Процес перетворення енергії в електричних машинах
В електричних машинах відбувається процес перетворення енергії. Генератори перетворять механічну енергію в електричну. Це означає, що для роботи генератора треба обертати його вал будь-яким двигуном. На тепловозі, наприклад, генератор приводять в обертання дизелем, на тепловій електростанції - паровою турбіною, на гідроелектростанції - водяний турбіною.
Електричні двигуни, навпаки, перетворюють електричну енергію в механічну. Тому для роботи двигуна його треба з'єднати проводами з джерелом електричної енергії, або, як кажуть, включити в електричну мережу.
Принцип дії будь-якої електричної машини заснований на використанні явищ електромагнітної індукції і виникнення електромагнітних сил при взаємодії провідників зі струмом і магнітного поля. Ці явища мають місце при роботі як генератора, так і електродвигуна. Тому часто говорять про генераторному і руховому режимах роботи електричних машин.
Під обертових електричних машинах в процесі перетворення енергії беруть участь дві основні частини: якір і індуктор зі своїми обмотками, які переміщаються відносно один одного. Індуктор створює в машині магнітне поле. В обмотці якоря індукується е. д. з. і виникає електричний струм. При взаємодії струму в обмотці якоря з магнітним полем створюються електромагнітні сили, за допомогою яких реалізується процес перетворення енергії в машині.
Принцип дії електричного генератора.
Найпростішим електричним генератором є виток, що обертається в магнітному полі (рис. 1, а). В цьому генераторі виток 1 являє собою обмотку якоря. Індуктором служать постійні магніти 2, між якими обертається якір 3.
Мал. 1. Принципові схеми найпростіших генератора (а) і електродвигуна (б)
При обертанні витка з певною частотою обертання n його боку (провідники) перетинають магнітні силові лінії потоку Ф і в кожному провіднику індукується е. д. з. е. При прийнятому на рис. 1, а напрямі обертання якоря е. д. з. в провіднику, розташованому під південним полюсом, згідно з правилом правої руки спрямована від нас, а е. д. з. в провіднику, розташованому під північним полюсом, - до нас.
Якщо підключити до обмотці якоря приймач електричної енергії 4, то по замкнутому ланцюзі піде електричний струм I. У провідниках обмотки якоря струм I буде направлений так само, як і е. д. з. е.
З'ясуємо, чому для обертання якоря в магнітному полі доводиться витрачати механічну енергію, одержувану від дизеля або турбіни (первинного двигуна). При проходженні струму i по розташованим в магнітному полі провідникам на кожен провідник діє електромагнітна сила F.
При зазначеному на рис. 1, а напрямі струму згідно з правилом лівої руки на провідник, розташований під південним полюсом, буде діяти сила F, спрямована вліво, а на провідник, розташований під північним полюсом, - сила F, спрямована вправо. Зазначені сили створюють спільно електромагнітний момент М, спрямований за годинниковою стрілкою.
З розгляду рис. 1, а видно, що електромагнітний момент М, що виникає при віддачі генератором електричної енергії, спрямований у бік, протилежний обертанню провідників, тому він є гальмівним моментом, що прагнуть уповільнити обертання якоря генератора.
Для того щоб запобігти зупинці якоря, потрібно до валу якоря докласти зовнішній крутний момент МВН, протилежний моменту М і рівний йому за величиною. З урахуванням же тертя і інших внутрішніх втрат в машині зовнішній крутний момент повинен бути більше електромагнітного моменту М, створеного струмом навантаження генератора.
Отже, для продовження нормальної роботи генератора до нього необхідно підводити ззовні механічну енергію - обертати його якір будь-яким двигуном 5.
При відсутності навантаження (при розімкнутому зовнішньому ланцюзі генератора) має місце режим холостого ходу генератора. У цьому випадку від дизеля або турбіни потрібно тільки таку кількість механічної енергії, яка необхідна для подолання тертя і компенсації інших внутрішніх втрат енергії в генераторі.
При збільшенні навантаження генератора, т. Е. Що віддається їм електричної потужності Рел, збільшуються ток I, що проходить по провідникам обмотки якоря, і створюваний ним гальмуючий момент М. Отже, повинна бути відповідно збільшена і механічна потужність Рмх, яку генератор повинен отримати від дизеля або турбіни, для продовження нормальної роботи.
Таким чином, чим більше електричної енергії споживається, наприклад, електродвигунами тепловоза від тепловозного генератора, тим більше механічної енергії забирає він від крутного його дизеля і тим більше палива необхідно подавати дизелю.
З розглянутих вище умов роботи електричного генератора слід, що характерним для нього є:
1. збіг у напрямку струму i і е. д. з. в провідниках обмотки якоря. Це вказує на те, що машина віддає електричну енергію;
2. виникнення електромагнітного гальмівного моменту М, спрямованого проти обертання якоря. З цього випливає необхідність отримання машиною ззовні механічної енергії.
Принцип дії електричного двигуна.
Принципово електродвигун виконаний так само, як генератор. Найпростіший електродвигун являє собою виток 1 (рис. 1, б), розташований на якорі 3, який обертається в магнітному полі полюсів 2. Провідники витка утворюють обмотку якоря.
Якщо підключити виток до джерела електричної енергії, наприклад до електричної мережі 6, то по кожному його провіднику почне проходити електричний струм I. Цей струм, взаємодіючи з магнітним полем полюсів, створює електромагнітні сили F.
При зазначеному на рис. 1, б напрямку струму на провідник, розташований під південним полюсом, буде діяти сила F, спрямована вправо, а на провідник, що лежить під північним полюсом, - сила F, спрямована вліво. В результаті спільної дії цих сил створюється електромагнітний момент, що обертає М, спрямований проти годинникової стрілки, що приводить якір з провідником в обертання з певною частотою n. Якщо з'єднати вал якоря з будь-яким механізмом або пристроєм 7 (колісною парою тепловоза або електровоза, верстатом і ін.), То електродвигун буде приводити цей пристрій в обертання, т. Е. Віддавати йому механічну енергію. При цьому зовнішній момент МВН, створюваний цим пристроєм, буде спрямований проти електромагнітного моменту М.
З'ясуємо, чому при обертанні якоря електродвигуна, що працює під навантаженням, витрачається електрична енергія. Як було встановлено, при обертанні провідників якоря в магнітному полі в кожному провіднику індукується е. д. з, напрямок якої визначається але правилом правої руки. Отже, при зазначеному на рис. 1, б напрямку обертання е. д. з. е, індукована в провіднику, розташованому під південним полюсом, буде направлена від нас, а е. д. з. е, індукована в провіднику, розташованому під північним полюсом, буде направлена до нас. З рис. 1, б видно, що е. д. з. е, індуковані в кожному провіднику, спрямовані проти струму i, т. е. вони перешкоджають його проходженню по провідникам.
Для того щоб струм i продовжував проходити по провідникам якоря в колишньому напрямі, т. Е. Щоб електродвигун продовжував нормально працювати і розвивати необхідний крутний момент, необхідно докласти до цих провідникам зовнішня напруга U, спрямоване назустріч е. д. з. і більше за величиною ніж сумарна е. д. з. Е, індукована в усіх послідовно з'єднаних провідниках обмотки якоря. Отже, необхідно підводити до електродвигуна з мережі електричну енергію.
При відсутності навантаження (зовнішнього гальмівного моменту, прикладеного до вала двигуна) електродвигун споживає від зовнішнього джерела (мережі) невелика кількість електричної енергії і по ньому проходить невеликий струм холостого ходу. Ця енергія витрачається на покриття внутрішніх втрат потужності в машині.
При зростанні навантаження збільшується споживаний електродвигуном ток і створюваний ним електромагнітний момент, що обертає. Отже, збільшення механічної енергії, що віддається електродвигуном при зростанні навантаження, викликає автоматично збільшення електроенергії, що забирається їм від джерела.
З розглянутих вище умов роботи електричного двигуна слід, що характерним для нього є:
1. збіг у напрямку електромагнітного моменту М і частоти обертання n. Це характеризує віддачу машиною механічної енергії;
2. виникнення в провідниках обмотки якоря е. д. з. спрямованої проти струму i і зовнішньої напруги U. З цього випливає необхідність отримання машиною ззовні електричної енергії.
Принцип оборотності електричних машин.
Розглядаючи принцип дії генератора і електродвигуна, ми встановили, що влаштовані вони однаково і що в основі роботи цих машин багато спільного.
Процес перетворення механічної енергії в електричну в генераторі і електричної енергії в механічну в двигуні пов'язаний з індукуванням е. д. з. в обертових в магнітному полі провідниках обмотки якоря і виникненням електромагнітних сил в результаті взаємодії магнітного поля і провідників зі струмом.
Відмінність генератора від електродвигуна полягає тільки у взаємному напрямку е. д. з, струму, електромагнітного моменту і частоти обертання.
Узагальнюючи розглянуті процеси роботи генератора і електродвигуна, можна встановити принцип оборотності електричних машин. Згідно з цим принципом будь-яка електрична машина може працювати і генератором і електродвигуном і переходити з генераторного режиму в руховий і навпаки.
Мал. 2. Напрямок е. д. з. Е, струму I, частоти обертання якоря n і електромагнітного моменту М при роботі електричної машини постійного струму в руховому (а) і генераторному (б) режимах
Для з'ясування цього положення розглянемо роботу електричної машини постійного струму при різних умовах. Якщо зовнішня напруга U більше сумарної е. д. з. E. у всіх послідовно з'єднаних провідниках обмотки якоря, то струм I буде проходити в зазначеному на рис. 2, а напрямі і машина буде працювати електродвигуном, споживаючи з мережі електричну енергію і віддаючи механічну.
Однак якщо з якої-небудь причини е. д. з. Е побільшає зовнішньої напруги U, то струм I в обмотці якоря змінить свій напрямок (рис. 2, б) і буде збігатися з е. д. з. Е. При цьому зміниться і напрямок електромагнітного моменту М, який буде направлений проти частоти обертання n. Збіг у напрямку е. д. з. Е і струму I означає, що машина стала віддавати в мережу електричну енергію, а поява гальмівного електромагнітного моменту М говорить про те, що вона повинна споживати ззовні механічну енергію.
Отже, коли е. д. з. Е, індукована в провідниках обмотки якоря, стає більше напруги мережі U, машина переходить з рухового режиму роботи в генераторний, т. Е. При E U - генератором.
Переклад електричної машини з рухового режиму в генераторний можна здійснити різними способами: зменшуючи напругу U джерела, до якого підключена обмотка якоря, або збільшуючи е. д. з. E в обмотці якоря.