Proses konversi energi pada mesin listrik

Mesin listrik secara sengaja dibagi menjadi dua jenis utama: generator listrik dan motor listrik... Generator dirancang untuk menghasilkan tenaga listrik, dan motor listrik dirancang untuk menggerakkan sepasang roda lokomotif, memutar poros kipas, kompresor, dll.

Proses konversi energi terjadi di mesin listrik. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Artinya agar generator dapat bekerja, Anda perlu memutar porosnya dengan semacam mesin. Pada lokomotif diesel misalnya generator digerakkan secara berputar oleh mesin diesel, pada pembangkit listrik tenaga panas oleh turbin uap, dari pembangkit listrik tenaga air - turbin air.

Motor listrik, di sisi lain, mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Oleh karena itu, agar mesin dapat bekerja, ia harus dihubungkan dengan kabel ke sumber energi listrik, atau, seperti yang mereka katakan, dicolokkan ke jaringan listrik.

Prinsip pengoperasian mesin listrik apa pun didasarkan pada penggunaan fenomena induksi elektromagnetik dan munculnya gaya elektromagnetik selama interaksi kabel dengan arus dan medan magnet. Fenomena ini dilakukan selama pengoperasian generator dan motor listrik. Oleh karena itu, mereka sering berbicara tentang mode pengoperasian generator dan motor dari mesin listrik.

Dalam mesin listrik berputar, dua bagian utama terlibat dalam proses konversi energi: angker dan induktor dengan belitannya sendiri yang bergerak relatif satu sama lain. Induktor menciptakan medan magnet di dalam mobil. Dalam gulungan angker diinduksi oleh e. dengan… dan arus listrik terjadi. Ketika arus berinteraksi dalam belitan angker dengan medan magnet, gaya elektromagnetik dibuat, yang melaluinya proses konversi energi dalam mesin direalisasikan.

Untuk kinerja proses konversi energi dalam mesin listrik

Ketentuan berikut diturunkan dari teorema dasar energi listrik Poincaré dan Barhausen:

1) transformasi timbal balik langsung dari energi mekanik dan listrik hanya mungkin jika energi listrik adalah energi arus listrik bolak-balik;

2) untuk pelaksanaan proses konversi energi tersebut, sistem sirkuit listrik yang dimaksudkan untuk tujuan ini perlu memiliki induktansi listrik yang berubah atau kapasitas listrik yang berubah,

3) untuk mengubah energi arus listrik bolak-balik menjadi energi arus listrik searah, sistem sirkuit listrik yang dirancang untuk tujuan ini harus memiliki hambatan listrik yang berubah.

Dari posisi pertama dapat disimpulkan bahwa energi mekanik dalam mesin listrik hanya dapat diubah menjadi energi arus listrik bolak-balik atau sebaliknya.

Kontradiksi yang tampak dari pernyataan ini dengan fakta keberadaan mesin listrik arus searah diselesaikan oleh fakta bahwa dalam "mesin arus searah" kita memiliki konversi energi dua tahap.

Jadi, dalam kasus generator mesin listrik arus searah, kami memiliki mesin di mana energi mekanik diubah menjadi energi arus bolak-balik dan yang terakhir, karena adanya perangkat khusus yang mewakili "hambatan listrik variabel", diubah menjadi energi dari arus searah.

Dalam kasus mesin listrik, prosesnya jelas berjalan dalam arah yang berlawanan: energi arus listrik searah yang disuplai ke mesin listrik diubah melalui resistansi variabel tersebut menjadi energi arus listrik bolak-balik, dan yang terakhir menjadi energi mekanik.

Peran dari hambatan listrik yang berubah tersebut dimainkan oleh "kontak listrik geser", yang dalam "mesin pengumpul DC" konvensional terdiri dari "sikat mesin listrik" dan "pengumpul mesin listrik", dan dalam cincin selip " .

Karena untuk membuat proses konversi energi dalam mesin listrik, perlu memiliki "induktansi listrik variabel" atau "kapasitansi listrik variabel" di dalamnya, mesin listrik dapat dibuat berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, atau berdasarkan prinsip induksi listrik. Dalam kasus pertama kita mendapatkan "mesin induktif", yang kedua - "mesin kapasitif".

Mesin kapasitansi masih tidak penting secara praktis.Digunakan dalam industri, dalam transportasi dan dalam kehidupan sehari-hari, mesin listrik adalah mesin induktif, di belakangnya dalam praktiknya nama pendek "mesin listrik" telah mengakar, yang pada dasarnya merupakan konsep yang lebih luas.

Prinsip pengoperasian generator listrik.

Generator listrik paling sederhana adalah loop yang berputar dalam medan magnet (Gbr. 1, a). Di generator ini, belokan 1 adalah belitan angker. Induktor adalah magnet permanen 2, di antaranya angker 3 berputar.

Beras. 1. Diagram skematik generator paling sederhana (a) dan motor listrik (b)

Ketika koil berputar dengan frekuensi putaran tertentu n, sisi-sisinya (konduktor) melintasi garis medan magnet fluks Ф dan e diinduksi di setiap konduktor. dll. s. d. Dengan diadopsi pada gambar. 1 dan arah putaran angker e. dll. c.di penghantar yang letaknya di bawah kutub selatan menurut kaidah tangan kanan diarahkan menjauhi kita, dan e. dll. v. di kawat yang terletak di bawah Kutub Utara - ke arah kita.

Jika Anda menghubungkan penerima energi listrik 4 ke belitan angker, maka arus listrik I akan mengalir melalui rangkaian tertutup Pada kabel belitan angker, arus I akan diarahkan dengan cara yang sama seperti e. dll. s.d.

Mari kita pahami mengapa, untuk memutar angker dalam medan magnet, perlu mengeluarkan energi mekanik yang diperoleh dari mesin diesel atau turbin (mesin utama). Ketika arus i mengalir melalui kabel yang terletak di medan magnet, gaya elektromagnetik F bekerja pada setiap kabel.

Dengan yang ditunjukkan pada gambar. 1, dan arah arus menurut aturan tangan kiri, gaya F yang diarahkan ke kiri akan bekerja pada konduktor yang terletak di bawah Kutub Selatan, dan gaya F yang diarahkan ke kanan akan bekerja pada konduktor yang terletak di bawah Kutub Utara.Gaya-gaya ini bersama-sama menciptakan momen elektromagnetik M. searah jarum jam.

Dari pemeriksaan Gambar. 1, tetapi terlihat bahwa momen elektromagnetik M yang terjadi ketika generator memancarkan energi listrik diarahkan berlawanan arah dengan putaran kabel, oleh karena itu merupakan momen pengereman yang cenderung memperlambat putaran jangkar generator.

Untuk mencegah jangkar berhenti, perlu menerapkan torsi eksternal Mvn ke poros angker, berlawanan dan besarnya sama dengan momen M. Mempertimbangkan gesekan dan kerugian internal lainnya pada mesin, torsi eksternal harus lebih besar dari momen elektromagnetik M yang diciptakan oleh arus beban generator.

Oleh karena itu, untuk melanjutkan operasi normal generator, perlu disuplai dengan energi mekanik dari luar - untuk memutar angkernya dengan masing-masing mesin 5.

Tanpa beban (dengan rangkaian generator eksternal terbuka), generator dalam mode diam. Dalam hal ini, hanya jumlah energi mekanik dari diesel atau turbin yang diperlukan untuk mengatasi gesekan dan mengkompensasi kehilangan energi internal lainnya di generator.

Dengan peningkatan beban pada generator, yaitu REL daya listrik yang diberikan olehnya, arus I melewati kabel belitan angker dan torsi pengereman M. turbin untuk melanjutkan operasi normal.

Dengan demikian, semakin banyak energi listrik yang dikonsumsi, misalnya oleh motor listrik lokomotif diesel dari generator lokomotif diesel, semakin banyak energi mekanik yang dibutuhkan dari mesin diesel yang memutarnya, dan semakin banyak bahan bakar yang harus disuplai ke mesin diesel. .

Dari kondisi pengoperasian generator listrik, yang dipertimbangkan di atas, berikut karakteristiknya:

1. cocok dengan arah arus i dan e. dll. v. di kabel belitan angker. Ini menandakan bahwa mesin melepaskan energi listrik;

2. munculnya momen pengereman elektromagnetik M yang diarahkan melawan rotasi angker. Ini menyiratkan perlunya mesin untuk menerima energi mekanik dari luar.

Prinsip motor listrik.

Pada prinsipnya motor listrik dirancang dengan cara yang sama seperti generator. Motor listrik paling sederhana adalah belokan 1 (Gbr. 1, b), yang terletak di angker 3, yang berputar di medan magnet kutub 2. Konduktor belokan membentuk belitan angker.

Jika Anda menghubungkan koil ke sumber energi listrik, misalnya ke jaringan listrik 6, maka arus listrik I akan mulai mengalir melalui masing-masing kabelnya Arus ini, berinteraksi dengan medan magnet kutub, menciptakan elektromagnetik kekuatan F .

Dengan yang ditunjukkan pada gambar. 1b, arah arus pada penghantar yang terletak di bawah kutub selatan akan dipengaruhi oleh gaya F yang diarahkan ke kanan, dan gaya F yang diarahkan ke kiri akan bekerja pada penghantar yang terletak di bawah kutub utara. Sebagai hasil dari aksi gabungan dari gaya-gaya ini, torsi elektromagnetik M yang diarahkan berlawanan arah jarum jam dibuat, yang mendorong angker dengan kawat untuk berputar dengan frekuensi tertentu n... Jika Anda menghubungkan poros angker ke mekanisme atau perangkat apa pun 7 ( sumbu tengah lokomotif diesel atau lokomotif listrik, alat pemotong logam, dll.), maka motor listrik akan memutar alat ini, yaitu memberikan energi mekanik.Dalam hal ini, momen eksternal MVN yang dibuat oleh perangkat ini akan diarahkan melawan momen elektromagnetik M.

Mari kita pahami mengapa energi listrik dikonsumsi saat angker motor listrik yang beroperasi di bawah beban berputar. Ditemukan bahwa ketika kabel jangkar berputar dalam medan magnet, e diinduksi di setiap kabel. dll. dengan, arahnya ditentukan menurut aturan tangan kanan. Oleh karena itu, dengan yang ditunjukkan pada gambar. 1, b arah rotasi e. dll. c.e diinduksikan pada penghantar yang terletak di bawah kutub selatan akan diarahkan menjauhi kita, dan e. dll. s. e diinduksi dalam konduktor yang terletak di bawah kutub utara akan diarahkan ke arah kita. Ara. 1, b terlihat bahwa e., dst. c. Artinya, induksi di setiap konduktor diarahkan melawan arus i, yaitu, mereka mencegah lewatnya melalui konduktor.

Agar arus terus mengalir melalui kabel angker ke arah yang sama, yaitu agar motor listrik terus bekerja secara normal dan mengembangkan torsi yang diperlukan, tegangan eksternal U harus diterapkan ke kabel ini yang diarahkan ke e. dll. c. dan lebih besar dari pada umumnya e. dll. c. E diinduksi di semua kabel yang terhubung seri dari belitan angker. Oleh karena itu, diperlukan suplai energi listrik ke motor listrik dari jaringan.

Dengan tidak adanya beban (torsi pengereman eksternal diterapkan pada poros motor), motor listrik mengkonsumsi sejumlah kecil energi listrik dari sumber eksternal (listrik) dan arus kecil mengalir melaluinya saat idle. Energi ini digunakan untuk menutupi kerugian daya internal di mesin.

Saat beban meningkat, arus yang dikonsumsi oleh motor listrik dan torsi elektromagnetik juga meningkat. Oleh karena itu, peningkatan energi mekanik yang dilepaskan oleh motor listrik seiring dengan peningkatan beban secara otomatis menyebabkan peningkatan listrik yang diambil dari sumbernya.

Dari kondisi pengoperasian motor listrik yang dibahas di atas, berikut karakteristiknya:

1. kebetulan dalam arah momen elektromagnetik M dan kecepatan n. Ini mencirikan kembalinya energi mekanik dari mesin;

2.penampilan pada kabel lilitan angker e. dll. diarahkan melawan arus i dan tegangan eksternal U. Ini menyiratkan perlunya mesin menerima energi listrik dari luar.

Prinsip reversibilitas mesin listrik

Mempertimbangkan prinsip pengoperasian generator dan motor listrik, kami menemukan bahwa keduanya diatur dengan cara yang sama dan ada banyak kesamaan di dasar pengoperasian mesin-mesin ini.

Proses pengubahan energi mekanik menjadi energi listrik pada generator dan energi listrik menjadi energi mekanik pada motor berhubungan dengan GGL induksi. dll. hal. dalam kabel belitan jangkar yang berputar dalam medan magnet dan munculnya gaya elektromagnetik sebagai akibat interaksi medan magnet dan kabel pembawa arus.

Perbedaan antara generator dan motor listrik hanya pada arah timbal balik e. d.dengan, arus, torsi elektromagnetik dan kecepatan.

Merangkum proses operasi generator dan motor listrik yang dipertimbangkan, adalah mungkin untuk menetapkan prinsip reversibilitas mesin listrik... Menurut prinsip ini, mesin listrik apa pun dapat bekerja sebagai generator dan motor listrik dan beralih dari mode generator ke mode motor dan sebaliknya.

Beras. 2. Arah e., dll. dengan E, arus I, frekuensi rotasi jangkar n dan momen elektromagnetik M selama pengoperasian mesin listrik arus searah dalam mode motor (a) dan generator (b)

Untuk memperjelas situasi ini, pertimbangkan pekerjaan Mesin listrik arus searah dalam kondisi yang berbeda. Jika tegangan eksternal U lebih besar dari total e. dll. v. D. di semua kabel yang terhubung seri dari belitan angker, maka arus I akan mengalir seperti yang ditunjukkan pada gambar. 2, dan arah dan mesin akan bekerja sebagai motor listrik, mengkonsumsi energi listrik dari jaringan dan memberikan energi mekanik.

Namun, jika karena alasan tertentu e. dll. c.E menjadi lebih besar dari tegangan eksternal U, maka arus I pada belitan jangkar akan berubah arah (Gbr. 2, b) dan bertepatan dengan e. dll. v. D. Dalam hal ini, arah momen elektromagnetik M juga akan berubah, yang akan diarahkan terhadap frekuensi rotasi n... Kebetulan arah d., dll. dengan E dan arus I berarti mesin sudah mulai memberikan energi listrik ke jaringan, dan munculnya momen elektromagnetik pengereman M menunjukkan bahwa ia harus mengkonsumsi energi mekanik dari luar.

Oleh karena itu, ketika e.dll. denganE yang diinduksi dalam kabel belitan angker menjadi lebih besar dari tegangan listrik U, mesin beralih dari mode operasi motor ke mode generator, yaitu ketika E < U mesin bekerja sebagai motor, dengan E> U — sebagai sebuah generator.

Pemindahan mesin listrik dari mode motor ke mode generator dapat dilakukan dengan berbagai cara: dengan mengurangi tegangan U dari sumber yang terhubung dengan belitan jangkar, atau dengan meningkatkan e. dll. dengan E pada belitan jangkar.