전기 기계의 에너지 변환 프로세스

전기 기계는 목적에 따라 발전기와 전동기의 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다. 발전기는 전력을 생성하도록 설계되었으며 전기 모터는 기관차 바퀴 쌍, 팬 회전축, 압축기 등을 구동하도록 설계되었습니다.

에너지 변환 프로세스는 전기 기계에서 발생합니다. 발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이것은 발전기가 작동하려면 일종의 엔진으로 샤프트를 돌려야 함을 의미합니다. 예를 들어, 디젤 기관차에서 발전기는 디젤 엔진에 의해 회전 구동되고, 화력 발전소에서는 증기 터빈에 의해 구동되며, 수력 발전소 - 물 터빈.

반면 전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 따라서 엔진이 작동하려면 전기 에너지 원에 전선으로 연결하거나 전기 네트워크에 연결해야합니다.

모든 전기 기계의 작동 원리는 와이어와 전류 및 자기장의 상호 작용 중에 전자기 유도 현상과 전자기력의 출현을 기반으로합니다. 이러한 현상 발전기와 전기 모터가 모두 작동하는 동안 수행됩니다. 따라서 전기 기계의 발전기 및 모터 작동 모드에 대해 자주 이야기합니다.

회전하는 전기 기계에서 에너지 변환 프로세스에는 두 가지 주요 부품이 포함됩니다. 전기자와 인덕터는 서로 상대적으로 움직이는 자체 권선이 있습니다. 인덕터는 자동차에 자기장을 생성합니다. 전기자 권선에서 e에 의해 유도됨. ~와 함께... 전류가 발생합니다. 전기자 권선에서 전류가 자기장과 상호 작용하면 전자기력이 생성되어 기계의 에너지 변환 프로세스가 실현됩니다.

전기 기계의 에너지 변환 프로세스 수행용

다음 조항은 Poincaré와 Barhausen의 전기 에너지 기본 정리에서 파생됩니다.

1) 기계적 에너지와 전기적 에너지의 직접적인 역변환은 전기 에너지가 교류 에너지인 경우에만 가능합니다.

2) 이러한 에너지 변환 프로세스를 구현하기 위해 이러한 목적을 위한 전기 회로 시스템이 변화하는 전기 인덕턴스 또는 변화하는 전기 용량을 갖는 것이 필요합니다.

3) 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하기 위해서는 이를 위해 설계된 전기 회로 시스템이 변화하는 전기 저항을 가질 필요가 있다.

첫 번째 위치에서 기계 에너지는 전기 기계에서만 교류 에너지로 또는 그 반대로 변환될 수 있습니다.

직류 전기 기계가 존재한다는 사실과 이 진술의 명백한 모순은 «직류 기계»에서 에너지의 2단계 변환이 있다는 사실로 해결됩니다.

따라서 직류 전기 기계 발전기의 경우 기계 에너지가 교류 에너지로 변환되고 후자는 "가변 전기 저항"을 나타내는 특수 장치의 존재로 인해 에너지로 변환되는 기계가 있습니다. 직류에서.

전기 기계의 경우 프로세스는 분명히 반대 방향으로 진행됩니다. 전기 기계에 공급되는 직류 에너지는 상기 가변 저항을 통해 교류 에너지로 변환되고 후자는 기계적 에너지로 변환됩니다.

상기 변화하는 전기 저항의 역할은 종래의 "DC 컬렉터 기계"에서 "전기 기계 브러시" 및 "전기 기계 컬렉터"로 구성되는 "슬라이딩 전기 접점" 및 슬립 링 "에 의해 수행된다.

전기 기계에서 에너지 변환 프로세스를 생성하려면 "가변 전기 인덕턴스" 또는 "가변 전기 커패시턴스"가 필요하기 때문에 전기 기계는 전자기 유도의 원리 또는 전기 유도의 원리. 첫 번째 경우에는 "유도 기계"를, 두 번째 경우에는 "용량 성 기계"를 얻습니다.

커패시턴스 기계는 여전히 실용적으로 중요하지 않습니다.산업, 운송 및 일상 생활에서 사용되는 전기 기계는 유도 기계이며, 실제로 "전기 기계"라는 짧은 이름이 뿌리를 내리고 있으며 이는 본질적으로 더 넓은 개념입니다.

발전기 작동 원리.

가장 간단한 발전기는 자기장에서 회전하는 루프입니다(그림 1, a). 이 발전기에서 턴 1은 전기자 권선입니다. 인덕터는 전기자(3)가 회전하는 영구 자석(2)이다.

쌀. 1. 가장 단순한 발전기(a)와 전동기(b)의 개략도

코일이 특정 회전 주파수 n으로 회전하면 그 측면(도체)이 플럭스 Ф의 자기장 선과 교차하고 각 도체에 e가 유도됩니다. 등. s. d. 그림에서 채택한. 1 및 전기자의 회전 방향 e. 등. c.오른손 법칙에 따라 남극 아래에 위치한 도체는 우리에게서 멀어지고 e. 등. v. 북극 아래에 위치한 전선에서-우리를 향합니다.

전기자 권선에 전기 에너지 4의 수신기를 연결하면 전류 I가 흐를 것입니다 폐쇄 회로... 전기자 권선의 전선에서 전류 I는 e와 같은 방식으로 향합니다. 등. s.d.

자기장에서 전기자를 회전시키기 위해 디젤 엔진이나 터빈(프라임 엔진)에서 얻은 기계적 에너지를 소비해야 하는 이유를 이해합시다. 전류 i가 자기장에 위치한 전선을 통해 흐르면 각 전선에 전자기력 F가 작용합니다.

그림에 표시된대로. 1, 전류의 방향은 왼손법칙에 따라 남극 아래에 위치한 도체에는 왼쪽으로 향하는 힘 F가 작용하고 남극 아래에 위치한 도체에는 오른쪽으로 향하는 힘 F가 작용하게 된다. 북극.이러한 힘은 함께 시계 방향으로 전자기 모멘트 M을 생성합니다.

Fig. 도 1에서는 발전기가 전기 에너지를 방출할 때 발생하는 전자기 모멘트 M이 전선의 회전 방향과 반대 방향을 향하므로 발전기의 회전을 늦추는 경향이 있는 제동 모멘트임을 알 수 있다. 발전기 전기자.

앵커가 실속하는 것을 방지하려면 모멘트 M과 크기가 같고 크기가 같은 외부 토크 Mvn을 전기자 샤프트에 적용해야 합니다. 기계의 마찰 및 기타 내부 손실을 고려하면 외부 토크는 발전기 부하 전류에 의해 생성된 전자기 모멘트 M보다 커야 합니다.

따라서 발전기의 정상적인 작동을 계속하려면 각 엔진 5로 전기자를 돌리기 위해 외부에서 기계적 에너지를 공급해야합니다.

무부하(외부 발전기 회로가 열린 상태)에서 발전기는 유휴 모드에 있습니다. 이 경우 마찰을 극복하고 발전기의 다른 내부 에너지 손실을 보상하기 위해 디젤 또는 터빈의 기계적 에너지만 필요합니다.

발전기의 부하가 증가함에 따라, 즉 발전기에 의해 주어진 전력 REL, 전기자 권선의 전선을 통과하는 전류 I 및 제동 토크 M. 터빈이 정상 작동을 계속합니다.

따라서 예를 들어 디젤 기관차 발전기에서 디젤 기관차의 전기 모터에 의해 더 많은 전기 에너지가 소비될수록 디젤 엔진을 돌리는 데 더 많은 기계적 에너지가 필요하고 더 많은 연료가 디젤 엔진에 공급되어야 합니다. .

위에서 고려한 발전기의 작동 조건에서 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 전류 i와 e의 방향 일치. 등. v. 전기자 권선의 전선에서. 이것은 기계가 전기 에너지를 방출하고 있음을 나타냅니다.

2. 전기자의 회전에 대한 전자기 제동 모멘트 M의 출현. 이것은 기계가 외부로부터 기계적 에너지를 받을 필요가 있음을 의미합니다.

전기 모터의 원리.

원칙적으로 전기 모터는 발전기와 동일한 방식으로 설계됩니다. 가장 간단한 전기 모터는 극 2의 자기장에서 회전하는 전기자 3에 위치한 턴 1(그림 1, b)입니다. 턴의 도체는 전기자 권선을 형성합니다.

예를 들어 전기 네트워크 6과 같은 전기 에너지 원에 코일을 연결하면 전류 나는 각 와이어를 통해 흐르기 시작합니다.극의 자기장과 상호 작용하는이 전류는 전자기를 생성합니다. 힘 F .

그림에 표시된대로. 도 1b에서 남극 아래에 위치한 도체에 흐르는 전류의 방향은 오른쪽으로 향하는 힘 F의 영향을 받게 되고, 왼쪽으로 향하는 힘 F는 북극 아래에 위치한 도체에 작용하게 된다. 이러한 힘의 결합 된 작용의 결과로 전자기 토크 남 시계 반대 방향으로 향하여 와이어로 전기자를 구동하여 특정 주파수로 회전 n... 전기자 샤프트를 메커니즘이나 장치에 연결하면 7 ( 디젤 기관차 또는 전기 기관차, 금속 절삭 공구 등의 중심 축), 전기 모터는 이 장치를 회전하도록 설정합니다. 즉, 기계적 에너지를 제공합니다.이 경우 이 장치에 의해 생성된 외부 모멘트 MVN은 전자기 모멘트 M에 반대됩니다.

부하를 받고 작동하는 전기 모터의 전기자가 회전할 때 전기 에너지가 소비되는 이유를 이해해 봅시다. 전기자 와이어가 자기장에서 회전할 때 각 와이어에 e가 유도된다는 것이 밝혀졌습니다. 등. 방향은 오른손 규칙에 따라 결정됩니다. 따라서 그림에 표시된대로. 1, b e의 회전 방향. 등. c. 남극 아래에 위치한 도체에서 유도된 e는 우리로부터 멀어지게 될 것이며, e. 등. s. 북극 아래에 위치한 도체에서 유도된 전자는 우리를 향할 것입니다. 무화과. 1, b e. 등을 볼 수 있습니다. c.즉, 각 도체에서 유도된 전류는 전류 i에 반대 방향으로 향합니다. 즉, 도체를 통과하는 것을 방지합니다.

전류가 전기자 와이어를 통해 같은 방향으로 계속 흐르도록 하려면, 즉 전기 모터가 계속 정상적으로 작동하고 필요한 토크를 발생시키려면 이러한 와이어에 외부 전압 U를 적용해야 합니다. 이자형. 등. c. 일반 e보다 큽니다. 등. c. 전기자 권선의 모든 직렬 연결된 와이어에서 E 유도. 따라서 네트워크에서 전기 모터에 전기 에너지를 공급해야 합니다.

부하가 없을 때(모터 샤프트에 적용된 외부 제동 토크) 전기 모터는 외부 소스(주전원)에서 소량의 전기 에너지를 소비하고 유휴 상태에서 소량의 전류가 모터를 통해 흐릅니다. 이 에너지는 기계의 내부 전력 손실을 충당하는 데 사용됩니다.

부하가 증가함에 따라 전기 모터가 소비하는 전류와 발생하는 전자기 토크도 증가합니다. 따라서 부하가 증가함에 따라 전기 모터에 의해 방출되는 기계적 에너지의 증가는 자동으로 전원에서 끌어오는 전기의 증가로 이어집니다.

위에서 논의한 전기 모터의 작동 조건에서 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 전자기 모멘트 M 방향과 속도 n의 일치 이것은 기계에서 기계적 에너지가 반환되는 것을 특징으로 합니다.

2. 전기자 권선의 와이어 모양 e. 등 전류 i 및 외부 전압 U에 대해 지시됩니다. 이것은 기계가 외부로부터 전기 에너지를 받을 필요가 있음을 의미합니다.

전기 기계의 가역성 원리

발전기와 전기 모터의 작동 원리를 고려하면, 그것들이 같은 방식으로 배열되어 있고 이들 기계의 작동에 기초하여 많은 공통점이 있음을 발견했습니다.

발전기에서 기계 에너지를 전기 에너지로, 모터에서 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 과정은 EMF의 유도와 관련이 있습니다. 등. pp. 자기장에서 회전하는 전기자 권선의 전선과 자기장과 통전 전선의 상호 작용으로 인한 전자기력의 출현.

발전기와 전기 모터의 차이점은 e의 상호 방향에만 있습니다. d. 전류, 전자기 토크 및 속도.

고려 된 발전기 및 전동기 작동 프로세스를 요약하면 전기 기계의 가역성 원칙을 수립 할 수 있습니다.... 이 원칙에 따르면 모든 전기 기계는 발전기 및 전기 모터로 작동하고 발전기 모드에서 모터 모드로 전환 할 수 있습니다 그 반대.

쌀. 2. e. 등의 방향 모터(a) 및 발전기(b) 모드에서 직류 전기 기계 작동 중 E, 전류 I, 전기자 회전 주파수 n 및 전자기 모멘트 M

이 상황을 명확히 하려면 작업을 고려하십시오. 직류 전기 기계 다른 조건에서. 외부 전압 U가 총 e보다 큰 경우. 등. v. D. 전기자 권선의 모든 직렬 연결 전선에서 그림에 표시된 전류 I가 흐릅니다. 2, 방향과 기계는 전기 모터로 작동하여 네트워크에서 전기 에너지를 소비하고 기계 에너지를 방출합니다.

다만, 어떤 사유가 있는 경우 마. 등. c.E는 외부 전압 U보다 커지면 전기자 권선의 전류 I가 방향을 바꾸고 (그림 2, b) e와 일치합니다. 등. v. D. 이 경우 전자기 모멘트의 방향도 변경됩니다. 미디엄 회전 주파수에 대한 방향 n... 방향 d. 등의 우연의 일치. E와 전류 I는 기계가 네트워크에 전기 에너지를 공급하기 시작했음을 의미하며 제동 전자기 모멘트 M의 출현은 외부에서 기계 에너지를 소비해야 함을 나타냅니다.

따라서 전자 등 ~와 함께이자형 전기자 권선의 전선에 유도 된 주전원 전압 U보다 커지면 기계는 모터 작동 모드에서 발전기 모드로 전환됩니다. 즉, E < U 기계는 E> U와 함께 모터로 작동합니다. 발전기.

모터 모드에서 발전기 모드로 전기 기계를 전환하는 것은 전기자 권선이 연결된 소스의 전압 U를 낮추거나 e를 증가시키는 등 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다. 등. 전기자 권선에 E가 있습니다.