विद्युत मशीनों में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया

इलेक्ट्रिक मशीनों को उद्देश्य से दो मुख्य प्रकारों में विभाजित किया जाता है: इलेक्ट्रिक जनरेटर और इलेक्ट्रिक मोटर्स... जनरेटर को विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और इलेक्ट्रिक मोटर्स को लोकोमोटिव के पहियों के जोड़े को चलाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, पंखे, कंप्रेशर्स के टर्न शाफ्ट आदि।

विद्युत मशीनों में एक ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया होती है। जनरेटर यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इसका मतलब यह है कि जनरेटर के काम करने के लिए, आपको इसके शाफ्ट को किसी प्रकार के इंजन से चालू करने की आवश्यकता है। एक डीजल लोकोमोटिव पर, उदाहरण के लिए, एक जनरेटर एक डीजल इंजन द्वारा रोटेशन में संचालित होता है, एक थर्मल पावर प्लांट पर एक भाप टरबाइन द्वारा, एक पनबिजली संयंत्र - एक जल टर्बाइन.

दूसरी ओर विद्युत मोटर, विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इसलिए, इंजन के काम करने के लिए, इसे तारों से विद्युत ऊर्जा के स्रोत से जोड़ा जाना चाहिए, या जैसा कि वे कहते हैं, विद्युत नेटवर्क में प्लग किया जाना चाहिए।

किसी भी इलेक्ट्रिक मशीन के संचालन का सिद्धांत विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटनाओं के उपयोग और विद्युत चुम्बकीय बलों की उपस्थिति पर आधारित होता है जब तार एक वर्तमान और एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ बातचीत करते हैं। ये घटनाएं जनरेटर और इलेक्ट्रिक मोटर दोनों के संचालन के दौरान किया जाता है। इसलिए, वे अक्सर विद्युत मशीनों के संचालन के जनरेटर और मोटर मोड के बारे में बात करते हैं।

विद्युत मशीनों को घुमाने में, दो मुख्य भाग ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया में शामिल होते हैं: आर्मेचर और प्रारंभ करनेवाला अपनी स्वयं की वाइंडिंग के साथ जो एक दूसरे के सापेक्ष चलते हैं। प्रारंभ करनेवाला कार में एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। आर्मेचर वाइंडिंग में ई द्वारा प्रेरित साथ… और एक विद्युत प्रवाह होता है। जब करंट एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ आर्मेचर वाइंडिंग में इंटरैक्ट करता है, तो विद्युत चुम्बकीय बल उत्पन्न होते हैं, जिसके माध्यम से मशीन में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया का एहसास होता है।

एक विद्युत मशीन में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया के प्रदर्शन के लिए

निम्नलिखित प्रावधान पोंकारे और बरहौसेन की विद्युत ऊर्जा के मूलभूत प्रमेयों से प्राप्त होते हैं:

1) यांत्रिक और विद्युत ऊर्जा का प्रत्यक्ष पारस्परिक परिवर्तन तभी संभव है जब विद्युत ऊर्जा वैकल्पिक विद्युत प्रवाह की ऊर्जा हो;

2) इस तरह के ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रिया को लागू करने के लिए, इस उद्देश्य के लिए विद्युत परिपथों की प्रणाली के लिए यह आवश्यक है कि या तो विद्युत अधिष्ठापन में परिवर्तन हो या विद्युत क्षमता में परिवर्तन हो,

3) एक वैकल्पिक विद्युत प्रवाह की ऊर्जा को प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह की ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए, यह आवश्यक है कि इस उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किए गए विद्युत परिपथों की प्रणाली में एक परिवर्तनशील विद्युत प्रतिरोध हो।

पहली स्थिति से यह इस प्रकार है कि यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत मशीन में केवल वैकल्पिक विद्युत प्रवाह ऊर्जा या इसके विपरीत में परिवर्तित किया जा सकता है।

प्रत्यक्ष वर्तमान विद्युत मशीनों के अस्तित्व के तथ्य के साथ इस कथन का स्पष्ट विरोधाभास इस तथ्य से हल हो जाता है कि "प्रत्यक्ष वर्तमान मशीन" में हमारे पास ऊर्जा का दो-चरण रूपांतरण होता है।

तो, एक प्रत्यक्ष वर्तमान विद्युत मशीन जनरेटर के मामले में, हमारे पास एक मशीन है जिसमें यांत्रिक ऊर्जा को प्रत्यावर्ती धारा ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है और बाद में, "परिवर्तनीय विद्युत प्रतिरोध" का प्रतिनिधित्व करने वाले एक विशेष उपकरण की उपस्थिति के कारण ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। प्रत्यक्ष धारा से।

एक विद्युत मशीन के मामले में, प्रक्रिया स्पष्ट रूप से विपरीत दिशा में जाती है: एक विद्युत मशीन को आपूर्ति की जाने वाली प्रत्यक्ष विद्युत धारा की ऊर्जा उक्त चर प्रतिरोध के माध्यम से वैकल्पिक विद्युत प्रवाह ऊर्जा में और बाद में यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

उक्त बदलते विद्युत प्रतिरोध की भूमिका "स्लाइडिंग विद्युत संपर्क" द्वारा निभाई जाती है, जो एक पारंपरिक "डीसी कलेक्टर मशीन" में "इलेक्ट्रिक मशीन ब्रश" और "इलेक्ट्रिक मशीन कलेक्टर" और स्लिप रिंग्स में होती है।

चूंकि एक इलेक्ट्रिक मशीन में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया बनाने के लिए, इसमें या तो "वैरिएबल इलेक्ट्रिक इंडक्शन" या "वैरिएबल इलेक्ट्रिक कैपेसिटेंस" होना आवश्यक है, एक इलेक्ट्रिक मशीन या तो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन के सिद्धांत पर बनाई जा सकती है, या पर विद्युत प्रेरण का सिद्धांत। पहले मामले में हमें "आगमनात्मक मशीन" मिलती है, दूसरे में - "कैपेसिटिव मशीन"।

कैपेसिटेंस मशीनों का अभी भी कोई व्यावहारिक महत्व नहीं है।उद्योग में, परिवहन में और रोजमर्रा की जिंदगी में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रिक मशीनें आगमनात्मक मशीनें हैं, जिसके पीछे संक्षिप्त नाम "इलेक्ट्रिक मशीन" ने जड़ जमा ली है, जो अनिवार्य रूप से एक व्यापक अवधारणा है।

विद्युत जनरेटर के संचालन का सिद्धांत।

सबसे सरल विद्युत जनरेटर एक चुंबकीय क्षेत्र में घूमने वाला एक लूप है (चित्र 1, ए)। इस जनरेटर में, टर्न 1 आर्मेचर वाइंडिंग है। प्रारंभ करनेवाला स्थायी चुंबक 2 है, जिसके बीच आर्मेचर 3 घूमता है।

चावल। 1. सबसे सरल जनरेटर (ए) और इलेक्ट्रिक मोटर (बी) के योजनाबद्ध आरेख

जब कॉइल एक निश्चित रोटेशन आवृत्ति n के साथ घूमता है, तो इसके पक्ष (कंडक्टर) फ्लक्स एफ की चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को पार करते हैं और प्रत्येक कंडक्टर में ई प्रेरित होता है। वगैरह। एस डी अंजीर में अपनाया के साथ। 1 और आर्मेचर के घूर्णन की दिशा ई. वगैरह। सी. दक्षिणी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर में, दाहिने हाथ के नियम के अनुसार, हमसे दूर निर्देशित है, और ई. वगैरह। v. उत्तरी ध्रुव के नीचे स्थित तार में - हमारी ओर।

यदि आप विद्युत ऊर्जा 4 के एक रिसीवर को आर्मेचर वाइंडिंग से जोड़ते हैं, तो एक विद्युत प्रवाह I एक बंद सर्किट के माध्यम से प्रवाहित होगा। आर्मेचर वाइंडिंग के तारों में, करंट I को उसी तरह निर्देशित किया जाएगा जैसे ई। वगैरह। एस डी।

आइए समझें कि चुंबकीय क्षेत्र में आर्मेचर को घुमाने के लिए डीजल इंजन या टरबाइन (प्राइम इंजन) से प्राप्त यांत्रिक ऊर्जा को खर्च करना क्यों आवश्यक है। जब धारा I किसी चुंबकीय क्षेत्र में स्थित तारों से प्रवाहित होती है, तो प्रत्येक तार पर एक विद्युत चुम्बकीय बल F कार्य करता है।

अंजीर में संकेत के साथ। 1, और बाएं हाथ के नियम के अनुसार धारा की दिशा, बाईं ओर निर्देशित बल F दक्षिणी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर पर कार्य करेगा, और दाईं ओर निर्देशित बल F नीचे स्थित कंडक्टर पर कार्य करेगा उत्तरी ध्रुव।ये बल मिलकर दक्षिणावर्त दिशा में एक विद्युत चुम्बकीय क्षण M बनाते हैं।

एफआईजी की एक परीक्षा से। 1, लेकिन यह देखा जा सकता है कि विद्युत चुम्बकीय क्षण एम, जो तब होता है जब जनरेटर विद्युत ऊर्जा का उत्सर्जन करता है, तारों के रोटेशन के विपरीत दिशा में निर्देशित होता है, इसलिए यह एक ब्रेकिंग पल है जो रोटेशन को धीमा कर देता है जनरेटर आर्मेचर।

एंकर को रुकने से रोकने के लिए, आर्मेचर शाफ्ट पर एक बाहरी टॉर्क Mvn लगाना आवश्यक है, जो एम के परिमाण के विपरीत और बराबर होता है। मशीन में घर्षण और अन्य आंतरिक नुकसानों को ध्यान में रखते हुए, बाहरी टोक़ जेनरेटर लोड वर्तमान द्वारा बनाए गए विद्युत चुम्बकीय पल एम से अधिक होना चाहिए।

इसलिए, जनरेटर के सामान्य संचालन को जारी रखने के लिए, इसे बाहर से यांत्रिक ऊर्जा के साथ आपूर्ति करना आवश्यक है - प्रत्येक इंजन 5 के साथ इसकी आर्मेचर को चालू करने के लिए।

लोड नहीं होने पर (बाहरी जनरेटर सर्किट खुला होने के साथ), जनरेटर निष्क्रिय मोड में है। इस मामले में, डीजल या टरबाइन से केवल यांत्रिक ऊर्जा की मात्रा की आवश्यकता होती है ताकि घर्षण को दूर किया जा सके और जनरेटर में अन्य आंतरिक ऊर्जा हानियों की भरपाई की जा सके।

जनरेटर पर भार में वृद्धि के साथ, अर्थात्, इसके द्वारा दी गई विद्युत शक्ति आरईएल, आर्मेचर वाइंडिंग के तारों से गुजरने वाली धारा I और ब्रेकिंग टॉर्क एम। टर्बाइन सामान्य ऑपरेशन जारी रखने के लिए।

इस प्रकार, अधिक विद्युत ऊर्जा की खपत होती है, उदाहरण के लिए, डीजल लोकोमोटिव जनरेटर से डीजल लोकोमोटिव के इलेक्ट्रिक मोटर्स द्वारा, डीजल इंजन से इसे घुमाने में अधिक यांत्रिक ऊर्जा लगती है, और डीजल इंजन को अधिक ईंधन की आपूर्ति की जानी चाहिए। .

विद्युत जनरेटर की परिचालन स्थितियों से, ऊपर माना जाता है, यह इस प्रकार है कि यह इसकी विशेषता है:

1. वर्तमान i और e की दिशा में मिलान। वगैरह। वी। आर्मेचर वाइंडिंग के तारों में। यह इंगित करता है कि मशीन विद्युत ऊर्जा जारी कर रही है;

2. आर्मेचर के रोटेशन के खिलाफ निर्देशित विद्युत चुम्बकीय ब्रेकिंग पल एम की उपस्थिति। इसका तात्पर्य बाहर से यांत्रिक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए मशीन की आवश्यकता से है।

विद्युत मोटर का सिद्धांत।

सिद्धांत रूप में, इलेक्ट्रिक मोटर को जनरेटर के समान ही डिज़ाइन किया गया है। सबसे सरल इलेक्ट्रिक मोटर आर्मेचर 3 पर स्थित एक टर्न 1 (चित्र 1, बी) है, जो ध्रुवों के चुंबकीय क्षेत्र में घूमता है। टर्न के कंडक्टर एक आर्मेचर वाइंडिंग बनाते हैं।

यदि आप कॉइल को विद्युत ऊर्जा के स्रोत से जोड़ते हैं, उदाहरण के लिए, विद्युत नेटवर्क 6 से, तो विद्युत प्रवाह I इसके प्रत्येक तार के माध्यम से प्रवाहित होना शुरू हो जाएगा। यह धारा, ध्रुवों के चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करके विद्युत चुम्बकीय बनाती है बल एफ।

अंजीर में संकेत के साथ। 1b, दक्षिणी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर पर धारा की दिशा दाईं ओर निर्देशित बल F से प्रभावित होगी, और बाईं ओर निर्देशित बल F उत्तरी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर पर कार्य करेगा। इन बलों की संयुक्त कार्रवाई के परिणामस्वरूप, एक विद्युत चुम्बकीय टोक़ एम निर्देशित वामावर्त बनाया जाता है, जो तार के साथ आर्मेचर को एक निश्चित आवृत्ति के साथ घुमाने के लिए ड्राइव करता है n... यदि आप आर्मेचर शाफ्ट को किसी तंत्र या उपकरण से जोड़ते हैं 7 ( एक डीजल लोकोमोटिव या इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव, धातु काटने के उपकरण, आदि का केंद्र अक्ष), तो इलेक्ट्रिक मोटर इस उपकरण को रोटेशन में सेट करेगी, अर्थात इसे यांत्रिक ऊर्जा देगी।इस मामले में, इस डिवाइस द्वारा बनाए गए बाहरी पल एमवीएन को विद्युत चुम्बकीय पल एम के विरुद्ध निर्देशित किया जाएगा।

आइए समझें कि लोड के तहत चलने वाली इलेक्ट्रिक मोटर की आर्मेचर घूमने पर विद्युत ऊर्जा क्यों खपत होती है। यह पाया गया कि जब आर्मेचर तार एक चुंबकीय क्षेत्र में घूमते हैं, तो प्रत्येक तार में ई प्रेरित होता है। वगैरह। साथ, जिसकी दिशा दाहिने हाथ के नियम के अनुसार निर्धारित की जाती है। इसलिए, अंजीर में संकेत के साथ। 1, ई के रोटेशन की बी दिशा। वगैरह। सी. ई दक्षिणी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर में प्रेरित हमसे दूर निर्देशित किया जाएगा, और ई. वगैरह। एसई उत्तरी ध्रुव के नीचे स्थित कंडक्टर में प्रेरित हमारी ओर निर्देशित किया जाएगा। अंजीर। 1, बी यह देखा गया है कि ई।, आदि। सी. अर्थात्, प्रत्येक कंडक्टर में प्रेरित धारा i के विरुद्ध निर्देशित होती है, अर्थात, वे कंडक्टरों के माध्यम से इसके मार्ग को रोकते हैं।

एक ही दिशा में आर्मेचर तारों के माध्यम से प्रवाह जारी रखने के लिए, यानी, ताकि विद्युत मोटर सामान्य रूप से काम करना जारी रखे और आवश्यक टोक़ विकसित करे, इन तारों को निर्देशित बाहरी वोल्टेज यू लागू करना आवश्यक है इ। वगैरह। सी. और सामान्य ई से अधिक। वगैरह। सी. ई आर्मेचर वाइंडिंग के सभी श्रृंखला-जुड़े तारों में प्रेरित है। इसलिए, नेटवर्क से विद्युत मोटर को विद्युत ऊर्जा की आपूर्ति करना आवश्यक है।

लोड के अभाव में (मोटर शाफ्ट पर लगाया गया बाहरी ब्रेकिंग टॉर्क), इलेक्ट्रिक मोटर बाहरी स्रोत (मेन) से थोड़ी मात्रा में विद्युत ऊर्जा की खपत करता है और निष्क्रिय होने पर इसके माध्यम से एक छोटा करंट प्रवाहित होता है। इस ऊर्जा का उपयोग मशीन में आंतरिक बिजली के नुकसान को कवर करने के लिए किया जाता है।

जैसे-जैसे भार बढ़ता है, वैसे-वैसे विद्युत मोटर द्वारा खपत की जाने वाली धारा और इसके द्वारा विकसित विद्युत चुम्बकीय टोक़ भी बढ़ता है। इसलिए, विद्युत मोटर द्वारा जारी यांत्रिक ऊर्जा में वृद्धि के रूप में भार बढ़ने से स्वचालित रूप से स्रोत से खींची जाने वाली बिजली में वृद्धि होती है।

ऊपर चर्चा की गई इलेक्ट्रिक मोटर की परिचालन स्थितियों से, यह इस प्रकार है कि यह इसकी विशेषता है:

1. विद्युत चुम्बकीय क्षण एम और गति एन की दिशा में संयोग। यह मशीन से यांत्रिक ऊर्जा की वापसी की विशेषता है;

2. आर्मेचर वाइंडिंग ई के तारों में उपस्थिति। आदि। वर्तमान i और बाहरी वोल्टेज U के विरुद्ध निर्देशित। इसका तात्पर्य है कि मशीन को बाहर से विद्युत ऊर्जा प्राप्त करने की आवश्यकता है।

विद्युत मशीनों की प्रतिवर्तीता का सिद्धांत

एक जनरेटर और एक इलेक्ट्रिक मोटर के संचालन के सिद्धांत पर विचार करते हुए, हमने पाया कि वे एक ही तरह से व्यवस्थित हैं और इन मशीनों के संचालन के आधार में बहुत कुछ समान है।

जनरेटर में यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में और मोटर में विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने की प्रक्रिया EMF के प्रेरण से संबंधित है। वगैरह। पीपी। एक चुंबकीय क्षेत्र में घूमने वाले आर्मेचर वाइंडिंग के तारों में और चुंबकीय क्षेत्र और वर्तमान-ले जाने वाले तारों की बातचीत के परिणामस्वरूप विद्युत चुम्बकीय बलों का उद्भव।

एक जनरेटर और एक इलेक्ट्रिक मोटर के बीच का अंतर केवल ई की पारस्परिक दिशा में है। डी. के साथ, वर्तमान, विद्युत चुम्बकीय टोक़ और गति।

विचारित जनरेटर और इलेक्ट्रिक मोटर संचालन प्रक्रियाओं को सारांशित करते हुए, इलेक्ट्रिक मशीनों की प्रतिवर्तीता का सिद्धांत स्थापित करना संभव है... इस सिद्धांत के अनुसार, कोई भी इलेक्ट्रिक मशीन जनरेटर और इलेक्ट्रिक मोटर के रूप में काम कर सकती है और जनरेटर मोड से मोटर मोड में स्विच कर सकती है और इसके विपरीत।

चावल। 2. ई. आदि की दिशा। मोटर (ए) और जनरेटर (बी) मोड में प्रत्यक्ष वर्तमान इलेक्ट्रिक मशीन के संचालन के दौरान ई, वर्तमान I, आर्मेचर रोटेशन आवृत्ति एन और विद्युत चुम्बकीय पल एम के साथ

इस स्थिति को स्पष्ट करने के लिए कार्य पर विचार करें डायरेक्ट करंट इलेक्ट्रिक मशीन विभिन्न परिस्थितियों में। यदि बाहरी वोल्टेज यू कुल ई से अधिक है। वगैरह। वी। डी। आर्मेचर वाइंडिंग के सभी श्रृंखला-जुड़े तारों में, फिर वर्तमान I उस में प्रवाहित होगा जो अंजीर में दिखाया गया है। 2, और दिशा और मशीन एक विद्युत मोटर के रूप में काम करेगी, नेटवर्क से विद्युत ऊर्जा का उपभोग करेगी और यांत्रिक ऊर्जा देगी।

हालांकि, अगर किसी कारण से ई. वगैरह। सी। ई बाहरी वोल्टेज यू से अधिक हो जाता है, फिर आर्मेचर वाइंडिंग में वर्तमान I इसकी दिशा बदल देगा (चित्र 2, बी) और ई के साथ मेल खाता है। वगैरह। वी। डी। इस मामले में, विद्युत चुम्बकीय क्षण एम की दिशा भी बदल जाएगी, जो रोटेशन एन की आवृत्ति के खिलाफ निर्देशित होगी ... दिशा डी में संयोग, आदि। ई और करंट के साथ I का मतलब है कि मशीन ने नेटवर्क को विद्युत ऊर्जा देना शुरू कर दिया है, और एक ब्रेकिंग इलेक्ट्रोमैग्नेटिक पल एम की उपस्थिति इंगित करती है कि इसे बाहर से यांत्रिक ऊर्जा का उपभोग करना चाहिए।

इसलिए, जब ई। आदि। साथआर्मेचर वाइंडिंग के तारों में प्रेरित ई मेन वोल्टेज यू से अधिक हो जाता है, मशीन मोटर ऑपरेशन मोड से जनरेटर मोड में स्विच हो जाती है, अर्थात, जब ई <यू मशीन मोटर के रूप में काम करती है, ई> यू के साथ - के रूप में एक जनरेटर।

मोटर मोड से जनरेटर मोड में एक इलेक्ट्रिक मशीन का स्थानांतरण अलग-अलग तरीकों से किया जा सकता है: स्रोत के वोल्टेज यू को कम करके जिससे आर्मेचर वाइंडिंग जुड़ा हुआ है, या ई बढ़ाकर। वगैरह। आर्मेचर वाइंडिंग में ई के साथ।