Energieumwandlungsprozess in elektrischen Maschinen

Elektrische Maschinen werden je nach Zweck in zwei Haupttypen unterteilt: elektrische Generatoren und Elektromotoren... Generatoren sind für die Erzeugung elektrischer Energie ausgelegt, und Elektromotoren sind für den Antrieb von Radpaaren von Lokomotiven, das Drehen von Lüfterwellen, Kompressoren usw. ausgelegt.

In elektrischen Maschinen findet ein Energieumwandlungsprozess statt. Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Das bedeutet, dass Sie, damit der Generator funktioniert, seine Welle mit einem Motor drehen müssen. Bei einer Diesellokomotive beispielsweise wird ein Generator von einem Dieselmotor rotierend angetrieben, bei einem Wärmekraftwerk von einer Dampfturbine. eines Wasserkraftwerks – einer Wasserturbine.

Elektromotoren hingegen wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Damit der Motor funktioniert, muss er daher über Kabel mit einer elektrischen Energiequelle verbunden oder, wie es heißt, an das Stromnetz angeschlossen werden.

Das Funktionsprinzip jeder elektrischen Maschine basiert auf der Nutzung der Phänomene der elektromagnetischen Induktion und dem Auftreten elektromagnetischer Kräfte bei der Wechselwirkung von Drähten mit einem Strom und einem Magnetfeld. Diese Phänomene wird während des Betriebs sowohl des Generators als auch des Elektromotors durchgeführt. Daher wird häufig von der Generator- und Motorbetriebsart elektrischer Maschinen gesprochen.

Bei rotierenden elektrischen Maschinen sind zwei Hauptteile am Energieumwandlungsprozess beteiligt: ​​der Anker und der Induktor mit seinen eigenen Wicklungen, die sich relativ zueinander bewegen. Der Induktor erzeugt im Auto ein Magnetfeld. In der Ankerwicklung induziert durch e. mit… und es entsteht ein elektrischer Strom. Wenn der Strom in der Ankerwicklung mit einem Magnetfeld interagiert, entstehen elektromagnetische Kräfte, durch die der Energieumwandlungsprozess in der Maschine realisiert wird.

Zur Durchführung eines Energieumwandlungsprozesses in einer elektrischen Maschine

Aus den Grundsätzen der elektrischen Energie von Poincaré und Barhausen ergeben sich folgende Bestimmungen:

1) Eine direkte wechselseitige Umwandlung von mechanischer und elektrischer Energie ist nur möglich, wenn die elektrische Energie die Energie des elektrischen Wechselstroms ist;

2) Für die Durchführung des Prozesses einer solchen Energieumwandlung ist es erforderlich, dass das zu diesem Zweck vorgesehene System von Stromkreisen entweder eine sich ändernde elektrische Induktivität oder eine sich ändernde elektrische Kapazität aufweist,

3) Um die Energie eines elektrischen Wechselstroms in die Energie eines elektrischen Gleichstroms umzuwandeln, ist es erforderlich, dass das dafür ausgelegte Stromkreissystem einen sich ändernden elektrischen Widerstand aufweist.

Aus der ersten Position folgt, dass mechanische Energie in einer elektrischen Maschine nur in Wechselstromenergie umgewandelt werden kann oder umgekehrt.

Der scheinbare Widerspruch dieser Aussage zur Tatsache der Existenz elektrischer Gleichstrommaschinen wird durch die Tatsache aufgelöst, dass es sich bei einer „Gleichstrommaschine“ um eine zweistufige Energieumwandlung handelt.

Im Fall eines Gleichstromgenerators haben wir also eine Maschine, in der mechanische Energie in Wechselstromenergie umgewandelt wird und diese aufgrund des Vorhandenseins einer speziellen Vorrichtung, die einen „variablen elektrischen Widerstand“ darstellt, in Energie umgewandelt wird aus Gleichstrom.

Im Falle einer elektrischen Maschine verläuft der Vorgang offensichtlich in die entgegengesetzte Richtung: Die einer elektrischen Maschine zugeführte Energie des Gleichstroms wird mittels des veränderlichen Widerstands in elektrische Wechselstromenergie und diese wiederum in mechanische Energie umgewandelt.

Die Rolle des sich ändernden elektrischen Widerstands übernimmt der „elektrische Schleifkontakt“, der bei einer herkömmlichen „Gleichstromkollektormaschine“ aus einer „Elektromaschinenbürste“ und einem „Elektromaschinenkollektor“ besteht, sowie in Schleifringen.

Da zur Erzeugung eines Energieumwandlungsprozesses in einer elektrischen Maschine entweder eine „variable elektrische Induktivität“ oder eine „variable elektrische Kapazität“ erforderlich ist, kann eine elektrische Maschine entweder nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion oder nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion hergestellt werden das Prinzip der elektrischen Induktion. Im ersten Fall erhalten wir eine „induktive Maschine“, im zweiten Fall eine „kapazitive Maschine“.

Kapazitätsmaschinen haben noch immer keine praktische Bedeutung.Elektrische Maschinen, die in der Industrie, im Transportwesen und im Alltag eingesetzt werden, sind induktive Maschinen, hinter denen sich in der Praxis die Kurzbezeichnung „elektrische Maschine“ eingebürgert hat, die im Wesentlichen einen weiter gefassten Begriff darstellt.

Das Funktionsprinzip eines elektrischen Generators.

Der einfachste elektrische Generator ist eine Schleife, die sich in einem Magnetfeld dreht (Abb. 1, a). Bei diesem Generator ist Windung 1 die Ankerwicklung. Der Induktor besteht aus Permanentmagneten 2, zwischen denen sich der Anker 3 dreht.

Reis. 1. Schematische Darstellungen des einfachsten Generators (a) und Elektromotors (b)

Wenn sich die Spule mit einer bestimmten Rotationsfrequenz n dreht, kreuzen ihre Seiten (Leiter) die magnetischen Feldlinien des Flusses Ф und e wird in jedem Leiter induziert. usw. s. d. Mit dem in Abb. angenommenen. 1 und die Drehrichtung des Ankers e. usw. c. im Leiter, der sich unter dem Südpol befindet, ist nach der Rechten-Hand-Regel von uns weg gerichtet, und e. usw. v. in einem Draht unter dem Nordpol - zu uns.

Wenn Sie einen Empfänger elektrischer Energie 4 an die Ankerwicklung anschließen, fließt ein elektrischer Strom I durch einen geschlossenen Stromkreis. In den Drähten der Ankerwicklung wird der Strom I auf die gleiche Weise geleitet wie z. usw. s. d.

Lassen Sie uns verstehen, warum es zum Drehen des Ankers in einem Magnetfeld notwendig ist, mechanische Energie aufzuwenden, die von einem Dieselmotor oder einer Turbine (Ansaugmaschine) gewonnen wird. Wenn Strom i durch Drähte fließt, die sich in einem Magnetfeld befinden, wirkt auf jeden Draht eine elektromagnetische Kraft F.

Mit den in Abb. 1 und der Stromrichtung nach der Linksregel wirkt auf den unter dem Südpol befindlichen Leiter die nach links gerichtete Kraft F und auf den unter dem Südpol befindlichen Leiter die nach rechts gerichtete Kraft F Nordpol.Diese Kräfte erzeugen zusammen ein elektromagnetisches Moment M. im Uhrzeigersinn.

Aus einer Untersuchung von ABB. 1, aber es ist ersichtlich, dass das elektromagnetische Moment M, das auftritt, wenn der Generator elektrische Energie abgibt, in die entgegengesetzte Richtung zur Drehung der Drähte gerichtet ist, daher ist es ein Bremsmoment, das dazu neigt, die Drehung der Drähte zu verlangsamen Generatoranker.

Um ein Blockieren des Ankers zu verhindern, muss auf die Ankerwelle ein äußeres Drehmoment Mvn ausgeübt werden, das dem Moment M entgegengesetzt und gleich groß ist. Unter Berücksichtigung von Reibung und anderen internen Verlusten in der Maschine muss das externe Drehmoment größer sein als das elektromagnetische Moment M, das durch den Laststrom des Generators erzeugt wird.

Um den normalen Betrieb des Generators fortzusetzen, ist es daher erforderlich, ihn von außen mit mechanischer Energie zu versorgen – um seinen Anker bei jedem Motor 5 zu drehen.

Im Leerlauf (bei offenem externen Generatorkreis) befindet sich der Generator im Leerlaufmodus. In diesem Fall ist nur die Menge an mechanischer Energie vom Diesel oder der Turbine erforderlich, um die Reibung zu überwinden und andere interne Energieverluste im Generator auszugleichen.

Mit einer Erhöhung der Belastung des Generators, also der von ihm abgegebenen elektrischen Leistung REL, des durch die Drähte der Ankerwicklung fließenden Stroms I und des Bremsmoments M. Turbinen, um den Normalbetrieb fortzusetzen.

Je mehr elektrische Energie also beispielsweise von den Elektromotoren einer Diesellokomotive aus einem Diesellokomotivgenerator verbraucht wird, desto mehr mechanische Energie entnimmt sie dem Dieselmotor, der ihn antreibt, und desto mehr Kraftstoff muss dem Dieselmotor zugeführt werden .

Aus den oben betrachteten Betriebsbedingungen des elektrischen Generators folgt, dass für ihn charakteristisch ist:

1. Anpassung in Stromrichtung i und e. usw. v. in den Drähten der Ankerwicklung. Dies zeigt an, dass die Maschine elektrische Energie abgibt;

2. das Auftreten eines elektromagnetischen Bremsmoments M, das gegen die Drehung des Ankers gerichtet ist. Dies impliziert die Notwendigkeit, dass eine Maschine mechanische Energie von außen erhält.

Das Prinzip des Elektromotors.

Im Prinzip ist der Elektromotor gleich aufgebaut wie der Generator. Der einfachste Elektromotor ist eine Windung 1 (Abb. 1, b), die sich auf dem Anker 3 befindet und sich im Magnetfeld der Pole 2 dreht. Die Leiter der Windung bilden eine Ankerwicklung.

Wenn Sie die Spule an eine elektrische Energiequelle anschließen, beispielsweise an ein Stromnetz 6, beginnt durch jeden ihrer Drähte ein elektrischer Strom I zu fließen. Dieser Strom erzeugt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Pole elektromagnetische Felder Kräfte F.

Mit den in Abb. In 1b wird die Richtung des Stroms auf dem unter dem Südpol befindlichen Leiter durch die nach rechts gerichtete Kraft F beeinflusst, und auf den unter dem Nordpol befindlichen Leiter wirkt die nach links gerichtete Kraft F. Durch die kombinierte Wirkung dieser Kräfte entsteht ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes elektromagnetisches Drehmoment M, das den Anker mit dem Draht zum Drehen mit einer bestimmten Frequenz antreibt n... Wenn Sie die Ankerwelle an einen Mechanismus oder ein Gerät anschließen 7 ( Mittelachse einer Diesellokomotive oder Elektrolokomotive, Metallschneidewerkzeug usw.), dann versetzt der Elektromotor dieses Gerät in Rotation, gibt ihm also mechanische Energie.In diesem Fall wird das von diesem Gerät erzeugte äußere Moment MVN gegen das elektromagnetische Moment M gerichtet.

Lassen Sie uns verstehen, warum elektrische Energie verbraucht wird, wenn sich der Anker eines unter Last laufenden Elektromotors dreht. Es wurde festgestellt, dass, wenn sich die Ankerdrähte in einem Magnetfeld drehen, in jedem Draht e induziert wird. usw. mit, deren Richtung nach der Rechte-Hand-Regel bestimmt wird. Daher mit den in Abb. 1, b Drehrichtung von e. usw. c. e, das im unter dem Südpol befindlichen Leiter induziert wird, wird von uns weggeleitet, und e. usw. s. e, die im unter dem Nordpol befindlichen Leiter induziert wird, wird auf uns gerichtet sein. Feige. 1, b ist ersichtlich, dass e. usw. c. Das heißt, die in jedem Leiter induzierten Kräfte sind gegen den Strom i gerichtet, das heißt, sie verhindern seinen Durchgang durch die Leiter.

Damit der Strom weiterhin in der gleichen Richtung durch die Ankerdrähte fließt, also der Elektromotor weiterhin normal arbeitet und das erforderliche Drehmoment entwickelt, ist es notwendig, an diese gerichteten Drähte eine externe Spannung U anzulegen e. usw. c. und größer als der allgemeine e. usw. c. E in allen in Reihe geschalteten Drähten der Ankerwicklung induziert. Daher ist es erforderlich, den Elektromotor aus dem Netz mit elektrischer Energie zu versorgen.

Im Leerlauf (externes Bremsmoment auf die Motorwelle) verbraucht der Elektromotor eine geringe Menge elektrischer Energie aus einer externen Quelle (Netz) und im Leerlauf fließt ein kleiner Strom durch ihn. Diese Energie wird zur Deckung der internen Leistungsverluste in der Maschine genutzt.

Mit zunehmender Belastung steigt auch die Stromaufnahme des Elektromotors und das von ihm entwickelte elektromagnetische Drehmoment. Daher führt eine Erhöhung der vom Elektromotor abgegebenen mechanischen Energie bei zunehmender Last automatisch zu einer Erhöhung der Stromaufnahme aus der Quelle.

Aus den oben diskutierten Betriebsbedingungen des Elektromotors folgt, dass für ihn charakteristisch ist:

1. Zusammentreffen der Richtung des elektromagnetischen Moments M und der Geschwindigkeit n. Dies charakterisiert die Rückgabe mechanischer Energie von der Maschine;

2. das Aussehen in den Drähten der Ankerwicklung e. usw. gegen den Strom i und die äußere Spannung U gerichtet. Dies impliziert die Notwendigkeit, dass die Maschine elektrische Energie von außen erhält.

Das Prinzip der Reversibilität elektrischer Maschinen

Bei der Betrachtung des Funktionsprinzips eines Generators und eines Elektromotors haben wir festgestellt, dass sie auf die gleiche Weise angeordnet sind und dass es in der Funktionsweise dieser Maschinen viele Gemeinsamkeiten gibt.

Der Prozess der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Generator und elektrischer Energie in mechanische Energie im Motor hängt mit der Induktion von EMF zusammen. usw. pp. in den Drähten der Ankerwicklung, die sich in einem Magnetfeld drehen, und der Entstehung elektromagnetischer Kräfte infolge der Wechselwirkung des Magnetfelds und der stromführenden Drähte.

Der Unterschied zwischen einem Generator und einem Elektromotor besteht nur in der gegenseitigen Richtung von z. d. mit Strom, elektromagnetischem Drehmoment und Geschwindigkeit.

Durch die Zusammenfassung der betrachteten Betriebsprozesse von Generatoren und Elektromotoren lässt sich ein Prinzip der Reversibilität elektrischer Maschinen aufstellen... Nach diesem Prinzip kann jede elektrische Maschine als Generator und Elektromotor arbeiten und vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb wechseln und umgekehrt.

Reis. 2. Richtung von e. usw. mit E, Strom I, Ankerdrehfrequenz n und elektromagnetischem Moment M während des Betriebs einer elektrischen Gleichstrommaschine im Motormodus (a) und Generatormodus (b).

Um diese Situation zu klären, denken Sie über Arbeit nach Elektrische Gleichstrommaschine unter unterschiedlichen Bedingungen. Ist die Fremdspannung U größer als die Summe e. usw. v. D. in allen in Reihe geschalteten Drähten der Ankerwicklung, dann fließt der Strom I in dem in Abb. angegebenen. 2, und die Richtung und die Maschine arbeiten als Elektromotor, verbrauchen elektrische Energie aus dem Netzwerk und geben mechanische Energie ab.

Wenn jedoch aus irgendeinem Grund, z. usw. c. E wird größer als die äußere Spannung U, dann ändert der Strom I in der Ankerwicklung seine Richtung (Abb. 2, b) und fällt mit e zusammen. usw. v. D. In diesem Fall ändert sich auch die Richtung des elektromagnetischen Moments M, die gegen die Rotationsfrequenz gerichtet ist n... Koinzidenz in Richtung d. usw. mit E und Strom I bedeutet, dass die Maschine begonnen hat, elektrische Energie an das Netzwerk abzugeben, und das Auftreten eines bremsenden elektromagnetischen Moments M weist darauf hin, dass sie mechanische Energie von außen verbrauchen muss.

Daher, wenn e. usw. mitWird das in den Drähten der Ankerwicklung induzierte E größer als die Netzspannung U, schaltet die Maschine vom Motorbetriebsmodus in den Generatormodus, d. h. wenn E < U, arbeitet die Maschine als Motor, mit E> U — as ein Generator.

Der Übergang einer elektrischen Maschine vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: durch Reduzierung der Spannung U der Quelle, an die die Ankerwicklung angeschlossen ist, oder durch Erhöhung von z. usw. mit E in der Ankerwicklung.