عملية تحويل الطاقة في الآلات الكهربائية

تنقسم الآلات الكهربائية حسب الغرض إلى نوعين رئيسيين: المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية ... المولدات مصممة لتوليد الطاقة الكهربائية ، والمحركات الكهربائية مصممة لدفع أزواج من عجلات القاطرات ، وتدوير أعمدة المراوح ، والضواغط ، وما إلى ذلك.

تحدث عملية تحويل الطاقة في الآلات الكهربائية. تقوم المولدات بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. هذا يعني أنه لكي يعمل المولد ، فأنت بحاجة إلى إدارة عمود الدوران بنوع من المحرك. في قاطرة ديزل ، على سبيل المثال ، يتم تشغيل المولد بالتناوب بواسطة محرك ديزل ، في محطة طاقة حرارية بواسطة توربين بخاري ، لمحطة كهرومائية - توربينات مائية.

من ناحية أخرى ، تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. لذلك ، لكي يعمل المحرك ، يجب أن يكون متصلاً بأسلاك بمصدر للطاقة الكهربائية ، أو كما يقولون ، موصلاً بالشبكة الكهربائية.

يعتمد مبدأ تشغيل أي آلة كهربائية على استخدام ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وظهور القوى الكهرومغناطيسية أثناء تفاعل الأسلاك مع التيار والمجال المغناطيسي. هذه الظواهر يتم إجراؤه أثناء تشغيل كل من المولد والمحرك الكهربائي. لذلك ، غالبًا ما يتحدثون عن أوضاع المولد والمحرك لتشغيل الآلات الكهربائية.

في الآلات الكهربائية الدوارة ، يشارك جزءان رئيسيان في عملية تحويل الطاقة: المحرك والمحث مع اللفات الخاصة به والتي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. يخلق الحث مجالًا مغناطيسيًا في السيارة. في لف المحرك التي يسببها البريد. مع… ويحدث تيار كهربائي. عندما يتفاعل التيار في ملف المحرك مع مجال مغناطيسي ، يتم إنشاء القوى الكهرومغناطيسية ، والتي من خلالها تتحقق عملية تحويل الطاقة في الجهاز.

لأداء عملية تحويل الطاقة في آلة كهربائية

الأحكام التالية مستمدة من النظريات الأساسية للطاقة الكهربائية لبوينكاريه وبارهاوزن:

1) التحويل التبادلي المباشر للطاقة الميكانيكية والكهربائية ممكن فقط إذا كانت الطاقة الكهربائية هي طاقة التيار الكهربائي المتناوب ؛

2) لتنفيذ عملية تحويل الطاقة ، من الضروري أن يكون لنظام الدوائر الكهربائية المعد لهذا الغرض إما محاثة كهربائية متغيرة أو قدرة كهربائية متغيرة ،

3) من أجل تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار كهربائي مباشر ، من الضروري أن يكون لنظام الدوائر الكهربائية المصمم لهذا الغرض مقاومة كهربائية متغيرة.

من الموضع الأول ، يترتب على ذلك أنه لا يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية في آلة كهربائية إلا إلى طاقة تيار كهربائي متناوب أو العكس.

التناقض الواضح لهذه العبارة مع حقيقة وجود آلات كهربائية ذات تيار مباشر يتم حله من خلال حقيقة أنه في "آلة التيار المباشر" لدينا تحويل للطاقة على مرحلتين.

لذلك ، في حالة مولد آلة كهربائية ذات تيار مباشر ، لدينا آلة يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة تيار متناوب ويتم تحويل الأخيرة ، نظرًا لوجود جهاز خاص يمثل "مقاومة كهربائية متغيرة" ، إلى طاقة من التيار المباشر.

في حالة الآلة الكهربائية ، من الواضح أن العملية تسير في الاتجاه المعاكس: يتم تحويل طاقة التيار الكهربائي المباشر المقدمة إلى آلة كهربائية عن طريق المقاومة المتغيرة المذكورة إلى طاقة تيار كهربائي متناوبة ، والأخيرة إلى طاقة ميكانيكية.

يتم لعب دور المقاومة الكهربائية المتغيرة المذكورة من خلال "التلامس الكهربائي المنزلق" ، والذي يتكون في "آلة تجميع التيار المستمر" التقليدية من "فرشاة آلة كهربائية" و "مجمع آلة كهربائية" ، وفي حلقات الانزلاق ".

نظرًا لأنه من أجل إنشاء عملية تحويل الطاقة في آلة كهربائية ، فمن الضروري أن يكون لديك إما "الحث الكهربائي المتغير" أو "السعة الكهربائية المتغيرة" ، يمكن صنع آلة كهربائية إما على أساس الحث الكهرومغناطيسي ، أو على مبدأ الحث الكهربائي. في الحالة الأولى نحصل على "آلة حثي" ، في الحالة الثانية - "آلة سعوية".

لا تزال آلات السعة غير ذات أهمية عملية.تُستخدم الآلات الكهربائية في الصناعة والنقل وفي الحياة اليومية ، وهي آلات استقرائية ، وقد ترسخ وراءها في الممارسة العملية الاسم المختصر "الآلة الكهربائية" ، وهو مفهوم أشمل في الأساس.

مبدأ تشغيل المولد الكهربائي.

أبسط مولد كهربائي هو حلقة تدور في مجال مغناطيسي (الشكل 1 ، أ). في هذا المولد ، يكون الدور 1 هو ملف المحرك. المحرِّض عبارة عن مغناطيس دائم 2 ، حيث يدور المحرك 3.

أرز. 1. مخططات تخطيطية لأبسط مولد (أ) ومحرك كهربائي (ب)

عندما يدور الملف بتردد دوران معين n ، فإن جوانبه (الموصلات) تعبر خطوط المجال المغناطيسي للتدفق Ф ويتم إحداث e في كل موصل. إلخ. د.مع المعتمد في الشكل. 1 واتجاه دوران المحرك ه. إلخ. ج.في الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي ، وفقًا لقاعدة اليد اليمنى ، يتم توجيهه بعيدًا عنا ، و e. إلخ. v. في سلك يقع تحت القطب الشمالي - نحونا.

إذا قمت بتوصيل مستقبل الطاقة الكهربائية 4 بملف المحرك ، فسوف يتدفق تيار كهربائي عبر دائرة مغلقة.في أسلاك ملف المحرك ، سيتم توجيه التيار بنفس طريقة e. إلخ. د.

دعونا نفهم لماذا ، من أجل تدوير المحرك في مجال مغناطيسي ، من الضروري إنفاق الطاقة الميكانيكية التي تم الحصول عليها من محرك ديزل أو توربين (محرك رئيسي). عندما يتدفق التيار i عبر أسلاك موجودة في مجال مغناطيسي ، تؤثر القوة الكهرومغناطيسية F على كل سلك.

مع ما هو مبين في الشكل. 1 ، واتجاه التيار وفقًا لقاعدة اليد اليسرى ، ستعمل القوة F الموجهة إلى اليسار على الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي ، وستعمل القوة F الموجهة إلى اليمين على الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي القطب الشمالي.تخلق هذه القوى معًا عزمًا كهرومغناطيسيًا M في اتجاه عقارب الساعة.

من فحص FIG. 1 ، ولكن يمكن ملاحظة أن العزم الكهرومغناطيسي M ، الذي يحدث عندما يصدر المولد طاقة كهربائية ، يتم توجيهه في الاتجاه المعاكس لدوران الأسلاك ، وبالتالي فهي لحظة فرملة تميل إلى إبطاء دوران ال المحرك المولد.

لمنع المرساة من التوقف ، من الضروري تطبيق عزم دوران خارجي Mvn على عمود المحرك ، عكس ومتساو في الحجم مع اللحظة M. مع الأخذ في الاعتبار الاحتكاك والفقد الداخلي الآخر في الماكينة ، يجب أن يكون عزم الدوران الخارجي أكبر من العزم الكهرومغناطيسي M الناتج عن تيار حمل المولد.

لذلك ، لمواصلة التشغيل العادي للمولد ، من الضروري تزويده بالطاقة الميكانيكية من الخارج - لتشغيل المحرك مع كل محرك 5.

في حالة عدم وجود حمل (مع فتح دائرة المولد الخارجي) ، يكون المولد في وضع الخمول. وفي هذه الحالة ، يلزم فقط كمية الطاقة الميكانيكية من الديزل أو التوربين للتغلب على الاحتكاك والتعويض عن فقد الطاقة الداخلية الأخرى في المولد.

مع زيادة الحمل على المولد ، أي الطاقة الكهربائية التي تمنحها REL ، والتيار الذي يمر عبر أسلاك ملف المحرك وعزم دوران الكبح M. التوربينات لمواصلة التشغيل العادي.

وبالتالي ، كلما زاد استهلاك الطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، بواسطة المحركات الكهربائية لقاطرة ديزل من مولد قاطرة ديزل ، زادت الطاقة الميكانيكية التي يستهلكها محرك الديزل من قلبه ، وكلما زاد الوقود الذي يجب توفيره لمحرك الديزل .

من ظروف تشغيل المولد الكهربائي المذكورة أعلاه ، يترتب على ذلك أنه من خصائصه:

1. مطابقة في اتجاه التيار i و e. إلخ. v. في أسلاك ملف المحرك. يشير هذا إلى أن الآلة تطلق طاقة كهربائية ؛

2. ظهور لحظة الكبح الكهرومغناطيسي M الموجهة ضد دوران المحرك. وهذا يعني الحاجة إلى أن تستقبل الآلة الطاقة الميكانيكية من الخارج.

مبدأ المحرك الكهربائي.

من حيث المبدأ ، تم تصميم المحرك الكهربائي بنفس طريقة تصميم المولد. أبسط محرك كهربائي هو دوران 1 (الشكل 1 ، ب) ، يقع على المحرك 3 ، والذي يدور في المجال المغناطيسي للأقطاب 2. تشكل موصلات الدوران ملفًا في المحرك.

إذا قمت بتوصيل الملف بمصدر للطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، بشبكة كهربائية 6 ، فإن تيارًا كهربائيًا سأبدأ بالتدفق عبر كل من أسلاكه.هذا التيار ، الذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي للأقطاب ، يخلق كهرومغناطيسيًا القوات F.

مع ما هو مبين في الشكل. في الشكل 1 ب ، سيتأثر اتجاه التيار على الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي بالقوة F الموجهة إلى اليمين ، وستعمل القوة F الموجهة إلى اليسار على الموصل الموجود أسفل القطب الشمالي. نتيجة للعمل المشترك لهذه القوى ، يتم إنشاء عزم كهرومغناطيسي M موجه عكس اتجاه عقارب الساعة ، والذي يدفع المحرك مع السلك للدوران بتردد معين ن ... إذا قمت بتوصيل عمود المحرك بأي آلية أو جهاز 7 ( المحور المركزي لقاطرة ديزل أو قاطرة كهربائية ، أداة قطع المعادن ، وما إلى ذلك) ، ثم يقوم المحرك الكهربائي بضبط هذا الجهاز في الدوران ، أي يمنحه طاقة ميكانيكية.في هذه الحالة ، سيتم توجيه اللحظة الخارجية MVN التي تم إنشاؤها بواسطة هذا الجهاز ضد العزم الكهرومغناطيسي M.

دعونا نفهم سبب استهلاك الطاقة الكهربائية عندما يدور عضو المحرك لمحرك كهربائي يعمل تحت الحمل. لقد وجد أنه عندما تدور أسلاك المحرك في مجال مغناطيسي ، يتم إحداث e في كل سلك. إلخ. مع ، يتم تحديد اتجاهها وفقًا لقاعدة اليد اليمنى. لذلك ، مع المشار إليه في الشكل. 1 ، ب اتجاه دوران البريد. إلخ. ج.سيتم توجيه البريد المستحث في الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي بعيدًا عنا ، و هـ. إلخ. سيتم توجيه e المستحث في الموصل الموجود أسفل القطب الشمالي نحونا. تين. 1 ، ب يتبين أن البريد ، إلخ. ج - أي أن المستحث في كل موصل موجه ضد التيار i ، أي أنه يمنع مروره عبر الموصلات.

لكي يستمر التيار في التدفق عبر أسلاك المحرك في نفس الاتجاه ، أي بحيث يستمر المحرك الكهربائي في العمل بشكل طبيعي وتطوير عزم الدوران اللازم ، من الضروري تطبيق جهد خارجي U على هذه الأسلاك الموجهة إلى ه. إلخ. ج.وهي أكبر من العامة. إلخ. ج. المستحث في جميع الأسلاك المتصلة بالسلسلة لملف المحرك. لذلك ، من الضروري توفير الطاقة الكهربائية للمحرك الكهربائي من الشبكة.

في حالة عدم وجود حمل (يتم تطبيق عزم الكبح الخارجي على عمود المحرك) ، يستهلك المحرك الكهربائي كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي (شبكة رئيسية) ويتدفق تيار صغير خلالها في وضع الخمول. تُستخدم هذه الطاقة لتغطية فقد الطاقة الداخلية في الماكينة.

مع زيادة الحمل ، يزداد التيار الذي يستهلكه المحرك الكهربائي والعزم الكهرومغناطيسي الذي يتطور. لذلك ، تؤدي الزيادة في الطاقة الميكانيكية التي يطلقها المحرك الكهربائي مع زيادة الحمل تلقائيًا إلى زيادة الكهرباء التي يسحبها من المصدر.

من ظروف تشغيل المحرك الكهربائي التي تمت مناقشتها أعلاه ، يترتب على ذلك أنه من خصائصه:

1. المصادفة في اتجاه العزم الكهرومغناطيسي M والسرعة n ، وهذا يميز عودة الطاقة الميكانيكية من الآلة ؛

2. المظهر في أسلاك ملف المحرك ه. إلخ الموجهة ضد التيار أنا والجهد الخارجي U. وهذا يعني حاجة الآلة لاستقبال الطاقة الكهربائية من الخارج.

مبدأ عكس الآلات الكهربائية

بالنظر إلى مبدأ تشغيل المولد والمحرك الكهربائي ، وجدنا أنهما مرتبان بنفس الطريقة وأن هناك الكثير من القواسم المشتركة في أساس تشغيل هذه الآلات.

ترتبط عملية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في المولد والطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في المحرك بتحريض المجالات الكهرومغناطيسية. إلخ. ص. في أسلاك المحرك المتعرج التي تدور في مجال مغناطيسي وظهور القوى الكهرومغناطيسية نتيجة تفاعل المجال المغناطيسي والأسلاك الحاملة للتيار.

الفرق بين المولد والمحرك الكهربائي يكون فقط في الاتجاه المتبادل لـ e. د. مع التيار ، عزم الدوران الكهرومغناطيسي والسرعة.

تلخيصًا لعمليات تشغيل المولد والمحرك الكهربائي المدروسة ، من الممكن إنشاء مبدأ انعكاس للآلات الكهربائية ... وفقًا لهذا المبدأ ، يمكن لأي آلة كهربائية أن تعمل كمولد ومحرك كهربائي والتبديل من وضع المولد إلى وضع المحرك والعكس صحيح.

أرز. 2. اتجاه البريد ، إلخ. مع E ، التيار I ، تردد دوران المحرك n والعزم الكهرومغناطيسي M أثناء تشغيل آلة كهربائية ذات تيار مباشر في أوضاع المحرك (أ) والمولد (ب)

لتوضيح هذا الموقف ، فكر في العمل آلة كهربائية التيار المباشر تحت ظروف مختلفة. إذا كان الجهد الخارجي U أكبر من إجمالي e. إلخ. v. D. في جميع الأسلاك المتصلة بالسلسلة لملف المحرك ، ثم التيار الذي سأتدفق في ذلك الموضح في الشكل. 2 ، وسيعمل الاتجاه والآلة كمحرك كهربائي ، حيث يستهلك الطاقة الكهربائية من الشبكة وينتج طاقة ميكانيكية.

ومع ذلك ، إذا لسبب ما هـ. إلخ. ج.يصبح E أكبر من الجهد الخارجي U ، ثم سيغير التيار I في ملف المحرك اتجاهه (الشكل 2 ، ب) ويتزامن مع e. إلخ. v. D. في هذه الحالة ، سيتغير أيضًا اتجاه العزم الكهرومغناطيسي M ، والذي سيتم توجيهه ضد تردد الدوران n ... المصادفة في الاتجاه d. ، إلخ. مع E والتيار I يعني أن الآلة بدأت في إعطاء الطاقة الكهربائية للشبكة ، وظهور العزم الكهرومغناطيسي للفرملة M يشير إلى أنه يجب أن تستهلك طاقة ميكانيكية من الخارج.

لذلك ، عندما البريد. إلخ. معيصبح E المستحث في أسلاك ملف المحرك أكبر من جهد التيار الكهربائي U ، تتحول الماكينة من وضع تشغيل المحرك إلى وضع المولد ، أي عندما تعمل E <U كمحرك ، مع E> U - مثل مولد.

يمكن أن يتم نقل آلة كهربائية من وضع المحرك إلى وضع المولد بطرق مختلفة: عن طريق تقليل الجهد U للمصدر الذي يتصل به ملف المحرك ، أو عن طريق زيادة e. إلخ. مع E في لف المحرك.