double arrow

Электромеханическое преобразование в машинах постоянного и переменного тока

Ниже покажем непосредственное преобразование энергии в машинах постоянного и переменного тока, а также в трансформаторах, рис. 1.

а) Машины постоянного тока

Рис.1.

Генераторы на рисунке представлено объяснение принципа действие. Если силой F перемешать проводник то в нем ( по правилу правой руки) наведется ЭДС.

=Вlv, где B –индукция, l – длина проводника, V – скорость движения проводника. ЭДС направлена в проводнике от нас.

Если теперь концы проводника замкнуть, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и ЭДС. В результате взаимодействие тока i в проводнике и магнитного поля возникнет электромагнитная сила ( правило левой руки) , где i – ток в проводнике. При равномерном движении проводника , если обе части умножить на V , то получим , отсюда видно, что механическая мощность FV в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь, может быть найдена из уравнения напряжений.

, умножив уравнение на i, получим , где Ui – электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности , полученной в результате преобразования механической мощности). I2R – электрические потери в проводнике.

Двигатель.

Та же элементарная машина, может работать двигателем, т.е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение U так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на рисунке направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится ЭДС (правило правой руки), направленная против тока i и против напряжения U. Следовательно, напряжение U уравновешивается ЭДС и падением напряжение lR. , умножив уравнение на ток i, получим , где i2R – электрические потери в проводнике, ei – та часть подведенной электрической мощности Ui, которая преобразуется в механическую мощность т.к. учитывая , , получим .

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т.е. может работать и генератором и двигателем.

б) Трансформаторы.

Процесс преобразования энергии в трансформаторе происходит за счет электромагнитной индукции.

В результате изменения потока в обмотках наводятся ЭДС.

, где , первичная обмотка.

, где , вторичная обмотка. Обмотка с ЭДС может быть использована как источник переменного тока той же частоты, но другого напряжения . Пренебрегая потерями на перемагничивание, рассмотрим баланс мгновенных мощностей в трансформаторе. Запишем уравнение ЭДС для первичной обмотки

, умножив уравнение на ток i1, получим .

Часть этой мощности i21R выделяется в виде тепла в обмотке 1, другая часть передается посредством электромагнитного поля в обмотку 2. Мощность , поступающая в обмотку 2 частично выделяется в ней в виде тепла ( l22R2), а оставшаяся ее часть передается нагрузке ( U2l2).

в) Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине переменного тока.

Электромагнитная схема простейшей электрической машины состоит из двух основных элементов: неподвижного статора и вращающегося ротора, сердечников статора и ротора.

Для усиления магнитной связи между обмотками магнитопровод статора и ротора набираются из пластин электротехнической стали, обладающей высокой магнитной проницаемостью.

Электромеханическое преобразование энергии в машине связано с ЭДС, которые индуктируются в обмотках вследствие изменения их взаимного расположения в пространстве.

Взаимная индуктивность зависит от угла поворота ротора. При вращении ротора с угловой скоростью угол поворота линейно увеличивается и в результате его изменения в обмотке ротора индуктируется ЭДС

Рассмотрим преобразование энергии в генераторном режиме электрической машины. Уравнение равновесного состояния ЭДС , умножив уравнение на ток i1, получим электрическую мощность , часть этой мощности l21R1 выделится в виде тепла, оставшаяся часть будет отдана нагрузке, напряжение U1 =RHl1 на выводах обмотки, совпадающее с напряжением нагрузки, так же изменяется с частотой f.

В результате взаимодействия магнитного поля тока i2 с током i1 ротора будет действовать электромагнитный момент M. Для определения момента M можно исходить из того, что его работа при повороте ротора на малый угол равна изменению энергии магнитного поля dW за счет изменения взаимной индуктивности при и , то есть , откуда

В установившемся режиме, когда ротор вращается с постоянной скоростью , электромагнитный момент M должен быть уравновешен внешним моментом Mb

.

При этом через вал к ротору машины должна быть подведена механическая мощность , которая преобразуется в равную ей электрическую мощность т.е. в генераторном режиме механическая мощность преобразовывается в электрическую. Происходит электромеханическое преобразование энергии.

Та же простейшая машина может работать двигателем, преобразуя электрическую энергию в механическую. Для осуществления этого режима нужно присоединить обмотку 1 к сети с таким переменным напряжением U1, изменяющимся с частотой f , чтобы переменный ток i1 всегда был направлен противоположно ЭДС e1. Записав для образовавшейся электрической цепи уравнение напряжений и умножив его на i1, получим .

Часть этой мощности i12R1 выделяется в виде теплоты в обмотке 1, остальная часть , преобразуется в механическую мощность , передаваемую от ротора через вал машине – орудию. Таким образом, простейшая электрическая машина обратима, т.е. она может работать и генератором, и двигателем.


Сейчас читают про: