Proceso de conversión de energía en máquinas eléctricas.

Las máquinas eléctricas se dividen según su propósito en dos tipos principales: generadores eléctricos y motores eléctricos... Los generadores están diseñados para generar energía eléctrica y los motores eléctricos están diseñados para impulsar pares de ruedas de locomotoras, girar ejes de ventiladores, compresores, etc.

En las máquinas eléctricas tiene lugar un proceso de conversión de energía. Los generadores convierten la energía mecánica en energía eléctrica. Esto significa que para que el generador funcione, debe girar su eje con algún tipo de motor. En una locomotora diesel, por ejemplo, un generador es accionado en rotación por un motor diesel, en una central térmica por una turbina de vapor, de una planta hidroeléctrica - una turbina de agua.

Los motores eléctricos, por otro lado, convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Por lo tanto, para que el motor funcione, debe estar conectado por cables a una fuente de energía eléctrica o, como se suele decir, enchufado a la red eléctrica.

El principio de funcionamiento de cualquier máquina eléctrica se basa en el uso de los fenómenos de inducción electromagnética y la aparición de fuerzas electromagnéticas durante la interacción de los cables con una corriente y un campo magnético. Estos fenómenos se realiza durante el funcionamiento tanto del generador como del motor eléctrico. Por lo tanto, a menudo hablan de los modos de funcionamiento del generador y el motor de las máquinas eléctricas.

En las máquinas eléctricas rotativas, dos partes principales están involucradas en el proceso de conversión de energía: la armadura y el inductor con sus propios devanados que se mueven entre sí. El inductor crea un campo magnético en el coche. En el devanado del inducido inducida por E. con… y se produce una corriente eléctrica. Cuando la corriente interactúa en el devanado del inducido con un campo magnético, se crean fuerzas electromagnéticas, a través de las cuales se realiza el proceso de conversión de energía en la máquina.

Para la realización de un proceso de conversión de energía en una máquina eléctrica

Las siguientes disposiciones se derivan de los teoremas fundamentales de la energía eléctrica de Poincaré y Barhausen:

1) la transformación recíproca directa de energía mecánica y eléctrica solo es posible si la energía eléctrica es la energía de la corriente eléctrica alterna;

2) para la implementación del proceso de tal conversión de energía, es necesario que el sistema de circuitos eléctricos destinado a este fin tenga una inductancia eléctrica variable o una capacidad eléctrica variable,

3) para convertir la energía de una corriente eléctrica alterna en la energía de una corriente eléctrica continua, es necesario que el sistema de circuitos eléctricos diseñado para este propósito tenga una resistencia eléctrica variable.

De la primera posición se sigue que la energía mecánica se puede convertir en una máquina eléctrica solo en energía de corriente eléctrica alterna o viceversa.

La aparente contradicción de esta afirmación con el hecho de la existencia de máquinas eléctricas de corriente continua se resuelve por el hecho de que en una «máquina de corriente continua» tenemos una conversión de energía en dos etapas.

Entonces, en el caso de una máquina generadora eléctrica de corriente continua, tenemos una máquina en la que la energía mecánica se convierte en energía de corriente alterna y esta última, debido a la presencia de un dispositivo especial que representa la "resistencia eléctrica variable", se convierte en energía. de corriente continua.

En el caso de una máquina eléctrica, el proceso obviamente va en sentido contrario: la energía de corriente eléctrica continua suministrada a una máquina eléctrica se convierte mediante dicha resistencia variable en energía de corriente eléctrica alterna, y ésta en energía mecánica.

El papel de dicha resistencia eléctrica cambiante lo desempeña el "contacto eléctrico deslizante", que en una "máquina colectora de CC" convencional consiste en un "escobilla de máquina eléctrica" ​​y un "colector de máquina eléctrica", y en anillos deslizantes ".

Dado que para crear un proceso de conversión de energía en una máquina eléctrica, es necesario tener "inductancia eléctrica variable" o "capacitancia eléctrica variable", una máquina eléctrica puede fabricarse según el principio de inducción electromagnética o según El principio de la inducción eléctrica. En el primer caso, obtenemos una "máquina inductiva", en el segundo, una "máquina capacitiva".

Las máquinas de capacitancia todavía no tienen importancia práctica.Utilizadas en la industria, en el transporte y en la vida cotidiana, las máquinas eléctricas son máquinas inductivas, detrás de las cuales en la práctica se ha arraigado el nombre abreviado de "máquina eléctrica", que es esencialmente un concepto más amplio.

El principio de funcionamiento de un generador eléctrico.

El generador eléctrico más simple es un bucle que gira en un campo magnético (Fig. 1, a). En este generador, la vuelta 1 es el devanado del inducido. El inductor son imanes permanentes 2, entre los cuales gira la armadura 3.

Arroz. 1. Diagramas esquemáticos del generador más simple (a) y el motor eléctrico (b)

Cuando la bobina gira con una cierta frecuencia de rotación n, sus lados (conductores) cruzan las líneas de campo magnético del flujo Ф y e se induce en cada conductor. etc. s. d. Con el adoptado en la fig. 1 y la dirección de rotación de la armadura e. etc. c) en el conductor ubicado debajo del polo sur, según la regla de la mano derecha, se aleja de nosotros, y e. etc. v. en un cable ubicado debajo del Polo Norte - hacia nosotros.

Si conecta un receptor de energía eléctrica 4 al devanado del inducido, entonces fluirá una corriente eléctrica I a través de un circuito cerrado En los cables del devanado del inducido, la corriente I se dirigirá de la misma manera que e. etc. Dakota del Sur.

Entendamos por qué, para hacer girar la armadura en un campo magnético, es necesario gastar energía mecánica obtenida de un motor diesel o una turbina (motor principal). Cuando la corriente i fluye a través de cables ubicados en un campo magnético, una fuerza electromagnética F actúa sobre cada cable.

Con lo indicado en la fig. 1, y la dirección de la corriente según la regla de la mano izquierda, la fuerza F dirigida hacia la izquierda actuará sobre el conductor ubicado debajo del Polo Sur, y la fuerza F dirigida hacia la derecha actuará sobre el conductor ubicado debajo del Polo Sur. Polo Norte.Estas fuerzas juntas crean un momento electromagnético M. en el sentido de las agujas del reloj.

A partir de un examen de la fig. 1, pero se puede observar que el momento electromagnético M, que se presenta cuando el generador emite energía eléctrica, está dirigido en sentido contrario al giro de los hilos, por lo tanto es un momento de frenado que tiende a ralentizar el giro del armadura del generador.

Para evitar que el ancla se cale, es necesario aplicar un par de torsión externo Mvn al eje del inducido, opuesto e igual en magnitud al momento M. Teniendo en cuenta la fricción y otras pérdidas internas en la máquina, el par externo debe ser mayor que el momento electromagnético M creado por la corriente de carga del generador.

Por lo tanto, para continuar con el funcionamiento normal del generador, es necesario suministrarle energía mecánica desde el exterior, para girar su armadura con cada motor 5.

Sin carga (con el circuito del generador externo abierto), el generador está en modo inactivo. En este caso, solo se requiere la cantidad de energía mecánica del diésel o la turbina para superar la fricción y compensar otras pérdidas de energía interna en el generador.

Con un aumento en la carga en el generador, es decir, la potencia eléctrica REL dada por él, la corriente I que pasa a través de los cables del devanado del inducido y el par de frenado M. turbinas para continuar con el funcionamiento normal.

Así, cuanta más energía eléctrica consumen, por ejemplo, los motores eléctricos de una locomotora diésel de un generador de locomotora diésel, más energía mecánica le quita al motor diésel haciéndolo girar, y más combustible hay que suministrar al motor diésel. .

De las condiciones de funcionamiento del generador eléctrico, consideradas anteriormente, se deduce que es característico de él:

1. coincidencia en la dirección de la corriente i y e. etc. v. en los alambres del devanado del inducido. Esto indica que la máquina está liberando energía eléctrica;

2. la aparición de un momento de frenado electromagnético M dirigido contra la rotación de la armadura. Esto implica la necesidad de que una máquina reciba energía mecánica del exterior.

El principio del motor eléctrico.

En principio, el motor eléctrico está diseñado de la misma forma que el generador. El motor eléctrico más simple es un giro 1 (Fig. 1, b), ubicado en la armadura 3, que gira en el campo magnético de los polos 2. Los conductores del giro forman un devanado de armadura.

Si conecta la bobina a una fuente de energía eléctrica, por ejemplo, a una red eléctrica 6, entonces una corriente eléctrica I comenzará a fluir a través de cada uno de sus cables Esta corriente, al interactuar con el campo magnético de los polos, crea electromagnético fuerzas F.

Con lo indicado en la fig. 1b, la dirección de la corriente en el conductor ubicado debajo del polo sur se verá afectada por la fuerza F dirigida hacia la derecha, y la fuerza F dirigida hacia la izquierda actuará sobre el conductor ubicado debajo del polo norte. Como resultado de la acción combinada de estas fuerzas, se crea un par electromagnético M dirigido en sentido antihorario, que hace que la armadura con el cable gire con una cierta frecuencia n... Si conecta el eje de la armadura a cualquier mecanismo o dispositivo 7 ( eje central de una locomotora diesel o eléctrica, herramienta de corte de metal, etc.), entonces el motor eléctrico hará girar este dispositivo, es decir, le dará energía mecánica.En este caso, el momento externo MVN creado por este dispositivo estará dirigido contra el momento electromagnético M.

Comprendamos por qué se consume energía eléctrica cuando gira la armadura de un motor eléctrico que funciona bajo carga. Se encontró que cuando los alambres de la armadura giran en un campo magnético, se induce e en cada alambre. etc. con, cuya dirección se determina de acuerdo con la regla de la mano derecha. Por tanto, con lo indicado en la fig. 1, b sentido de giro de e. etc. c) la inducida en el conductor ubicado debajo del polo sur se alejará de nosotros, y e. etc. S. La inducida en el conductor situado bajo el polo norte estará dirigida hacia nosotros. Higo. 1, b se ve que e., etc. c) Es decir, las inducidas en cada conductor se dirigen contra la corriente i, es decir, impiden su paso por los conductores.

Para que la corriente siga circulando por los hilos del inducido en el mismo sentido, es decir, para que el motor eléctrico siga funcionando con normalidad y desarrolle el par necesario, es necesario aplicar a estos hilos una tensión externa U dirigida a mi. etc. C. y mayor que la e general. etc. c) E inducida en todos los alambres conectados en serie del devanado del inducido. Por tanto, es necesario suministrar energía eléctrica al motor eléctrico desde la red.

En ausencia de carga (par de frenado externo aplicado al eje del motor), el motor eléctrico consume una pequeña cantidad de energía eléctrica de una fuente externa (red) y una pequeña corriente fluye a través de él en ralentí. Esta energía se utiliza para cubrir las pérdidas de potencia internas de la máquina.

A medida que aumenta la carga, también aumenta la corriente consumida por el motor eléctrico y el par electromagnético que desarrolla. Por lo tanto, un aumento en la energía mecánica liberada por el motor eléctrico a medida que aumenta la carga conduce automáticamente a un aumento en la electricidad que extrae de la fuente.

De las condiciones de funcionamiento del motor eléctrico discutidas anteriormente, se deduce que es característico de él:

1. coincidencia en la dirección del momento electromagnético M y la velocidad n Esto caracteriza el retorno de la energía mecánica de la máquina;

2. la aparición en los hilos del devanado del inducido e. etc. dirigida contra la corriente iy la tensión externa U. Esto implica la necesidad de que la máquina reciba energía eléctrica del exterior.

El principio de reversibilidad de las máquinas eléctricas.

Considerando el principio de funcionamiento de un generador y un motor eléctrico, encontramos que están dispuestos de la misma manera y que hay mucho en común en la base del funcionamiento de estas máquinas.

El proceso de convertir energía mecánica en energía eléctrica en el generador y energía eléctrica en energía mecánica en el motor está relacionado con la inducción de EMF. etc. pp. en los cables del devanado del inducido que giran en un campo magnético y la aparición de fuerzas electromagnéticas como resultado de la interacción del campo magnético y los cables que transportan corriente.

La diferencia entre un generador y un motor eléctrico está solo en la dirección mutua de e. D. con corriente, par electromagnético y velocidad.

Resumiendo los procesos de funcionamiento del generador y del motor eléctrico considerados, es posible establecer un principio de reversibilidad de las máquinas eléctricas... Según este principio, cualquier máquina eléctrica puede funcionar como generador y como motor eléctrico y pasar del modo generador al modo motor. y viceversa.

Arroz. 2. Dirección de e., etc. con E, corriente I, frecuencia de rotación del inducido n y momento electromagnético M durante el funcionamiento de una máquina eléctrica de corriente continua en los modos motor (a) y generador (b)

Para aclarar esta situación, considere el trabajo Máquina eléctrica de corriente continua bajo diferentes condiciones. Si el voltaje externo U es mayor que el total e. etc. v. D. en todos los cables conectados en serie del devanado del inducido, entonces la corriente I fluirá en lo indicado en la fig. 2, y la dirección y la máquina funcionarán como un motor eléctrico, consumiendo energía eléctrica de la red y emitiendo energía mecánica.

Sin embargo, si por alguna razón e. etc. c E se vuelve mayor que el voltaje externo U, entonces la corriente I en el devanado del inducido cambiará su dirección (Fig. 2, b) y coincidirá con e. etc. v. D. En este caso, también cambiará la dirección del momento electromagnético M, que estará dirigido contra la frecuencia de rotación n... Coincidencia en la dirección d., etc. con E y corriente I significa que la máquina ha comenzado a dar energía eléctrica a la red, y la aparición de un momento electromagnético de frenado M indica que debe consumir energía mecánica del exterior.

Por lo tanto, cuando e.etc. conE inducida en los alambres del devanado del inducido se vuelve mayor que la tensión de red U, la máquina cambia del modo de funcionamiento del motor al modo de generador, es decir, cuando E < U la máquina funciona como motor, con E> U — como un generador

La transferencia de una máquina eléctrica del modo motor al modo generador se puede realizar de diferentes formas: reduciendo la tensión U de la fuente a la que está conectado el devanado del inducido, o aumentando e. etc. con E en el devanado del inducido.