Quá trình biến đổi năng lượng trong máy điện

Máy điện được chia theo mục đích thành hai loại chính: máy phát điện và động cơ điện... Máy phát điện được thiết kế để tạo ra năng lượng điện, và động cơ điện được thiết kế để truyền động các cặp bánh xe của đầu máy, trục quay của quạt, máy nén, v.v.

Một quá trình chuyển đổi năng lượng diễn ra trong các máy điện. Máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Điều này có nghĩa là để máy phát điện hoạt động, bạn cần quay trục của nó bằng một loại động cơ nào đó. Ví dụ, trên đầu máy xe lửa diesel, máy phát điện được dẫn động bằng động cơ diesel, trên nhà máy nhiệt điện bằng tuabin hơi, của một nhà máy thủy điện - một tuabin nước.

Động cơ điện, mặt khác, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Do đó, để động cơ hoạt động, nó phải được nối bằng dây dẫn với nguồn năng lượng điện, hay như người ta nói là cắm vào mạng điện.

Nguyên lý hoạt động của bất kỳ máy điện nào đều dựa trên việc sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ và sự xuất hiện của lực điện từ trong quá trình tương tác của dây dẫn với dòng điện và từ trường. Những hiện tượng này được thực hiện trong quá trình hoạt động của cả máy phát điện và động cơ điện. Do đó, họ thường nói về các chế độ hoạt động của máy phát điện và động cơ của máy điện.

Trong các máy điện quay, hai bộ phận chính tham gia vào quá trình chuyển đổi năng lượng: phần ứng và cuộn cảm với các cuộn dây riêng chuyển động tương đối với nhau. Cuộn cảm tạo ra từ trường trong xe. Trong dây quấn phần ứng gây ra bởi e. với…và xuất hiện dòng điện. Khi dòng điện tương tác trong dây quấn phần ứng với từ trường sẽ tạo ra lực điện từ, qua đó thực hiện quá trình biến đổi năng lượng trong máy.

Để thực hiện quá trình biến đổi năng lượng trong máy điện

Các quy định sau xuất phát từ các định lý cơ bản về năng lượng điện của Poincaré và Barhausen:

1) sự biến đổi trực tiếp qua lại giữa năng lượng cơ và điện chỉ có thể thực hiện được nếu năng lượng điện là năng lượng của dòng điện xoay chiều;

2) để thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng như vậy, hệ thống mạch điện dành cho mục đích này cần phải có độ tự cảm thay đổi hoặc công suất điện thay đổi,

3) để chuyển đổi năng lượng của dòng điện xoay chiều thành năng lượng của dòng điện một chiều, hệ thống mạch điện được thiết kế cho mục đích này phải có điện trở thay đổi.

Từ quan điểm đầu tiên, năng lượng cơ học chỉ có thể được chuyển đổi trong một máy điện thành năng lượng dòng điện xoay chiều hoặc ngược lại.

Mâu thuẫn rõ ràng của tuyên bố này với thực tế về sự tồn tại của máy điện một chiều được giải quyết bằng thực tế là trong «máy điện một chiều», chúng ta có sự chuyển đổi năng lượng hai giai đoạn.

Vì vậy, trong trường hợp máy phát điện một chiều, chúng ta có một cỗ máy trong đó năng lượng cơ học được chuyển đổi thành năng lượng dòng điện xoay chiều và năng lượng sau đó, do có một thiết bị đặc biệt đại diện cho "điện trở thay đổi", được chuyển đổi thành năng lượng từ dòng điện một chiều.

Trong trường hợp máy điện, rõ ràng quá trình này diễn ra theo hướng ngược lại: năng lượng của dòng điện một chiều cung cấp cho máy điện được biến đổi nhờ điện trở thay đổi nói trên thành năng lượng dòng điện xoay chiều và năng lượng sau đó thành năng lượng cơ học.

Vai trò của điện trở thay đổi nói trên được thực hiện bởi "tiếp điểm điện trượt", trong "máy thu DC" thông thường bao gồm "bàn chải máy điện" và "bộ thu máy điện" và trong các vòng trượt " .

Vì để tạo ra quá trình biến đổi năng lượng trong máy điện, cần phải có "độ tự cảm điện biến" hoặc "điện dung biến thiên" trong đó, nên máy điện có thể được chế tạo theo nguyên lý cảm ứng điện từ, hoặc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. nguyên lý cảm ứng điện. Trong trường hợp đầu tiên, chúng ta có một "máy cảm ứng", trong trường hợp thứ hai - một "máy điện dung".

Máy điện dung vẫn không có tầm quan trọng thực tế.Được sử dụng trong công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong cuộc sống hàng ngày, máy điện là máy cảm ứng, đằng sau đó, trên thực tế, cái tên ngắn gọn "máy điện" đã bén rễ, về cơ bản là một khái niệm rộng hơn.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện.

Máy phát điện đơn giản nhất là một vòng quay trong từ trường (Hình 1, a). Trong máy phát điện này, vòng 1 là dây quấn phần ứng. Cuộn cảm là nam châm vĩnh cửu 2, giữa đó phần ứng 3 quay.

Cơm. 1. Sơ đồ của máy phát điện đơn giản nhất (a) và động cơ điện (b)

Khi cuộn dây quay với tần số quay n nhất định, các mặt của nó (dây dẫn) đi qua các đường sức từ của từ thông Ф và e được cảm ứng trong mỗi dây dẫn. vân vân. s. d. Với thông qua trong hình. 1 và chiều quay của phần ứng e. vân vân. c. trong dây dẫn nằm dưới cực nam, theo quy tắc bàn tay phải, hướng ra xa chúng ta, và e. vân vân. v. trong một dây nằm dưới Bắc Cực - về phía chúng tôi.

Nếu bạn kết nối một máy thu năng lượng điện 4 với cuộn dây phần ứng, thì dòng điện I sẽ chạy qua một mạch kín, trong các dây của cuộn dây phần ứng, dòng điện I sẽ được định hướng giống như e. vân vân. s. d.

Hãy hiểu tại sao, để quay phần ứng trong từ trường, cần tiêu tốn năng lượng cơ học thu được từ động cơ diesel hoặc tua-bin (động cơ chính). Khi có dòng điện i chạy qua các dây dẫn đặt trong từ trường đều thì lực điện từ F tác dụng lên mỗi dây dẫn.

Với chỉ định trong hình. 1, và chiều của dòng điện tuân theo quy tắc bàn tay trái, lực F hướng về bên trái sẽ tác dụng lên dây dẫn nằm dưới cực Nam và lực F hướng về bên phải sẽ tác dụng lên dây dẫn nằm dưới cực Nam. Cực Bắc.Các lực này cùng nhau tạo ra mô men điện từ M. theo chiều kim đồng hồ.

Từ kiểm tra FIG. 1, nhưng có thể thấy rằng mômen điện từ M, xuất hiện khi máy phát phát ra năng lượng điện, hướng ngược lại với chiều quay của dây dẫn, do đó, nó là mômen hãm có xu hướng làm chậm quá trình quay của dây dẫn. phần ứng máy phát điện.

Để neo không bị chòng chành, cần tác dụng một mô men ngoài Mvn lên trục phần ứng, ngược chiều và có độ lớn bằng mô men M. Có tính đến ma sát và các tổn thất bên trong khác trong máy, mômen xoắn bên ngoài phải lớn hơn mômen điện từ M do dòng điện tải của máy phát tạo ra.

Do đó, để tiếp tục hoạt động bình thường của máy phát điện, cần phải cung cấp cho nó năng lượng cơ học từ bên ngoài - để quay phần ứng của nó với mỗi động cơ 5.

Khi không tải (với mạch máy phát bên ngoài mở), máy phát ở chế độ không tải. Trong trường hợp này, chỉ cần một lượng năng lượng cơ học từ động cơ diesel hoặc tua-bin để thắng ma sát và bù cho các tổn thất năng lượng bên trong khác trong máy phát.

Với sự gia tăng tải trên máy phát, tức là công suất điện REL do nó cung cấp, dòng điện I chạy qua dây của cuộn dây phần ứng và mô-men xoắn hãm M. tua-bin tiếp tục hoạt động bình thường.

Do đó, càng nhiều năng lượng điện được tiêu thụ, ví dụ, bởi các động cơ điện của đầu máy diesel từ máy phát điện của đầu máy diesel, thì càng cần nhiều năng lượng cơ học từ động cơ diesel để quay nó và càng phải cung cấp nhiều nhiên liệu hơn cho động cơ diesel. .

Từ các điều kiện hoạt động của máy phát điện, được xem xét ở trên, theo sau đó là đặc điểm của nó:

1. hợp với hướng của dòng điện i và e. vân vân. v. trong dây quấn phần ứng. Điều này chỉ ra rằng máy đang giải phóng năng lượng điện;

2. xuất hiện momen hãm điện từ M hướng ngược với chiều quay của phần ứng. Điều này nói lên nhu cầu máy móc nhận năng lượng cơ học từ bên ngoài.

Nguyên lý của động cơ điện.

Về nguyên tắc, động cơ điện được thiết kế giống như máy phát điện. Động cơ điện đơn giản nhất là một vòng quay 1 (Hình 1, b), nằm trên phần ứng 3, quay trong từ trường của các cực 2. Các dây dẫn của vòng quay tạo thành cuộn dây phần ứng.

Nếu bạn kết nối cuộn dây với một nguồn năng lượng điện, chẳng hạn như với mạng điện 6, thì một dòng điện I sẽ bắt đầu chạy qua mỗi dây của nó. Dòng điện này, tương tác với từ trường của các cực, sẽ tạo ra điện từ lực lượng F.

Với chỉ định trong hình. 1b, hướng của dòng điện trên dây dẫn nằm dưới cực nam sẽ bị ảnh hưởng bởi lực F hướng sang phải và lực F hướng sang trái sẽ tác dụng lên dây dẫn nằm dưới cực bắc. Do tác động kết hợp của các lực này, một mô-men xoắn điện từ M hướng ngược chiều kim đồng hồ được tạo ra, mô-men xoắn này điều khiển phần ứng bằng dây quay với tần số nhất định n... Nếu bạn kết nối trục phần ứng với bất kỳ cơ cấu hoặc thiết bị nào 7 ( trục tâm của đầu máy diesel hoặc đầu máy điện, dụng cụ cắt kim loại, v.v.), thì động cơ điện sẽ quay thiết bị này, nghĩa là cung cấp cho nó năng lượng cơ học.Trong trường hợp này, mômen ngoài MVN do thiết bị này tạo ra sẽ hướng vào mômen điện từ M.

Hãy hiểu tại sao năng lượng điện được tiêu thụ khi phần ứng của động cơ điện hoạt động dưới tải quay. Người ta thấy rằng khi các dây phần ứng quay trong từ trường đều thì trong mỗi dây đều xuất hiện cảm ứng điện từ. vân vân. có phương xác định theo quy tắc bàn tay phải. Do đó, với chỉ định trong hình. 1,b hướng quay của e. vân vân. c. e cảm ứng trong dây dẫn nằm dưới cực nam sẽ hướng ra xa chúng ta, và e. vân vân. s.e cảm ứng trong dây dẫn nằm dưới cực bắc sẽ hướng về phía chúng ta. Quả sung. 1, b có thể thấy rằng e., v.v. c. Tức là, cảm ứng trong mỗi dây dẫn đều hướng vào dòng điện i, nghĩa là chúng ngăn không cho dòng điện đi qua các dây dẫn.

Để dòng điện tiếp tục chạy qua các dây phần ứng theo cùng một hướng, nghĩa là để động cơ điện tiếp tục hoạt động bình thường và tạo ra mômen xoắn cần thiết, cần phải đặt một điện áp ngoài U vào các dây dẫn này. đ. vân vân. c.và lớn hơn e chung vân vân. c.E xuất hiện trong tất cả các dây mắc nối tiếp của cuộn dây phần ứng. Do đó, cần phải cung cấp năng lượng điện cho động cơ điện từ mạng.

Trong trường hợp không có tải (mô-men xoắn hãm bên ngoài áp dụng cho trục động cơ), động cơ điện tiêu thụ một lượng nhỏ năng lượng điện từ nguồn bên ngoài (điện lưới) và một dòng điện nhỏ chạy qua nó khi không hoạt động. Năng lượng này được sử dụng để trang trải các tổn thất điện năng bên trong máy.

Khi tải tăng, dòng điện tiêu thụ bởi động cơ điện và mô-men xoắn điện từ mà nó phát triển cũng tăng theo. Do đó, sự gia tăng năng lượng cơ học do động cơ điện giải phóng khi tải tăng tự động dẫn đến sự gia tăng điện năng mà nó lấy từ nguồn.

Từ các điều kiện hoạt động của động cơ điện đã thảo luận ở trên, có thể thấy đặc điểm của nó là:

1. sự trùng hợp về hướng của momen điện từ M và tốc độ n. Điều này đặc trưng cho sự trở lại của năng lượng cơ học từ máy;

2. sự xuất hiện trong các dây của cuộn dây phần ứng e. v.v... hướng vào dòng điện i và điện áp bên ngoài U. Điều này cho thấy máy cần phải nhận năng lượng điện từ bên ngoài.

Nguyên lý đảo chiều của máy điện

Xem xét nguyên lý hoạt động của máy phát điện và động cơ điện, chúng tôi thấy rằng chúng được sắp xếp giống nhau và có nhiều điểm chung về cơ sở hoạt động của các loại máy này.

Quá trình chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện trong máy phát điện và năng lượng điện thành năng lượng cơ học trong động cơ có liên quan đến cảm ứng EMF. vân vân. pp.trong dây dẫn của cuộn dây phần ứng quay trong từ trường và xuất hiện lực điện từ do tương tác giữa từ trường và dây dẫn mang dòng điện.

Sự khác biệt giữa máy phát điện và động cơ điện chỉ ở hướng tương hỗ của e. d.với, dòng điện, mô-men xoắn điện từ và tốc độ.

Tóm tắt các quy trình hoạt động của máy phát điện và động cơ điện đã xét, có thể thiết lập nguyên lý về khả năng đảo chiều của máy điện... Theo nguyên lý này, bất kỳ máy điện nào cũng có thể làm việc như một máy phát điện và một động cơ điện và chuyển từ chế độ máy phát sang chế độ động cơ và ngược lại.

Cơm. 2. Hướng của e., v.v. với E, dòng điện I, tần số quay phần ứng n và mômen điện từ M trong quá trình vận hành máy điện một chiều ở chế độ động cơ (a) và máy phát (b)

Để làm rõ tình trạng này, hãy xem xét việc Máy điện một chiều trong các điều kiện khác nhau. Nếu điện áp bên ngoài U lớn hơn tổng số e. vân vân. v. D. trong tất cả các dây nối tiếp của cuộn dây phần ứng, thì dòng điện I sẽ chạy theo chỉ dẫn trong hình. 2, hướng và máy sẽ hoạt động như một động cơ điện, tiêu thụ năng lượng điện từ mạng và tạo ra năng lượng cơ học.

Tuy nhiên, nếu vì một lý do nào đó e. vân vân. c. E trở nên lớn hơn điện áp bên ngoài U, khi đó dòng điện I trong cuộn dây phần ứng sẽ đổi chiều (Hình 2, b) và trùng với e. vân vân. v. D. Trong trường hợp này, hướng của momen điện từ M cũng sẽ thay đổi, sẽ hướng ngược lại với tần số quay n... Sự trùng hợp về hướng d., v.v. với E và dòng điện I có nghĩa là máy đã bắt đầu cung cấp năng lượng điện cho mạng và sự xuất hiện của mô men điện từ hãm M cho thấy nó phải tiêu thụ năng lượng cơ học từ bên ngoài.

Do đó, khi e.v.v. vớiE cảm ứng trong các dây của cuộn dây phần ứng trở nên lớn hơn điện áp nguồn U, máy chuyển từ chế độ vận hành động cơ sang chế độ máy phát, nghĩa là khi E < U máy hoạt động như một động cơ, với E > U — như một máy phát điện.

Việc chuyển máy điện từ chế độ động cơ sang chế độ máy phát có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau: bằng cách giảm điện áp U của nguồn mà cuộn dây phần ứng được nối vào hoặc bằng cách tăng e. vân vân. với E trong dây quấn phần ứng.