Преобразование кинетической энергии в электрическую. Необычные электрические генераторы
Довольно широкое распространение получают ветряные электростанции. Они довольно удобны в использовании на равнинных территориях с частыми и сильными ветрами. Его устройство не очень сложно и многие владельцы частных домов задумываются об установке ветряков или солнечных батарей.
Итак, ветрогенератор или ветряная электростанция или ветроэлектрическая установка – это устройство для преобразования ветровой кинетической энергии в электрическую. Примитивное устройство такого ветрогенератора показано на рисунке ниже:
Ветрогенераторы можно разделить на промышленные и домашние. Промышленные ветроустановки, как правило, устанавливаются энергетическими корпорациями или государствами и объединяются в сети, в результате получаются электростанции использующие энергию ветра для выработки электрической энергии. Большое преимущество таких электростанций в том, что для выработки электричества им не нужно сырья (уголь, нефть, газ), а также они не генерируют отходов в процессе работы. Но есть и требования для них – высокий среднегодовой уровень ветра, иначе их применение будет экономически не целесообразным. Мощности современных ветрогенераторов могут достигать 6 МВт.
Сейчас за умеренные деньги можно купить ветрогенератор для загородного дома и тем самым обеспечить электроэнергией свой загородный дом. Обычно для обеспечения небольшого дома вполне хватает ветроустановки мощность 1 кВт, но при скорости ветра 8 м/с.
Если средне годовая скорость ветра не достаточна для полного обеспечения дома, ветроустановку можно дополнить солнечными элементами или дизель – генераторной установкой. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут дополнятся меньшими ветрогенераторами. Как, пример – турбина Дарье вполне успешно может дополнятся ротором Савониуса и при этом они не мешают друг другу, а прекрасно дополняют друг друга.
Ветроэлектростанции в домашнем хозяйстве
Как правило, в домашних хозяйствах ветряки рассматриваются с точки зрения существенной экономии при отоплении, обслуживания теплиц (освещение), а также для снижения потребления электроэнергии из сети, а иногда даже ее генерация в обратно сеть. Большое непостоянство ветра не дает возможности спрогнозировать приблизительное количество электроэнергии, которую может произвести данная установка. Поэтому к постройке ветрогенератора добавляется еще вопрос стабилизации вырабатываемой им энергии.
Главным тормозом массового внедрения ветрогенераторов является довольно высокая стоимость киловатта мощности. Также расходы на их эксплуатацию тоже не маленькие.
Одной из важнейших характеристик ветряка есть так называемый коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). У самых лучших ветряков этот коэффициент достигает 60 – 80%, а в среднем он составляет 40 – 45%. У любительских ветряков он, как правило, не превышает 35%.
Ниже приведена таблица, в которой приводится примерные значения зависимости мощности установки от диаметра лопастей и скорости ветра:
Расчет ветрогенератора
Для правильного выбора агрегата нужно точно определить направление преимущественное ветра, его среднюю скорость в месте, где предположительно будет установлен ветряк. Нужно помнить, что скорость начальная вращения лопастей примерно 2 м/с, а максимальный эффект будет достигнут при скорости 9 – 12 м/с. Мощность ветроустановки зависит только от диаметра винта и скорости ветра.
Внизу приведены простейшие формулы для расчета мощности ветроустановки:
Где: Р – мощность, выраженная кВт;
D – диаметр винта, выраженный в метрах;
V – скорость ветра, м/с;
Где: Р – мощность, выраженная Вт;
S – площадь, на которую перпендикулярно дует ветер, выраженная в м 2 ;
V – скорость ветра, м/с;
Как видно из формул выше, на мощность ветроустановки мы можем повлиять диаметром винта, так как не можем повлиять на скорость ветра. Посчитав примерную мощность, полученную от установки ветряка, можно прикинуть, а стоит ли устанавливать ветряк? Если установка ветряка не целесообразна можно выбрать другой альтернативный источник энергии (солнечные батареи) или установить несколько ветряков.
Изобретение относится к преобразователям энергии набегающего потока, например в области ветроэнергетики, нетрадиционной энергетики, гидроэнергетики, а также в контрольно-измерительных приборах. Используются вместе два физических эффекта: автоколебания и электромагнитная индукция. Преобразование энергии набегающего потока осуществляется за счет электромагнитной индукции, возникающей при автоколебаниях размещенных в набегающем потоке металлических струн (упругих проводников), расположенных в магнитном поле. Согласно закону электромагнитной индукции металлическая струна, совершая колебательные движения в магнитном поле, становится генератором электрической энергии (тока). Особенность способа позволяет увеличивать мощность преобразователя, увеличивая количество струн в преобразователе до необходимого числа. 1 ил.
Изобретение относится к преобразователям энергии набегающего потока и может быть использовано в области ветроэнергетики, нетрадиционной энергетики, гидроэнергетики, а также в контрольно-измерительных приборах.
Для преобразования кинетической энергии потока в электрическую известны ветродвигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения имеют ряд недостатков:
Тихоходность;
Используют редукторы, которые значительно снижают коэффициент полезного действия, а также надежность ветродвигателя.
Ограниченность размеров лопастей ветродвигателей с горизонтальной осью определяет ограничение на мощность ветродвигателей, а использование устройства для поворота крыльчатки в направлении, перпендикулярном движению потока ветра, вызывает снижение надежности и коэффициента полезного действия ветродвигателя, а также увеличивает его стоимость.
Известен преобразователь энергии потока (см. RU 2142572 С1, опубл. 10.12.1999 г., МПК 6 F 03 D 5/06), использующий преобразование кинетической энергии потока в потенциальную, а затем в механическую. Для этого используется полое тело. Оно заменяет крыльчатку (лопасти), что уменьшает размеры и увеличивает надежность преобразователя энергии потока.
Недостатком данного преобразователя является использование в нем механических преобразователей движения, снижающих коэффициент полезного действия, надежность, увеличивающих стоимость и размеры преобразователя энергии потока.
Наиболее близким решением (прототипом) является способ преобразования энергии, заключающийся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействии на него набегающего потока (см. JP 11294314, МПК 7 F 03 D 9/00, опубл. 26.10.1999 г.).
Недостатком данного способа является его низкая эффективность.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности использования указанного способа.
Технический результат достигается тем, что в способе преобразования энергии, заключающемся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействия на него набегающего потока, в качестве проводника размещают металлические упругие струны.
Иллюстрация работы предлагаемого преобразователя представлена на чертеже.
Автоколебания натянутой металлической струны 1, помещенной в магнитное поле 2, поддерживаются за счет кинетической энергии набегающего потока 3.
Частота и амплитуда установившихся колебаний определяется параметрами струны и параметрами ее взаимодействия с набегающим потоком. Частота колебаний струны (ν):
где S - площадь сечения;
Q - натяжение;
ρ - плотность материала;
n - целое число.
Согласно закону электромагнитной индукции металлическая струна (1), совершая колебательные движения в магнитном поле (2), становится генератором электрической энергии (тока).
Возникающую при этом электродвижущую силу (∈) можно оценить по формуле:
где v - скорость перемещения;
В - напряженность магнитного поля;
l - длина проводника;
α - угол между силовыми линиями магнитного поля и струной.
Особенность способа позволяет увеличивать мощность преобразователя, увеличивая количество струн в преобразователе до необходимого числа.
Способ преобразования энергии, заключающийся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействия на него набегающего потока, отличающийся тем, что в качестве проводника размещают металлические упругие струны.
Что можно сказать о методах прямого преобразования энергии?
Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего (но не всегда (Так, в магнитогидродинамическом методе получения электрической энергии из тепловой, который обычно относят к методам прямого преобразования энергии и о котором речь пойдет ниже, ступень преобразования тепловой энергии в механическую сохраняется. )) исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.
В более широком смысле слова под методом прямого преобразования энергии понимается получение электрической энергии не только из тепловой, но и из химической (в топливных элементах) и из энергии электромагнитного излучения (в фотоэлектропреобразователях). Именно эти вопросы рассматриваются в этом разделе. В первую очередь мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, так как он, по-видимому, более других разработан для получения больших количеств электроэнергии, а именно это в соответствии с темой настоящей книжки нас интересует прежде всего.
Магнитогидродинамический метод (МГД-метод). Собственно магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и необычную электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую.
Происходит это следующим образом (рис. 23). В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул.
Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 тыс. градусов любой газ ионизируется полностью - н состоит только из свободных электронов и ядер атомов.
Плазма, с которой мы встречались, рассматривая термоядерные процессы, и температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.
И чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность уже при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.
Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (рис. 23) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.
Как видно из сказанного, принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется эдс. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе - поток электропроводящей плазмы.
Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.
В чем же привлекательная сторона МГД-генератора?
Как нам уже хорошо известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела. Но в тепловых двигателях ТЭС - паровых турбинах - начальную температуру водяного пара не поднимают, как уже говорилось, выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом и состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.
Читатель может заметить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?
Действительно, такого материала не существует, высокотемпературные элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело - вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в паровой турбине.
Следует заметить, что в МГД-генераторе в качестве рабочего тела может применяться не только газ (плазма), но и жидкие металлы. В настоящее время большое внимание привлекают плазменные МГД-генераторы. Они могут быть открытого и замкнутого типа. Мы ведем речь о плазменной МГД-установке открытого типа.
На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания (плазма) все еще имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При более низкой температуре плазма делается недостаточно электропроводной и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно.
В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще, как сказано, высокой температурой (более высокой, чем в топке обычного котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего решить эту задачу, сделав установку двухступенчатой (см. рис. 23).
Итак, в камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (например, обогащенный кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора (Канал на рисунке изображен схематично. Не показаны создающая магнитное поле магнитная система, токоотводящая система, охлаждение стенок канала. ), а из канала (при температуре около 2000° С) - в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухонагревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рис. 23 паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенной на рис. 2 и 11 (схемы ТЭС и АЭС).
Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, достигнет 50-60 (Столь широкая вилка значения КПД МГД электростанции объясняется главным образом возможностью использования различных технических решений и достигнутой температурой подогрева окислителя (от 1500 до 2000° С). )против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем более перспективно применение угля.
Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.
Представленная на рис. 23 схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.
В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой, допускающей длительную эксплуатацию, но это привело бы к большой потере тепла и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и в итоге к ухудшению работы генератора. Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.
Нелегкое дело создать магнитную систему, особенно при условии, что индукцию желательно иметь 5 - 6 тесла (50 - 60 тыс. гаусс), а длина канала должна быть около 20 м. Считается, что наиболее перспективной является сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.
Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. К их числу относится: создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменной (в МГД-генераторе получается постоянный ток), устройства для вывода легкоионизирующейся присадки, создание имеющего особенности парогенератора и некоторые другие.
Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в области МГД-преобразования энергии продвинуты настолько, что в настоящее время идет работа по созданию промышленной МГД-установки мощностью около 500 МВт.
Можно предполагать, что в перспективе мощные МГД-установки будут использоваться на АЭС. Тогда место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД-генератора будут уже, конечно, не продукты сгорания, а более легкоионизирующийся газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать по замкнутому контуру (схема МГД-элек-тростанции называется закрытой), то в качестве легкоионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато более существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. С учетом всего сказанного необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже - порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы).
Следовательно, в атомном реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. В настоящее время таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание - вопрос времени.
Из других способов прямого преобразования энергии большой интерес представляет применение фото-электропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще до конца не ясна. Поэтому мы остановимся на них кратко.
Термоэлектрогенераторы (ТЭГ). Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека. Он состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила.
На рис. 24 представлена такая электрическая цепь, состоящая из двух проводников - меди и константана (сплава меди и никеля), используемая для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t n ), а другой при постоянной температуре (t 0 ), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить t n .
Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Создаваемая им электродвижущая сила будет пропорциональна числу термоэлементов.
Таким образом, термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует в электрическую энергию тепловую энергию. Следовательно, КПД термоэлемента регламентируется вторым законом термодинамики.
К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят применение в качестве небольших, как правило, автономных, источников энергии.
Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум (Описываемое явление наблюдается и у жидкостей ). Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, - эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же в него будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждения твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.
Но можно поступить иначе: поместить в вакуум два тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой.
Если теперь эмиттер и коллектор замкнуть внешней электрической цепью, то по ней потечет ток; описанное устройство станет источником тока, термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Из сказанного следует, что ТЭП (так же, как и ТЭГ) преобразует тепловую энергию в электрическую (минуя ступень механической энергии) и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным вторым законом термодинамики.
Если, используя ТЭП, можно было бы получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы «в лице» ТЭП хороший электрический генератор, работающий по принципу прямого преобразования энергии.
В настоящее время еще не достигнуты такие технико-экономические показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому ТЭП пока что используются, как и ТЭГ, в случаях, когда требуются относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей ТЭП ведется высокими темпами.
Топливные элементы . В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?
Можно, например, сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно пойти другим путем, как это и делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом - кислород.
Схема топливного элемента представлена на рис. 25. Он состоит из двух электродов, на один из которых подается водород, а на другой - кислород, и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора и его преимуществом является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.
Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз - твердого электрода, электролита и газовой фазы, - переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов- в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит - положительно заряженными ионами.
Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательные заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.
Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникнет электрический ток (рис. 25). Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водород-кислородный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65 - 70%.
Не следует, однако, думать, что создать топливный элемент просто и легко. Обычно все относительно просто, пока речь идет о схеме, но как только переходишь к ее реализации, появляется масса трудностей. Не случайно поэтому, что идея топливного элемента появилась в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.
В проблеме топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых в зависимости от типа топливного элемента); возможность работы на дешевом топливе.
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции - паровой турбиной, .
Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле. В обмотке якоря . и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.
Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса
Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:
1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;
2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,
3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.
Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.
Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в "машине постоянного тока" мы имеем двустадийное преобразование энергии.
Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой "изменяющееся электрическое сопротивление", преобразуется в энергию постоянного тока.
В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя - в энергию механическую.
Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет "скользящий электрический контакт", который в обычной "коллекторной машине постоянного тока" состоит из "электромашинной щетки" и "электромашинного коллектора", а в «униполярной электрической машине постоянного тока" из "электромашинной щетки" и "электромашинных контактных колец".
Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или "изменяющейся электрической индуктивности", или "изменяющейся электрической емкости", то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем "индуктивную машину", во втором - "емкостную машину".
Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование "электрическая машина", являющееся, по существу, более широким понятием.
Принцип действия электрического генератора.
Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.
Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)
При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, - к нам.
Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.
Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.
При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, - сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.
Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.
Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.
Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию - вращать его якорь каким-либо двигателем 5.
При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.
При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя.
Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.
Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.
При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,- сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;
2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Принцип обратимости электрических машин
Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.
Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин
. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Для выяснения этого положения рассмотрим работу при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.
Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.
Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E > U - генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.