המוליכים.

על מנת שהזרם ימשיך לזרום דרך חוטי האבזור באותו כיוון, כלומר כך שהמנוע החשמלי ימשיך לעבוד כרגיל ולפתח את המומנט הדרוש, יש צורך להפעיל מתח חיצוני U על חוטים אלו המכוונים ל ה. וכו ' ג וגדול מהכלל ה. וכו ' ג E המושרה בכל החוטים המחוברים בסדרה של פיתול האבזור. לכן, יש צורך לספק אנרגיה חשמלית למנוע החשמלי מהרשת.

בהיעדר עומס (מומנט בלימה חיצוני המופעל על ציר המנוע), המנוע החשמלי צורך כמות קטנה של אנרגיה חשמלית ממקור חיצוני (רשת) וזרם קטן זורם דרכו במצב סרק. אנרגיה זו משמשת לכיסוי הפסדי החשמל הפנימיים במכונה.

ככל שהעומס גדל, כך גדל הזרם הנצרך על ידי המנוע החשמלי והמומנט האלקטרומגנטי שהוא מפתח. לכן, עלייה באנרגיה המכנית שמשחרר המנוע החשמלי ככל שהעומס גדל מביאה אוטומטית לעלייה בחשמל שהוא שואב מהמקור.

מתנאי ההפעלה של המנוע החשמלי שנדונו לעיל, עולה כי הוא אופייני לו:

1. צירוף מקרים בכיוון המומנט האלקטרומגנטי M ומהירות n. זה מאפיין את החזרת האנרגיה המכנית מהמכונה;

2. המראה בחוטים של מתפתל האבזור ה. וכו' מכוונים כנגד הזרם i והמתח החיצוני U. הדבר מרמז על הצורך של המכונה לקבל אנרגיה חשמלית מבחוץ.

עקרון הפיכות של מכונות חשמליות

בהתחשב בעקרון הפעולה של גנרטור ומנוע חשמלי, מצאנו שהם מסודרים באותו אופן ושיש הרבה מן המשותף בבסיס הפעולה של מכונות אלו.

תהליך המרת אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בגנרטור ואנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית במנוע קשור בהשראת EMF. וכו ' עמ' בחוטי פיתול האבזור המסתובבים בשדה מגנטי והופעת כוחות אלקטרומגנטיים כתוצאה מאינטראקציה בין השדה המגנטי לבין החוטים נושאי הזרם.

ההבדל בין גנרטור למנוע חשמלי הוא רק בכיוון ההדדי של e. ד עם זרם, מומנט ומהירות אלקטרומגנטיים.

בסיכום תהליכי פעולת הגנרטור והמנוע החשמלי הנחשבים, ניתן לקבוע עיקרון של הפיכות מכונות חשמליות... על פי עיקרון זה, כל מכונה חשמלית יכולה לעבוד כגנרטור וכמנוע חשמלי ולעבור ממצב גנרטור למצב מנוע. ולהיפך.

אורז. 2. כיוון ה' וכו'. עם E, זרם I, תדר סיבוב אבזור n ומומנט אלקטרומגנטי M במהלך פעולת מכונה חשמלית זרם ישר במצבי מנוע (א) וגנרטור (ב).

כדי להבהיר מצב זה, שקול עבודה מכונה חשמלית בזרם ישר בתנאים שונים. אם המתח החיצוני U גדול מסך ה-e. וכו ' v. D. בכל החוטים המחוברים בסדרה של פיתול האבזור, אז הזרם אני יזרום בו המצוין באיור. 2, והכיוון והמכונה יפעלו כמנוע חשמלי, יצרוך אנרגיה חשמלית מהרשת ונותן אנרגיה מכנית.

עם זאת, אם מסיבה כלשהי ה. וכו ' ג E הופך להיות גדול יותר מהמתח החיצוני U, ואז הזרם I בפיתול האבזור ישנה את כיוונו (איור 2, ב) ויעלה בקנה אחד עם e. וכו ' v. D. במקרה זה ישתנה גם כיוון המומנט האלקטרומגנטי M, שיכוון כנגד תדר הסיבוב n... צירוף מקרים בכיוון d. וכו'. עם E וזרם I פירושו שהמכונה החלה לתת אנרגיה חשמלית לרשת, והופעתו של מומנט אלקטרומגנטי בלימה M מעידה על כך שהיא חייבת לצרוך אנרגיה מכנית מבחוץ.

לכן כאשר ה' וכו'. עםE המושרה בחוטי פיתול האבזור הופך להיות גדול יותר ממתח הרשת U, המכונה עוברת ממצב פעולת המנוע למצב הגנרטור, כלומר, כאשר E < U המכונה פועלת כמנוע, עם E> U - כמו גנרטור.

העברה של מכונה חשמלית ממצב מנוע למצב גנרטור יכולה להיעשות בדרכים שונות: על ידי הפחתת המתח U של המקור שאליו מחוברת פיתול האבזור, או על ידי הגדלת e. וכו ' עם E בפיתול האבזור.