Processo di conversione dell'energia nelle macchine elettriche

Le macchine elettriche sono divise per scopo in due tipi principali: generatori elettrici e motori elettrici... I generatori sono progettati per generare energia elettrica e i motori elettrici sono progettati per azionare coppie di ruote di locomotive, girare alberi di ventilatori, compressori, ecc.

Nelle macchine elettriche avviene un processo di conversione dell'energia. I generatori convertono l'energia meccanica in energia elettrica. Ciò significa che affinché il generatore funzioni, è necessario ruotare il suo albero con un qualche tipo di motore. Su una locomotiva diesel, ad esempio, un generatore è azionato in rotazione da un motore diesel, su una centrale termica da una turbina a vapore, di una centrale idroelettrica — una turbina idraulica.

I motori elettrici, invece, convertono l'energia elettrica in energia meccanica. Pertanto, affinché il motore funzioni, deve essere collegato tramite fili a una fonte di energia elettrica o, come si suol dire, collegato alla rete elettrica.

Il principio di funzionamento di qualsiasi macchina elettrica si basa sull'uso dei fenomeni di induzione elettromagnetica e sulla comparsa di forze elettromagnetiche durante l'interazione dei fili con una corrente e un campo magnetico. Questi fenomeni viene eseguita durante il funzionamento sia del generatore che del motore elettrico. Pertanto, parlano spesso delle modalità di funzionamento del generatore e del motore delle macchine elettriche.

Nelle macchine elettriche rotanti, due parti principali sono coinvolte nel processo di conversione dell'energia: l'armatura e l'induttore con i propri avvolgimenti che si muovono l'uno rispetto all'altro. L'induttore crea un campo magnetico nell'auto. Nell'avvolgimento dell'armatura indotto da e. con... e si verifica una corrente elettrica. Quando la corrente interagisce nell'avvolgimento dell'indotto con un campo magnetico, si creano forze elettromagnetiche, attraverso le quali si realizza il processo di conversione dell'energia nella macchina.

Per l'esecuzione di un processo di conversione dell'energia in una macchina elettrica

Dai teoremi fondamentali dell'energia elettrica di Poincaré e Barhausen derivano le seguenti disposizioni:

1) la trasformazione reciproca diretta dell'energia meccanica ed elettrica è possibile solo se l'energia elettrica è l'energia della corrente elettrica alternata;

2) per l'attuazione del processo di tale conversione energetica, è necessario che il sistema di circuiti elettrici destinati a tale scopo abbia un'induttanza elettrica variabile o una capacità elettrica variabile,

3) per convertire l'energia di una corrente elettrica alternata in energia di una corrente elettrica continua, è necessario che il sistema di circuiti elettrici progettato a tale scopo abbia una resistenza elettrica variabile.

Dalla prima posizione ne consegue che l'energia meccanica può essere convertita in una macchina elettrica solo in energia elettrica a corrente alternata o viceversa.

L'apparente contraddizione di questa affermazione con il fatto dell'esistenza di macchine elettriche a corrente continua è risolta dal fatto che in una «macchina a corrente continua» si ha una conversione dell'energia a due stadi.

Quindi, nel caso di un generatore di macchina elettrica in corrente continua, abbiamo una macchina in cui l'energia meccanica viene convertita in energia in corrente alternata e quest'ultima, grazie alla presenza di un apposito dispositivo che rappresenta la "resistenza elettrica variabile", viene convertita in energia dalla corrente continua.

Nel caso di una macchina elettrica il processo va ovviamente nella direzione opposta: l'energia di corrente elettrica continua fornita ad una macchina elettrica viene convertita tramite detta resistenza variabile in energia di corrente elettrica alternata, e quest'ultima in energia meccanica.

Il ruolo di detta resistenza elettrica variabile è svolto dal "contatto elettrico strisciante", che in una "macchina collettore CC" convenzionale è costituito da una "spazzola macchina elettrica" ​​e da un "collettore macchina elettrica", e da anelli collettori " .

Poiché per creare un processo di conversione dell'energia in una macchina elettrica, è necessario avere "induttanza elettrica variabile" o "capacità elettrica variabile", una macchina elettrica può essere realizzata sia sul principio dell'induzione elettromagnetica, sia su il principio dell'induzione elettrica. Nel primo caso otteniamo una "macchina induttiva", nel secondo una "macchina capacitiva".

Le macchine a capacità non hanno ancora alcuna importanza pratica.Utilizzate nell'industria, nei trasporti e nella vita di tutti i giorni, le macchine elettriche sono macchine induttive, dietro le quali in pratica si è radicato il nome abbreviato di "macchina elettrica", che è essenzialmente un concetto più ampio.

Il principio di funzionamento di un generatore elettrico.

Il generatore elettrico più semplice è un anello che ruota in un campo magnetico (Fig. 1, a). In questo generatore, il giro 1 è l'avvolgimento dell'indotto. L'induttore è magneti permanenti 2, tra i quali ruota l'armatura 3.

Riso. 1. Schemi schematici del generatore più semplice (a) e del motore elettrico (b)

Quando la bobina ruota con una certa frequenza di rotazione n, i suoi lati (conduttori) attraversano le linee del campo magnetico del flusso Ф ed e viene indotto in ciascun conduttore. eccetera. s. d. Con l'adottato in fig. 1 e il senso di rotazione dell'ancora e. eccetera. c) nel conduttore situato sotto il polo sud, secondo la regola della mano destra, è diretto lontano da noi, ed e. eccetera. v. in un filo situato sotto il Polo Nord - verso di noi.

Se colleghi un ricevitore di energia elettrica 4 all'avvolgimento dell'indotto, allora una corrente elettrica I fluirà attraverso un circuito chiuso Nei fili dell'avvolgimento dell'indotto, la corrente I sarà diretta allo stesso modo di e. eccetera. s.d.

Capiamo perché, per far ruotare l'armatura in un campo magnetico, è necessario spendere energia meccanica ottenuta da un motore diesel o da una turbina (primo motore). Quando la corrente i scorre attraverso fili situati in un campo magnetico, una forza elettromagnetica F agisce su ciascun filo.

Con quanto indicato in fig. 1, e la direzione della corrente secondo la regola della mano sinistra, la forza F diretta a sinistra agirà sul conduttore posto sotto il Polo Sud, e la forza F diretta a destra agirà sul conduttore posto sotto il Polo Sud, e la forza F diretta a destra agirà sul conduttore posto sotto il Polo Sud Polo Nord.Queste forze insieme creano un momento elettromagnetico M. in senso orario.

Dall'esame della fig. 1, ma si può notare che il momento elettromagnetico M, che si verifica quando il generatore emette energia elettrica, è diretto in senso contrario alla rotazione dei fili, quindi è un momento frenante che tende a rallentare la rotazione del armatura del generatore.

Per evitare che l'ancora vada in stallo, è necessario applicare una coppia esterna Mvn all'albero dell'indotto, opposta e uguale in grandezza al momento M. Tenendo conto dell'attrito e di altre perdite interne alla macchina, la coppia esterna deve essere maggiore del momento elettromagnetico M creato dalla corrente di carico del generatore.

Pertanto, per continuare il normale funzionamento del generatore, è necessario fornirgli energia meccanica dall'esterno - per far girare la sua armatura con ciascun motore 5.

A vuoto (con il circuito del generatore esterno aperto), il generatore è in modalità di riposo, in questo caso è necessaria solo la quantità di energia meccanica proveniente dal diesel o dalla turbina per vincere l'attrito e compensare altre perdite di energia interne al generatore.

Con un aumento del carico sul generatore, cioè la potenza elettrica REL da esso fornita, la corrente I che passa attraverso i fili dell'avvolgimento dell'indotto e la coppia frenante M. turbine per continuare il normale funzionamento.

Pertanto, più energia elettrica viene consumata, ad esempio, dai motori elettrici di una locomotiva diesel da un generatore di locomotiva diesel, più energia meccanica prende dal motore diesel che lo fa girare e più carburante deve essere fornito al motore diesel .

Dalle condizioni operative del generatore elettrico, considerato sopra, ne consegue che è caratteristico di esso:

1. corrispondenza in direzione della corrente i ed e. eccetera. v. nei fili dell'avvolgimento dell'armatura. Questo indica che la macchina sta rilasciando energia elettrica;

2. la comparsa di un momento frenante elettromagnetico M diretto contro la rotazione dell'indotto. Ciò implica la necessità per una macchina di ricevere energia meccanica dall'esterno.

Il principio del motore elettrico.

In linea di principio, il motore elettrico è progettato allo stesso modo del generatore. Il motore elettrico più semplice è una spira 1 (Fig. 1, b), situata sull'armatura 3, che ruota nel campo magnetico dei poli 2. I conduttori della spira formano un avvolgimento dell'indotto.

Se colleghi la bobina a una fonte di energia elettrica, ad esempio a una rete elettrica 6, allora una corrente elettrica I inizierà a fluire attraverso ciascuno dei suoi fili Questa corrente, interagendo con il campo magnetico dei poli, crea elettromagnetico forze F.

Con quanto indicato in fig. 1b, la direzione della corrente sul conduttore posto sotto il polo sud sarà influenzata dalla forza F diretta a destra, e la forza F diretta a sinistra agirà sul conduttore posto sotto il polo nord. Come risultato dell'azione combinata di queste forze, si crea una coppia elettromagnetica M diretta in senso antiorario, che spinge l'armatura con il filo a ruotare con una certa frequenza n... Se si collega l'albero dell'armatura a qualsiasi meccanismo o dispositivo 7 ( asse centrale di una locomotiva diesel o locomotiva elettrica, utensile per il taglio dei metalli, ecc.), quindi il motore elettrico metterà in rotazione questo dispositivo, cioè gli darà energia meccanica.In questo caso, il momento esterno MVN creato da questo dispositivo sarà diretto contro il momento elettromagnetico M.

Capiamo perché l'energia elettrica viene consumata quando ruota l'armatura di un motore elettrico che funziona sotto carico. Si è scoperto che quando i fili dell'armatura ruotano in un campo magnetico, e viene indotto in ciascun filo. eccetera. con, la cui direzione è determinata secondo la regola della mano destra. Pertanto, con quanto indicato in fig. 1, b senso di rotazione di e. eccetera. c. l'e indotto nel conduttore situato sotto il polo sud sarà diretto lontano da noi, ed e. eccetera. s. e indotto nel conduttore situato sotto il polo nord sarà diretto verso di noi. Fico. 1, b si vede che e., ecc. c. Cioè, gli indotti in ciascun conduttore sono diretti contro la corrente i, cioè ne impediscono il passaggio attraverso i conduttori.

Affinché la corrente continui a scorrere lungo i fili dell'indotto nella stessa direzione, cioè affinché il motore elettrico continui a funzionare normalmente e sviluppi la coppia necessaria, è necessario applicare a questi fili una tensione esterna U diretta a e. eccetera. c. e maggiore del generale e. eccetera. c.E indotto in tutti i fili collegati in serie dell'avvolgimento dell'indotto. Pertanto, è necessario fornire energia elettrica al motore elettrico dalla rete.

In assenza di carico (coppia frenante esterna applicata all'albero motore), il motore elettrico consuma una piccola quantità di energia elettrica da una fonte esterna (rete) e una piccola corrente lo attraversa al minimo. Questa energia viene utilizzata per coprire le perdite di potenza interne alla macchina.

All'aumentare del carico, aumenta anche la corrente consumata dal motore elettrico e la coppia elettromagnetica che sviluppa. Pertanto, un aumento dell'energia meccanica rilasciata dal motore elettrico all'aumentare del carico comporta automaticamente un aumento dell'energia elettrica che esso preleva dalla sorgente.

Dalle condizioni operative del motore elettrico discusse sopra, ne consegue che è caratteristico di esso:

1. coincidenza nella direzione del momento elettromagnetico M e della velocità n, che caratterizza il ritorno di energia meccanica dalla macchina;

2. l'aspetto nei fili dell'avvolgimento dell'indotto e. ecc. diretto contro la corrente i e la tensione esterna U. Ciò implica la necessità per la macchina di ricevere energia elettrica dall'esterno.

Il principio di reversibilità delle macchine elettriche

Considerando il principio di funzionamento di un generatore e di un motore elettrico, abbiamo scoperto che sono disposti allo stesso modo e che c'è molto in comune nella base del funzionamento di queste macchine.

Il processo di conversione dell'energia meccanica in energia elettrica nel generatore e dell'energia elettrica in energia meccanica nel motore è correlato all'induzione dell'EMF. eccetera. pp. nei fili dell'avvolgimento dell'armatura rotante in un campo magnetico e l'emergere di forze elettromagnetiche come risultato dell'interazione del campo magnetico e dei fili che trasportano corrente.

La differenza tra un generatore e un motore elettrico è solo nella direzione reciproca di e. d. con, corrente, coppia elettromagnetica e velocità.

Riassumendo i processi di funzionamento del generatore e del motore elettrico considerati, è possibile stabilire un principio di reversibilità di macchine elettriche... Secondo questo principio, qualsiasi macchina elettrica può funzionare come generatore e motore elettrico e passare dalla modalità generatore alla modalità motore e viceversa.

Riso. 2. Direzione di e., ecc. con E, corrente I, frequenza di rotazione dell'armatura n e momento elettromagnetico M durante il funzionamento di una macchina elettrica a corrente continua nelle modalità motore (a) e generatore (b)

Per chiarire questa situazione, considera il lavoro Macchina elettrica a corrente continua in condizioni diverse. Se la tensione esterna U è maggiore del totale e. eccetera. v. D. in tutti i fili collegati in serie dell'avvolgimento dell'indotto, allora la corrente I scorrerà in quella indicata in fig. 2, e la regia e la macchina funzioneranno come un motore elettrico, consumando energia elettrica dalla rete ed emettendo energia meccanica.

Tuttavia, se per qualche motivo e. eccetera. c. E diventa maggiore della tensione esterna U, quindi la corrente I nell'avvolgimento dell'indotto cambierà direzione (Fig. 2, b) e coinciderà con e. eccetera. v. D. In questo caso cambierà anche la direzione del momento elettromagnetico M, che sarà diretto contro la frequenza di rotazione n... Coincidenza nella direzione d., ecc. con E e corrente I significa che la macchina ha iniziato a cedere energia elettrica alla rete, e la comparsa di un momento elettromagnetico frenante M indica che deve consumare energia meccanica dall'esterno.

Pertanto, quando e. ecc. conE indotto nei fili dell'avvolgimento dell'indotto diventa maggiore della tensione di rete U, la macchina passa dalla modalità di funzionamento del motore alla modalità del generatore, cioè quando E < U la macchina funziona come un motore, con E> U - come un generatore.

Il trasferimento di una macchina elettrica dalla modalità motore alla modalità generatore può essere effettuato in diversi modi: riducendo la tensione U della sorgente a cui è collegato l'avvolgimento dell'indotto o aumentando e. eccetera. con E nell'avvolgimento dell'indotto.