กระบวนการแปลงพลังงานในเครื่องจักรไฟฟ้า

เครื่องใช้ไฟฟ้าแบ่งตามวัตถุประสงค์ออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า... เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับการออกแบบเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า และมอเตอร์ไฟฟ้าได้รับการออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนล้อคู่ของหัวรถจักร เพลาหมุนของพัดลม คอมเพรสเซอร์ ฯลฯ

กระบวนการแปลงพลังงานเกิดขึ้นในเครื่องจักรไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าเพื่อให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานได้คุณต้องหมุนเพลาด้วยเครื่องยนต์บางชนิด ตัวอย่างเช่น บนรถจักรดีเซล เครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนโดยเครื่องยนต์ดีเซล บนโรงไฟฟ้าพลังความร้อนโดยกังหันไอน้ำ ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ — กังหันน้ำ.

ในทางกลับกัน มอเตอร์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ดังนั้นเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ต้องเชื่อมต่อด้วยสายไฟกับแหล่งพลังงานไฟฟ้าหรือเสียบเข้ากับเครือข่ายไฟฟ้า

หลักการทำงานของเครื่องไฟฟ้าใด ๆ ขึ้นอยู่กับการใช้ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการปรากฏตัวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าในระหว่างการปฏิสัมพันธ์ของสายไฟกับกระแสและสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์เหล่านี้ จะดำเนินการระหว่างการทำงานของทั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า ดังนั้นพวกเขาจึงมักพูดถึงโหมดการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ของเครื่องใช้ไฟฟ้า

ในเครื่องจักรไฟฟ้าแบบหมุน สองส่วนหลักมีส่วนร่วมในกระบวนการแปลงพลังงาน: เกราะและตัวเหนี่ยวนำที่มีขดลวดของตัวเองซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ตัวเหนี่ยวนำสร้างสนามแม่เหล็กในรถยนต์ ในกระดองที่คดเคี้ยว เหนี่ยวนำโดยอี กับ…และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เมื่อกระแสโต้ตอบในกระดองที่คดเคี้ยวกับสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งทำให้เกิดกระบวนการแปลงพลังงานในเครื่อง

สำหรับประสิทธิภาพของกระบวนการแปลงพลังงานในเครื่องจักรไฟฟ้า

บทบัญญัติต่อไปนี้มาจากทฤษฎีบทพื้นฐานของพลังงานไฟฟ้าของPoincaréและ Barhausen:

1) การเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันโดยตรงของพลังงานกลและพลังงานไฟฟ้าเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานของกระแสไฟฟ้าสลับ

2) สำหรับการดำเนินการตามกระบวนการของการแปลงพลังงานดังกล่าว จำเป็นสำหรับระบบวงจรไฟฟ้าที่มีไว้เพื่อจุดประสงค์นี้เพื่อให้มีการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำไฟฟ้าหรือความจุไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง

3) เพื่อที่จะแปลงพลังงานของกระแสไฟฟ้าสลับเป็นพลังงานของกระแสไฟฟ้าตรง จำเป็นต้องมีระบบของวงจรไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์นี้ซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง

จากตำแหน่งแรก พลังงานกลสามารถแปลงในเครื่องจักรไฟฟ้าเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับเท่านั้น หรือในทางกลับกัน

ความขัดแย้งที่ชัดเจนของข้อความนี้กับข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของเครื่องจักรไฟฟ้ากระแสตรงได้รับการแก้ไขโดยข้อเท็จจริงที่ว่าใน «เครื่องจักรไฟฟ้ากระแสตรง» เรามีการแปลงพลังงานสองขั้นตอน

ดังนั้นในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเรามีเครื่องจักรที่พลังงานกลถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับและอย่างหลังเนื่องจากมีอุปกรณ์พิเศษที่แสดงถึง "ความต้านทานไฟฟ้าผันแปร" จึงถูกแปลงเป็นพลังงาน จากไฟฟ้ากระแสตรง

ในกรณีของเครื่องจักรไฟฟ้า เห็นได้ชัดว่ากระบวนการไปในทิศทางตรงกันข้าม: พลังงานของกระแสไฟฟ้าตรงที่จ่ายให้กับเครื่องจักรไฟฟ้าจะถูกแปลงโดยใช้ความต้านทานผันแปรดังกล่าวเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ และเปลี่ยนเป็นพลังงานกล

บทบาทของความต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงดังกล่าวแสดงโดย "หน้าสัมผัสไฟฟ้าแบบเลื่อน" ซึ่งใน "เครื่องสะสมไฟฟ้ากระแสตรง" แบบธรรมดาประกอบด้วย "แปรงถ่านเครื่องไฟฟ้า" และ "เครื่องรวบรวมเครื่องไฟฟ้า" และในวงแหวนสลิป "

เนื่องจากในการสร้างกระบวนการแปลงพลังงานในเครื่องไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องมี "ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบแปรผัน" หรือ "ความจุไฟฟ้าแบบแปรผัน" อยู่ในนั้น เครื่องทำไฟฟ้าจึงสามารถทำได้โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าหรือบน หลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้า ในกรณีแรกเราได้ "เครื่องอุปนัย" ในกรณีที่สอง - "เครื่องเก็บประจุ"

เครื่องความจุยังคงไม่มีความสำคัญในทางปฏิบัติใช้ในอุตสาหกรรม การขนส่ง และในชีวิตประจำวัน เครื่องจักรไฟฟ้าเป็นเครื่องจักรอุปนัย ซึ่งตามหลักการแล้วชื่อสั้นๆ "เครื่องจักรไฟฟ้า" มีรากฐานมา ซึ่งเป็นแนวคิดที่กว้างกว่า

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดคือวงจรที่หมุนในสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 1, a) ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ เทิร์น 1 คือขดลวดกระดอง ตัวเหนี่ยวนำคือแม่เหล็กถาวร 2 ซึ่งกระดอง 3 หมุนระหว่างนั้น

ข้าว. 1. แผนผังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ง่ายที่สุด (a) และมอเตอร์ไฟฟ้า (b)

เมื่อขดลวดหมุนด้วยความถี่การหมุนที่แน่นอน n ด้านข้าง (ตัวนำ) จะข้ามเส้นสนามแม่เหล็กของฟลักซ์ Ф และ e ในตัวนำแต่ละตัว เป็นต้น s. d. ด้วยการนำมาใช้ในรูป 1 และทิศทางการหมุนของกระดอง e. เป็นต้น c. ในตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วโลกใต้ ตามกฎมือขวา จะอยู่ห่างจากเรา และ e. เป็นต้น v. ในสายไฟที่อยู่ใต้ขั้วโลกเหนือ - มาหาเรา.

หากคุณเชื่อมต่อเครื่องรับพลังงานไฟฟ้า 4 เข้ากับขดลวดกระดอง กระแสไฟฟ้า I จะไหลผ่านวงจรปิด ในสายไฟของขดลวดกระดอง กระแส I จะถูกนำไปในลักษณะเดียวกับ e เป็นต้น เอส. ดี.

มาทำความเข้าใจกันว่าทำไมในการหมุนกระดองในสนามแม่เหล็กจึงจำเป็นต้องใช้พลังงานกลที่ได้จากเครื่องยนต์ดีเซลหรือกังหัน (เครื่องยนต์หลัก) เมื่อกระแส i ไหลผ่านสายไฟที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็กไฟฟ้า F จะกระทำกับสายไฟแต่ละเส้น

โดยระบุไว้ในรูป 1 และทิศทางของกระแสตามกฎมือซ้าย แรง F ที่พุ่งไปทางซ้ายจะกระทำต่อตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วโลกใต้ และแรง F ที่พุ่งไปทางขวาจะกระทำต่อตัวนำที่อยู่ใต้ ขั้วโลกเหนือ.แรงเหล่านี้ร่วมกันสร้างโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M. ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา

จากการตรวจสอบรูปที่ 1 แต่จะเห็นได้ว่าโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปล่อยพลังงานไฟฟ้านั้นพุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการหมุนของสายไฟ ดังนั้นจึงเป็นโมเมนต์เบรกที่มีแนวโน้มที่จะทำให้การหมุนช้าลง กระดองเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เพื่อป้องกันไม่ให้สมอหยุดชะงักจำเป็นต้องใช้แรงบิดภายนอก Mvn กับเพลากระดองซึ่งมีขนาดตรงกันข้ามและเท่ากับโมเมนต์ M โดยคำนึงถึงแรงเสียดทานและการสูญเสียภายในอื่นๆ ในเครื่องจักร แรงบิดภายนอกจะต้องมากกว่าโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M ที่สร้างขึ้นโดยกระแสโหลดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ดังนั้นเพื่อให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานได้ตามปกติจำเป็นต้องจ่ายพลังงานกลจากภายนอก - เพื่อหมุนกระดองด้วยเครื่องยนต์แต่ละตัว 5

เมื่อไม่มีโหลด (โดยที่วงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าภายนอกเปิดอยู่) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะอยู่ในโหมดเดินเบา ในกรณีนี้ ต้องใช้พลังงานกลจากเครื่องยนต์ดีเซลหรือกังหันในปริมาณมากเท่านั้นจึงจะเอาชนะแรงเสียดทานและชดเชยการสูญเสียพลังงานภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ ได้

ด้วยการเพิ่มภาระของเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั่นคือพลังงานไฟฟ้า REL ที่กำหนดโดยมัน กระแส ฉัน ผ่านสายไฟของขดลวดกระดองและแรงบิดเบรก M. กังหันเพื่อดำเนินการต่อตามปกติ

ดังนั้น ยิ่งใช้พลังงานไฟฟ้ามากเท่าไหร่ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าของรถจักรดีเซลจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของรถจักรดีเซล เครื่องยนต์ดีเซลก็จะยิ่งใช้พลังงานกลมากขึ้นในการหมุน และยิ่งต้องป้อนเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ดีเซลมากขึ้น .

จากสภาพการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตามที่พิจารณาข้างต้น เป็นไปตามลักษณะของมัน:

1. จับคู่ในทิศทางของ i และ e ปัจจุบัน เป็นต้น ก. ในสายไฟของกระดองที่คดเคี้ยว. สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเครื่องกำลังปล่อยพลังงานไฟฟ้า

2. การปรากฏตัวของโมเมนต์เบรกแม่เหล็กไฟฟ้า M ตรงกับการหมุนของกระดอง นี่แสดงถึงความต้องการเครื่องจักรในการรับพลังงานกลจากภายนอก

หลักการของมอเตอร์ไฟฟ้า

โดยหลักการแล้ว มอเตอร์ไฟฟ้าได้รับการออกแบบในลักษณะเดียวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดคือเทิร์น 1 (รูปที่ 1, b) ซึ่งอยู่บนกระดอง 3 ซึ่งหมุนในสนามแม่เหล็กของเสา 2 ตัวนำของเทิร์นก่อให้เกิดขดลวดกระดอง

หากคุณเชื่อมต่อขดลวดกับแหล่งพลังงานไฟฟ้าเช่นกับเครือข่ายไฟฟ้า 6 กระแสไฟฟ้า I จะเริ่มไหลผ่านแต่ละสาย กระแสนี้, โต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของเสา, สร้างแม่เหล็กไฟฟ้า กองกำลัง F .

โดยระบุไว้ในรูป 1b ทิศทางของกระแสบนตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วใต้จะได้รับผลกระทบจากแรง F ที่พุ่งไปทางขวา และแรง F ที่พุ่งไปทางซ้ายจะกระทำต่อตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วเหนือ อันเป็นผลมาจากการกระทำร่วมกันของกองกำลังเหล่านี้ แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้า M ที่กำกับทวนเข็มนาฬิกาจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งขับเคลื่อนกระดองด้วยลวดให้หมุนด้วยความถี่ที่แน่นอน n... หากคุณเชื่อมต่อเพลากระดองกับกลไกหรืออุปกรณ์ใดๆ 7 ( แกนกลางของรถจักรดีเซลหรือรถจักรไฟฟ้า เครื่องมือตัดโลหะ ฯลฯ) จากนั้นมอเตอร์ไฟฟ้าจะกำหนดให้อุปกรณ์นี้หมุน กล่าวคือ ให้พลังงานกลแก่มันในกรณีนี้ โมเมนต์ภายนอก MVN ที่สร้างโดยอุปกรณ์นี้จะถูกนำไปเทียบกับโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M

มาทำความเข้าใจว่าเหตุใดพลังงานไฟฟ้าจึงถูกใช้เมื่อส่วนกระดองของมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานภายใต้โหลดหมุน พบว่าเมื่อสายกระดองหมุนในสนามแม่เหล็ก e จะถูกเหนี่ยวนำในแต่ละสาย เป็นต้น ด้วย ทิศทางที่กำหนดตามกฎมือขวา ดังนั้นด้วยที่ระบุไว้ในรูปที่ 1, b ทิศทางการหมุนของ e. เป็นต้น c. e ที่เหนี่ยวนำในตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วโลกใต้จะถูกนำออกห่างจากเรา และ e. เป็นต้น s. e เหนี่ยวนำในตัวนำที่อยู่ใต้ขั้วโลกเหนือจะพุ่งเข้าหาเรา รูปที่. ๑, ข เห็นว่า จ. ฯลฯ c. นั่นคือ การเหนี่ยวนำในตัวนำแต่ละตัวจะพุ่งตรงไปยังกระแส i นั่นคือ พวกมันป้องกันไม่ให้ผ่านตัวนำ

เพื่อให้กระแสยังคงไหลผ่านสายกระดองในทิศทางเดียวกัน นั่นคือ เพื่อให้มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานต่อไปได้ตามปกติและพัฒนาแรงบิดที่จำเป็น จำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก U กับสายไฟเหล่านี้ที่ส่งตรงไปยัง อี เป็นต้น ค. และมากกว่าทั่วไปจ. เป็นต้น c. E ถูกเหนี่ยวนำในสายไฟที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมทั้งหมดของขดลวดกระดอง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าจากเครือข่าย

ในกรณีที่ไม่มีโหลด (แรงบิดเบรกภายนอกที่ใช้กับเพลามอเตอร์) มอเตอร์ไฟฟ้าจะใช้พลังงานไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยจากแหล่งภายนอก (เมน) และกระแสไฟจำนวนเล็กน้อยจะไหลผ่านขณะเดินเบา พลังงานนี้ใช้เพื่อครอบคลุมการสูญเสียพลังงานภายในเครื่อง

เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น กระแสที่ใช้โดยมอเตอร์ไฟฟ้าและแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะพัฒนาตามไปด้วย ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของพลังงานเชิงกลที่ปล่อยออกมาจากมอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อโหลดเพิ่มขึ้นจะทำให้ไฟฟ้าที่ดึงมาจากแหล่งกำเนิดเพิ่มขึ้นโดยอัตโนมัติ

จากสภาพการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าที่กล่าวถึงข้างต้น เป็นไปตามลักษณะของมัน:

1. ความบังเอิญในทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M และความเร็ว n นี่เป็นลักษณะการกลับมาของพลังงานกลจากเครื่องจักร

2. ลักษณะที่ปรากฏอยู่ในสายไฟของกระดองที่คดเคี้ยว e. ฯลฯ พุ่งตรงไปที่กระแส i และแรงดันไฟฟ้าภายนอก U นี่แสดงถึงความจำเป็นที่เครื่องจะต้องรับพลังงานไฟฟ้าจากภายนอก

หลักการย้อนกลับของเครื่องจักรไฟฟ้า

เมื่อพิจารณาถึงหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า เราพบว่ามีการจัดเรียงในลักษณะเดียวกันและมีพื้นฐานการทำงานของเครื่องจักรเหล่านี้ที่เหมือนกันมาก

กระบวนการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลในมอเตอร์เกี่ยวข้องกับการเหนี่ยวนำของ EMF เป็นต้น หน้า ในสายไฟของกระดองที่คดเคี้ยวหมุนในสนามแม่เหล็กและการเกิดขึ้นของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กและสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า

ความแตกต่างระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้าอยู่ในทิศทางร่วมกันของ e เท่านั้น d. ด้วย กระแส แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้า และความเร็ว

สรุปกระบวนการการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้าที่พิจารณาแล้ว เป็นไปได้ที่จะสร้างหลักการของการย้อนกลับของเครื่องจักรไฟฟ้า... ตามหลักการนี้ เครื่องจักรไฟฟ้าใดๆ ก็สามารถทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า และเปลี่ยนจากโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นโหมดมอเตอร์ได้ และในทางกลับกัน.

ข้าว. 2. ทิศทางของ e. ฯลฯ ด้วย E, กระแส I, ความถี่ในการหมุนกระดอง n และโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M ระหว่างการทำงานของเครื่องไฟฟ้ากระแสตรงในโหมดมอเตอร์ (a) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (b)

เพื่อชี้แจงสถานการณ์นี้ให้พิจารณางาน เครื่องไฟฟ้ากระแสตรง ภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน หากแรงดันไฟฟ้าภายนอก U มากกว่าค่ารวม e เป็นต้น v. D. ในสายไฟที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมทั้งหมดของขดลวดกระดอง จากนั้นกระแส ฉันจะไหลตามที่ระบุไว้ในรูปที่ 2 และทิศทางและเครื่องจักรจะทำงานเป็นมอเตอร์ไฟฟ้า ใช้พลังงานไฟฟ้าจากเครือข่ายและให้พลังงานกลออกมา

อย่างไรก็ตาม ถ้าด้วยเหตุผลบางอย่างจ. เป็นต้น c. E จะมากกว่าแรงดันภายนอก U จากนั้นกระแส I ในขดลวดกระดองจะเปลี่ยนทิศทาง (รูปที่ 2, b) และตรงกับ e เป็นต้น v. D. ในกรณีนี้ ทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้า M ก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน ซึ่งจะสวนทางกับความถี่ของการหมุน n... ความบังเอิญในทิศทาง d. เป็นต้น ด้วย E และกระแส I หมายความว่าเครื่องได้เริ่มให้พลังงานไฟฟ้าแก่เครือข่ายแล้ว และลักษณะของโมเมนต์แม่เหล็กไฟฟ้าในการเบรก M บ่งชี้ว่าต้องใช้พลังงานกลจากภายนอก

ดังนั้น เมื่อ จ. เป็นต้น กับE ที่เหนี่ยวนำในสายไฟของขดลวดกระดองจะมากกว่าแรงดันไฟหลัก U เครื่องจะเปลี่ยนจากโหมดการทำงานของมอเตอร์เป็นโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นั่นคือเมื่อ E < U เครื่องทำงานเป็นมอเตอร์ โดยที่ E> U — เป็น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

การถ่ายโอนเครื่องไฟฟ้าจากโหมดมอเตอร์ไปยังโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถทำได้หลายวิธี: โดยการลดแรงดันไฟฟ้า U ของแหล่งที่มาที่เชื่อมต่อกับขดลวดกระดองหรือโดยการเพิ่ม e เป็นต้น ด้วย E ในขดลวดกระดอง