Преобразование электрической энергии в механическую доклад

Обновлено: 17.05.2024

Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.

Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.

Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:

Силовые преобразователи, которые генерируют механическую работу с использованием электрической энергии, называются электрическими двигателями. Электродвигатели — это электрические машины.
Силовые преобразователи, которые используют электроэнергию постоянного тока и напряжения и преобразуют эту энергию в электрическую энергию переменного тока и напряжения, называются инверторами. Инверторы относятся к статическим преобразователям мощности и используют полупроводниковые силовые переключатели.
Электрические генераторы преобразуют механическую работу в электрическую энергию. Они также принадлежат к электрическим машинам.
Силовые трансформаторы преобразуют электрическую энергию из одной системы переменного напряжения в электрическую энергию другой системы переменного напряжения, при этом две системы переменного тока имеют одинаковую частоту.

Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.

Вращающиеся преобразователи мощности

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.

Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.

Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.

Электрические машины состоят из токовых цепей, изготовленных из изолированных проводников и магнитопроводов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Машины производят механическую работу за счет действия электромагнитных сил на проводники и ферромагнетики, соединенные магнитным полем. Проводники и ферромагнитные элементы принадлежат либо движущейся части машины (ротору), либо неподвижной части (статору). Вращение движущейся части машины способствует изменению магнитного поля. В свою очередь, в проводниках индуцируется электродвижущая сила, которая вырабатывает электрическую энергию. Аналогично, электрический ток в проводниках машины , называемых обмотками, взаимодействует с магнитным полем и создает силы, которые возбуждают движение ротора.

Статические преобразователи мощности

В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.

В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.

Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.

Роль электромеханического преобразования энергии

Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.

Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.

Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.

На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.

Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы

Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии

Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.

Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:

Закон электромагнитной индукции Фарадея, который определяет взаимосвязь между изменяющимся магнитным потоком и индуцированной электродвижущей силой.
Закон Ампера, который описывает магнитное поле проводников, несущих электрический ток
Закон Лоренца, определяющий силу, действующую на движущиеся заряды в магнитном и электрическом полях
Законы Кирхгофа, которые дают соотношения между напряжениями и токами в токовых цепях, а также между потоками и магнитодвижущими силами в магнитных цепях

Процесс электромеханического преобразования энергии

Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.

Три наиболее важных типа электрических машин:

машины постоянного тока;
асинхронные;
синхронные.

Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.

Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.

Вращающиеся электрические машины

Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.

Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.

Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.

Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.

Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.

Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.

Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.

Реверсивные машины

Электрические машины в основном реверсивны.

Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.

Потери при преобразовании энергии

Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.

В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.

В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Новосибирский Государственный Технический
Университет

Список литературы
Введение
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, на гидроэлектростанции — водяной 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. Этиявления 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 якоряиндуцируется э. д. с. и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине
Электродвигатель
Электрические двигатели бывают постоянного и переменного Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации.Основной недостаток- практически не регулируемая частота вращения.
Электрические двигатели переменного тока изготавливают одно- и многофазными. Основные элементы таких двигателей - статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Выпускаются электродвигатели с коротко замкнутыми обмотками ротора (типа беличьей клетки) и обмотками, выведенными на коллектор (систему контактных колец) и замыкающимисячерез регулируемые резисторы. Такие роторы называют фазными, а электродвигатели - электродвигателями с фазным ротором.
Электрические двигатели переменного тока применяют для привода рабочих машин различного назначения (насосы, деревообрабатывающие станки, дробилки и т. д.), не требующих регулирования частоты вращения. Выпускаются на мощности от 0, 2 до 200 и более киловатт.
Электродвигателипостоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части (статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешанным соединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного тока является способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительных усилий при эксплуатации.

Литература. Заключение. Глава 2. Виды и источники энергии. Глава 3. Применение механизмов, преобразующих электрическую энергию в механическую (электродвигателей переменного тока). Использованная. Введение. Глава 1. История преобразование энергии. Читать ещё >

Преобразование электрической энергии в механическую энергию ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

Введение
Глава 1. История преобразование энергии
Глава 2. Виды и источники энергии
Глава 3. Применение механизмов, преобразующих электрическую энергию в механическую (электродвигателей переменного тока)
Заключение
Использованная
литература

Сегодня стали популярны так называемые электродвигатели. Наверняка, все слышали о машинах, работающих не на бензине, а на электричестве. Это не сказка. Электродвигатель—то, до чего наконец дошел человеческий гений. Бесшумный, экологически чистый, износоустойчивый, легко управляемый, работающий в широком диапазоне скоростей двигатель. Область применения: везде, где используется бесконтактное электромеханическое преобразование энергии, например асинхронный электродвигатель переменного тока.

И в России изобретены и запатентованы способ и устройство для преобразования электромеханических сил, на основе которых могут быть созданы приводные устройства, выполняющие функции бесколлекторного электрического двигателя-генератора на номинальную мощность от единиц ватт до сотен киловатт.

Новое приводное устройство, работающее в режиме двигателя, принципиально отличается от существующих электрических двигателей, несмотря на то, что совершает механическую работу, используя электрическую энергию. Точно так же, как паровая машина принципиально отличается от двигателя внутреннего сгорания, несмотря на то, что оба совершают механическую работу, используя химическую энергию разложения органических материалов (уголь, бензин). Об этом свидетельствуют их совершенно непохожие друг на друга механические характеристики.

Электродвигатели. Электрические машины, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию, называются электродвигателями.

- Ɩ I

F, v I R_в

На рисунке показан прямолинейный провод длиной Ɩ, расположенный в однородном магнитном поле перпендикулярно вектору магнитной индукции В и присоединенный к источнику питания с постоянной ЭДС Е и внутренним сопротивлением R_В. По проводу проходит ток I. На провод с током действует электромагнитная сила F = ВIƖ , ее направление определяется по правилу левой руки (ладонь левой руки располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в нее, четыре вытянутые пальца совмещают с направлением тока в проводнике, тогда отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление электромагнитной силы). Под действием силы F провод движется со скоростью v, поэтому в нем будет индуктироваться ЭДС, направленная навстречу току, в чем можно убедиться, применяя правило правой руки. Следовательно, при движении провода с током в магнитном поле под действием сил этого поля происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию. Таким образом, рассмотренный случай движения проводника с током в магнитном поле под действием сил этого поля представляет собой пример элементарного электродвигателя.

Устройство простейшей электрической машины.

Большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их подвижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин возможно представить некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором 6. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит 3), а другая – имеет обмотку, называемою рабочей обмоткой машины 4. Статор и ротор имеют сердечники 5, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.

1 3

Каждый генератор постоянного тока переходит в режим работы электродвигателя, если его ЭДС окажется меньше напряжения на зажимах. Этот принцип обратимости электрических машин был открыт в 1833 г. Русским академиком Э.Х. Ленцем.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую энергию. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, возникающий в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на вращение какого-либо механизма.

1. В практической работе изучить:

- принцип работы простейшего генератора;

- принцип работы простейшего двигателя.

2. Изучить, как правилом правой руки определяется направление наведенной ЭДС.

3. Изучить, как правилом левой руки определяется направление движения проводника.

4. Изучить устройство простейшей электрической машины.

Работа на занятии.

1. Изучив представленный материал ответить письменно на контрольные вопросы.

Содержание отчета.

2. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Принцип работы генератора?

2. Принцип работы электродвигателя?

3. Конструкция электрической машины?

4. Правило правой руки?

5. Правило левой руки?

Литература.

1. М.М.Кацман Электрические машины.- М.: Высшая школа, 2002. Стр. 7-10.