Processus de conversion d'énergie dans les machines électriques

Les machines électriques sont divisées par objectif en deux types principaux: générateurs électriques et moteurs électriques... Les générateurs sont conçus pour générer de l'énergie électrique et les moteurs électriques sont conçus pour entraîner des paires de roues de locomotives, faire tourner des arbres de ventilateurs, des compresseurs, etc.

Un processus de conversion d'énergie a lieu dans les machines électriques. Les générateurs convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique. Cela signifie que pour que le générateur fonctionne, vous devez faire tourner son arbre avec une sorte de moteur. Sur une locomotive diesel par exemple, un générateur est entraîné en rotation par un moteur diesel, sur une centrale thermique par une turbine à vapeur, d'une centrale hydroélectrique — une turbine à eau.

Les moteurs électriques, quant à eux, convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique. Par conséquent, pour que le moteur fonctionne, il doit être relié par des fils à une source d'énergie électrique ou, comme on dit, branché sur le réseau électrique.

Le principe de fonctionnement de toute machine électrique repose sur l'utilisation des phénomènes d'induction électromagnétique et l'apparition de forces électromagnétiques lors de l'interaction de fils avec un courant et un champ magnétique. Ces phénomènes est effectuée pendant le fonctionnement du générateur et du moteur électrique. Par conséquent, ils parlent souvent des modes de fonctionnement du générateur et du moteur des machines électriques.

Dans les machines électriques tournantes, deux parties principales interviennent dans le processus de conversion de l'énergie : l'induit et l'inducteur avec ses propres enroulements qui se déplacent l'un par rapport à l'autre. L'inducteur crée un champ magnétique dans la voiture. Dans l'enroulement d'induit induite par e. avec… et un courant électrique se produit. Lorsque le courant interagit dans l'enroulement d'induit avec un champ magnétique, des forces électromagnétiques sont créées, à travers lesquelles le processus de conversion d'énergie dans la machine est réalisé.

Pour la réalisation d'un processus de conversion d'énergie dans une machine électrique

Les dispositions suivantes dérivent des théorèmes fondamentaux de l'énergie électrique de Poincaré et Barhausen :

1) la transformation réciproque directe de l'énergie mécanique et électrique n'est possible que si l'énergie électrique est l'énergie du courant électrique alternatif ;

2) pour la mise en oeuvre du procédé d'une telle conversion d'énergie, il est nécessaire que le système de circuits électriques destiné à cet effet ait soit une inductance électrique évolutive, soit une capacité électrique évolutive,

3) afin de convertir l'énergie d'un courant électrique alternatif en l'énergie d'un courant électrique continu, il est nécessaire que le système de circuits électriques conçu à cet effet ait une résistance électrique variable.

De la première position, il s'ensuit que l'énergie mécanique ne peut être convertie dans une machine électrique qu'en énergie de courant électrique alternatif ou vice versa.

La contradiction apparente de cette affirmation avec le fait de l'existence de machines électriques à courant continu est résolue par le fait que dans une «machine à courant continu», nous avons une conversion d'énergie en deux étapes.

Ainsi, dans le cas d'un générateur de machine électrique à courant continu, nous avons une machine dans laquelle l'énergie mécanique est convertie en énergie de courant alternatif et cette dernière, du fait de la présence d'un dispositif spécial représentant la "résistance électrique variable", est convertie en énergie du courant continu.

Dans le cas d'une machine électrique, le processus va évidemment dans le sens inverse : l'énergie de courant électrique continu fourni à une machine électrique est convertie au moyen de ladite résistance variable en énergie de courant électrique alternatif, et cette dernière en énergie mécanique.

Le rôle de ladite résistance électrique changeante est joué par le "contact électrique glissant", qui dans une "machine à collecteur CC" classique se compose d'un "balai de machine électrique" et d'un "collecteur de machine électrique", et en bagues collectrices ".

Étant donné que pour créer un processus de conversion d'énergie dans une machine électrique, il est nécessaire d'avoir une "inductance électrique variable" ou une "capacité électrique variable", une machine électrique peut être fabriquée soit sur le principe de l'induction électromagnétique, soit sur le principe de l'induction électrique. Dans le premier cas, nous obtenons une "machine inductive", dans le second - une "machine capacitive".

Les machines capacitives n'ont toujours aucune importance pratique.Utilisées dans l'industrie, dans les transports et dans la vie de tous les jours, les machines électriques sont des machines inductives, derrière lesquelles s'est en pratique implanté le nom court de "machine électrique", qui est essentiellement un concept plus large.

Le principe de fonctionnement d'un générateur électrique.

Le générateur électrique le plus simple est une boucle tournant dans un champ magnétique (Fig. 1, a). Dans ce générateur, la spire 1 est l'enroulement d'induit. L'inducteur est constitué d'aimants permanents 2, entre lesquels l'armature 3 tourne.

Riz. 1. Schémas de principe du générateur le plus simple (a) et du moteur électrique (b)

Lorsque la bobine tourne avec une certaine fréquence de rotation n, ses côtés (conducteurs) traversent les lignes de champ magnétique du flux Ф et e est induit dans chaque conducteur. etc. s. d. Avec l'adopté dans la fig. 1 et le sens de rotation de l'armature e. etc. c) dans le conducteur situé sous le pôle sud, selon la règle de la main droite, est dirigé loin de nous, et e. etc. v. dans un fil situé sous le pôle Nord - vers nous.

Si vous connectez un récepteur d'énergie électrique 4 à l'enroulement d'induit, un courant électrique I circulera dans un circuit fermé.Dans les fils de l'enroulement d'induit, le courant I sera dirigé de la même manière que e. etc. Dakota du Sud.

Comprenons pourquoi, pour faire tourner l'induit dans un champ magnétique, il est nécessaire de dépenser de l'énergie mécanique provenant d'un moteur diesel ou d'une turbine (moteur principal). Lorsque le courant i circule dans des fils situés dans un champ magnétique, une force électromagnétique F agit sur chaque fil.

Avec les indications de la fig. 1, et le sens du courant selon la règle de gauche, la force F dirigée vers la gauche agira sur le conducteur situé sous le pôle Sud, et la force F dirigée vers la droite agira sur le conducteur situé sous le pôle Pôle Nord.Ces forces créent ensemble un moment électromagnétique M. dans le sens des aiguilles d'une montre.

A partir d'un examen de la Fig. 1, mais on voit que le moment électromagnétique M, qui se produit lorsque le générateur émet de l'énergie électrique, est dirigé dans le sens opposé à la rotation des fils, c'est donc un moment de freinage qui tend à ralentir la rotation du induit du générateur.

Pour éviter le décrochage de l'ancre, il est nécessaire d'appliquer un couple extérieur Mvn sur l'arbre de l'induit, opposé et égal en grandeur au moment M. Compte tenu des frottements et autres pertes internes à la machine, le couple externe doit être supérieur au moment électromagnétique M créé par le courant de charge du générateur.

Par conséquent, pour continuer le fonctionnement normal du générateur, il est nécessaire de lui fournir de l'énergie mécanique de l'extérieur - pour faire tourner son armature avec chaque moteur 5.

A vide (avec le circuit externe du générateur ouvert), le générateur est en mode veille, dans ce cas, seule la quantité d'énergie mécanique du diesel ou de la turbine est nécessaire pour surmonter les frottements et compenser les autres pertes d'énergie internes au générateur.

Avec une augmentation de la charge sur le générateur, c'est-à-dire la puissance électrique REL fournie par celui-ci, le courant I traversant les fils de l'enroulement d'induit et le couple de freinage M. turbines pour continuer le fonctionnement normal.

Ainsi, plus d'énergie électrique est consommée, par exemple, par les moteurs électriques d'une locomotive diesel à partir d'un générateur de locomotive diesel, plus il faut d'énergie mécanique au moteur diesel pour le faire tourner, et plus il faut fournir de carburant au moteur diesel .

Des conditions de fonctionnement du générateur électrique, considérées ci-dessus, il résulte qu'il en est caractéristique :

1. appariement dans le sens du courant i et e. etc. v. dans les fils de l'enroulement d'induit. Cela indique que la machine libère de l'énergie électrique ;

2. l'apparition d'un moment de freinage électromagnétique M dirigé contre la rotation de l'armature. Cela implique la nécessité pour une machine de recevoir de l'énergie mécanique de l'extérieur.

Le principe du moteur électrique.

En principe, le moteur électrique est conçu de la même manière que le générateur. Le moteur électrique le plus simple est une spire 1 (Fig. 1, b), située sur l'induit 3, qui tourne dans le champ magnétique des pôles 2. Les conducteurs de la spire forment un enroulement d'induit.

Si vous connectez la bobine à une source d'énergie électrique, par exemple à un réseau électrique 6, un courant électrique I commencera à circuler dans chacun de ses fils.Ce courant, en interaction avec le champ magnétique des pôles, crée un champ électromagnétique force F.

Avec les indications de la fig. 1b, la direction du courant sur le conducteur situé sous le pôle sud sera affectée par la force F dirigée vers la droite, et la force F dirigée vers la gauche agira sur le conducteur situé sous le pôle nord. À la suite de l'action combinée de ces forces, un couple électromagnétique M dirigé dans le sens antihoraire est créé, ce qui entraîne l'armature avec le fil à tourner à une certaine fréquence n... Si vous connectez l'arbre de l'armature à un mécanisme ou un appareil 7 ( axe central d'une locomotive diesel ou d'une locomotive électrique, outil de coupe de métal, etc.), alors le moteur électrique va mettre en rotation cet appareil, c'est-à-dire lui donner de l'énergie mécanique.Dans ce cas, le moment externe MVN créé par cet appareil sera dirigé contre le moment électromagnétique M.

Comprenons pourquoi l'énergie électrique est consommée lorsque l'induit d'un moteur électrique fonctionnant sous charge tourne. Il a été constaté que lorsque les fils d'induit tournent dans un champ magnétique, e est induit dans chaque fil. etc. avec, dont la direction est déterminée selon la règle de la main droite. Par conséquent, avec les indications de la fig. 1, b sens de rotation de e. etc. c. e induit dans le conducteur situé sous le pôle sud sera dirigé loin de nous, et e. etc. s.e induite dans le conducteur situé sous le pôle nord sera dirigée vers nous. Figue. 1, b on voit que e., etc. c) C'est-à-dire que les induits dans chaque conducteur sont dirigés contre le courant i, c'est-à-dire qu'ils empêchent son passage à travers les conducteurs.

Pour que le courant continue à circuler dans les fils d'induit dans le même sens, c'est-à-dire pour que le moteur électrique continue à fonctionner normalement et à développer le couple nécessaire, il faut appliquer une tension externe U à ces fils dirigés vers e. etc. c et supérieur au e général. etc. c. E induit dans tous les fils connectés en série de l'enroulement d'induit. Il est donc nécessaire de fournir de l'énergie électrique au moteur électrique à partir du réseau.

En l'absence de charge (couple de freinage externe appliqué sur l'arbre moteur), le moteur électrique consomme une faible quantité d'énergie électrique provenant d'une source externe (réseau) et un faible courant le traverse au ralenti. Cette énergie est utilisée pour couvrir les pertes de puissance internes à la machine.

Lorsque la charge augmente, le courant consommé par le moteur électrique et le couple électromagnétique qu'il développe augmentent également. Ainsi, une augmentation de l'énergie mécanique dégagée par le moteur électrique lorsque la charge augmente entraîne automatiquement une augmentation de l'électricité qu'il puise à la source.

Des conditions de fonctionnement du moteur électrique discutées ci-dessus, il en résulte qu'il est caractéristique de celui-ci:

1. coïncidence dans le sens du moment électromagnétique M et de la vitesse n. Elle caractérise le retour d'énergie mécanique de la machine ;

2. l'apparition dans les fils de l'enroulement d'induit e. etc. dirigée contre le courant i et la tension externe U. Cela implique la nécessité pour la machine de recevoir de l'énergie électrique de l'extérieur.

Le principe de réversibilité des machines électriques

Considérant le principe de fonctionnement d'un générateur et d'un moteur électrique, nous avons constaté qu'ils sont disposés de la même manière et qu'il y a beaucoup de points communs dans la base du fonctionnement de ces machines.

Le processus de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique dans le générateur et de l'énergie électrique en énergie mécanique dans le moteur est lié à l'induction d'EMF. etc. pp. dans les fils de l'enroulement d'induit tournant dans un champ magnétique et l'émergence de forces électromagnétiques résultant de l'interaction du champ magnétique et des fils conducteurs de courant.

La différence entre un générateur et un moteur électrique n'est que dans la direction mutuelle de e. d. avec, courant, couple électromagnétique et vitesse.

En résumant les processus de fonctionnement du générateur et du moteur électrique considérés, il est possible d'établir un principe de réversibilité des machines électriques... Selon ce principe, toute machine électrique peut fonctionner en générateur et en moteur électrique et passer du mode générateur au mode moteur et vice versa.

Riz. 2. Direction de e., etc. avec E, le courant I, la fréquence de rotation de l'induit n et le moment électromagnétique M lors du fonctionnement d'une machine électrique à courant continu en mode moteur (a) et générateur (b)

Pour clarifier cette situation, envisagez de travailler Machine électrique à courant continu dans des conditions différentes. Si la tension externe U est supérieure au total e. etc. v. D. dans tous les fils connectés en série de l'enroulement d'induit, le courant I circulera dans celui indiqué à la fig. 2, et la direction et la machine fonctionneront comme un moteur électrique, consommant de l'énergie électrique du réseau et dégageant de l'énergie mécanique.

Cependant, si pour une raison quelconque e. etc. c. E devient supérieur à la tension externe U, alors le courant I dans l'enroulement d'induit changera de sens (Fig.2, b) et coïncidera avec e. etc. v. D. Dans ce cas, la direction du moment électromagnétique M changera également, qui sera dirigée contre la fréquence de rotation n... Coïncidence dans la direction d., etc. avec E et le courant I signifie que la machine a commencé à donner de l'énergie électrique au réseau, et l'apparition d'un moment électromagnétique de freinage M indique qu'elle doit consommer de l'énergie mécanique de l'extérieur.

Par conséquent, lorsque e. etc. avecE induite dans les fils de l'enroulement d'induit devient supérieure à la tension secteur U, la machine passe du mode de fonctionnement moteur au mode générateur, c'est-à-dire que lorsque E < U la machine fonctionne en moteur, avec E > U — comme un générateur.

Le passage d'une machine électrique du mode moteur au mode générateur peut se faire de différentes manières : en diminuant la tension U de la source à laquelle est relié le bobinage d'induit, ou en augmentant e. etc. avec E dans l'enroulement d'induit.