K.1 Elektromexanik energiya o‘zgartirish

Har bir davlat iqtisodiyatini elektr energiya bilan ta’­min­lash uning faoliyatidagi eng muhim soha hisoblanadi. Tog‘-metallurgiya sanoati, mashinasozlik, qurilish, transport va boshqa soha korxonalarini rivojlantirishda elektr ener­getikasi asosiy poydevor, xalqning turmush farovon­ligini oshirishda, umuman, davlat hayotining barcha yo‘nalish­larida etakchi omil hisoblanadi. Elektr mashinalari elektr stansiya­larda elektr energiyani ishlab chiqarishda ham, sanoat korxona­larini ishga tushirishda va aholi hayotining barcha sohalari­dagi elektr energiyani iste’mol qilishda ham asosiy vosita hisoblanadi.

Elektr mashinasi – mexanik energiyani elektr energiyaga va, teskari­si, elektr energiyani mexanik energiyaga aylatiruvchi elektromexanik energiya o‘zgartkichidir.

Elektr energiyasi elektr stansiyalarda elektr mashinalari – gene­rator yordamida ishlab chiqariladi. Bizning davlatimizda elek­tr energiyaning asosiy qismi (95% gacha) issiqlik elektr stansiyalarida (IES) organik yoqilg‘ini (gaz, ko‘mir, mazut) yoqish yo‘li bilan ishlab chiqariladi. Unda suv qaynatilib, yuqori bosim­dagi bug‘ga aylantiriladi. Bug‘ bosim turbinaga uzatiladi va rotorni aylantiradi (issiqlik energiyasi turbinada mexanik energiyaga aylantiriladi). Turbinaning rotoridan aylanma xara­kat generator (turbogenerator) valiga uzatiladi. Generator­dagi sodir bo‘layotgan elektromexanik jarayonlar natijasida mexanik energiya elektr energiyaga aylanadi.

Gidravlik elektr statsiyalarda (GES) elektr energiya ishlab chiqarish jarayoni quyidagicha bo‘ladi: to‘g‘on yordamida ma’lum sathgacha ko‘tarilgan suv gidravlik turbinaning ishchi g‘ildi­ragi (parragi)ga quyiladi; bunda turbina parragini aylan­tirishda hosil bo‘lgan mexanik energiya elektr genera­torining valiga uza­tiladi va unda mexanik energiya elektr energiyasiga aylantiriladi.

Elektr energiyani iste’mol qilish natijasida u boshqa turdagi (issiqlik, mexanik, ximik) energiyaga aylantiriladi. Elektr energiyasining absolyut katta qismi (dastgohlar, tegirmonlar, nasos stansiyalari, transport vositalari) sanoat uskunalarini harakatga keltirishda, ya’ni mexanik energiyaga aylantirishda ishla­tiladi. Bunday elektromexanik energiya o‘zgartirilishi elektr mashinalari – elektr motorlari yordamida amalga oshiriladi.

Elektr motori – korxonalar ishchi mexanizmlari elektr yuritma­­larining asosiy elementidir. Elektr energiya para­metrlarini ishonchli boshqarish, uni muammosiz taqsim­lash usullari mavjudligi, sanoatda biror ishchi jihozning alohida zvenolari mustaqil motorlar yordamida harakatga keltirish imkonini beruvchi ko‘p motorli elektr yuritma­larining keng qo‘llanishiga olib keldi.

Elektr stansiyalarda ishlab chiqarilayotgan elekt energiya­sini iste’molchiga uzatish, birinchi galda elektr stansiya­lardan birnecha yuzlab kilometr uzoqlikda joylashgan yirik sanoat markaz­lariga etkazib berish zarur. So‘ngra xar turdagi iste’molchilar: sanoat korxonalari, transport, qurilish, turar joy va h.k.larga taqsimlash lozim. Elektr energiyani uzoq masofalarga yuqori (500 kVgacha) kuchlanish­larda, demak, past toklarda uzatiladi. Bu bilan elektr uzatish liniyalar (EUL)ida sodir bo‘luvchi elektr isroflari (Joul isrof­lari)ni minimal darajagacha etkaziladi. Shu sababli elektr energiyasini uzatish va taqsimlashda kuchlanishni bir necha marta kuchaytirish va pasayitirishga to‘g‘ri keladi. Kuchlanish­ning bunday o‘zgar­tirilishi transformator deb nomlangan elektromagnit quril­masida bajariladi. Transfor­mator elektr mashinasi emas, chunki u ishlaganda elektr ener­giyasi mexanik energiyaga aylantirilmaydi va, aksincha, mexanik energiya elektr energiyasiga aylan­tiril­maydi; trans­formator faqat elektr energiyasining kuchlanishi va toki­ning miqdor­larini o‘zgartiradi, xolos. Transformator – statik elektro­magnit apparat bo‘lib, unda xarakatlanuvchi qismlar yo‘q. Biroq, transformatorda kechuvchi elektromagnit o‘zgarish­lar elektr mashinasi ishlagandagi jarayonlarga o‘xshashdir. Magnit maydoni bilan tokli o‘tkazgich o‘zaro ta’sir etish jarayon­larining tabiati elektr mashinalari va transfor­matorlarda bir xil kechadi. Shu sababli, transformator­lar elektr mashina­­lari fanining ajral­mas qismi hisoblanadi.

K.2 Elektr mashinalari ishlash prinsipi asosida

yotuvchi tabiat qonunlari, qoidalari va hodisalari

«Elektr mashinalari» fanini o‘rganish «Elektrotexnika naza­riy asoslari» fanida keltirilgan elektr va magnit hodisa­lari­ning fizik talqinlarini bilishga asoslangan. Shunga qara­may, «Elektr mashinalari» fanini o‘rganishga kirishdan avval, elektr mashinalari ishlash prinsipi asoslangan ba’zi qonun va qoida­larni, birinchi galda, elektromagnit induksiyasi qonunini fizik talqinini yodga olamiz.

Elektromagnit induksiyasi qonuni. Elektr mashinasi generator rejimida ishlash jarayonida mexanik energiyaning elektr energiyaga aylanadi. Bu jarayon elektromagnit induk­siyasi qonuni asosida tushuntiriladi: agar magnit maydonida joylashgan o‘tkazgichga F kuch ta’sir etib (K.1-rasm,a), uni, masalan, chapdan o‘ngga magnit maydon induksiya vektori V ga perpendikulyar xarakatlantirilsa, u holda o‘tkazgichda EYUK induktivlanadi

, (K.1)

bunda, V – magnit maydon induksiyasi, Tl; l – o‘tkazgichning aktiv uzunligi, ya’ni magnit maydonda joylashgan uzunligi, m; v – o‘tkazgich xarakatining tezligi, m/s.

«O‘ng qo‘l» va «chap qo‘l» qoidalari. Yuqoridagi o‘tkazgich­da induktivlangan EYUKning yo‘nalishini aniqlash uchun «o‘ng qo‘l» qoidasidan foydalanamiz (K.2-rasm,a). Bu qoidaga ko‘ra o‘tkazgich EYUKning yo‘nalishi biz tomondan ekaligini aniqlaymiz. Agar o‘tkazgich klemmalari tashqi rezistor R (iste’molchi)ga ulanib, berk kontur hosil qilsa, u holda EYUK ta’sirida o‘tkazgichda shu yo‘nalishda tok oqa boshlaydi. Shunday qilib, magnit maydonidagi o‘tkazgichni elementar generator deb qarash mumkin ekan.

Tok I ning magnit maydoni bilan o‘zaro ta’siri natijasida o‘tkazgichga ta’sir etayotgan elektromagnit kuch hosil bo‘ladi

FEM = Blv . (K.2)

Bu FEM kuchning yo‘nalishini «chap qo‘l» qoidasi (K.2-rasm,b) yordamida aniqlash mumkin. Ko‘rilayotgan holatda bu kuch chapdan o‘ngga yo‘nalgandir, ya’ni o‘tkazgich xarakati fo‘nalishiga qarama-qarshidir. Shunday qilib, ko‘rilayotgan elementar generatorda FEM kuch xarakatlantiruvchi F kuchga nisbatan tormozlovchi bo‘ladi.

K.1-rasm. Elektromagnit induksiyasi qonunini generator (a) va motor (b) rejimlarida

K.2-rasm. “O‘ng qo‘l” (a) va “chap qo‘l” (b) qoidalarini tushuntirish

O‘tkazgichning tekis xarakatida bu kuchlar muvo­zanat­lashadi, ya’ni . Tenglikning o‘ng va chap tomon­lari­ni o‘tkazgich tezligiga ko‘paytirib, quyidagi ifodani hosil qilamiz

Ushbu ifodaga ning (K.2) qiymatini qo‘ysak quyidagi ifoda hosil bo‘ladi

. (V.Z)

Tenglikning chap qismi o‘tkazgichni magnit maydonidan olib o‘tish uchun sarflanayotgan mexanik quvvatni aniqlaydi; o‘ng qismi esa berk konturda I toki hosil qilayotgan elektr quvvatni anglatadi. Bu ikki quvvatlar orasidagi tenglik belgisi generatorda o‘tkazgichga qo‘yilgan tashqi kuch xosil qilgan mexanik quvvatning elektr energiyaga aylanishini ko‘rsatadi. Agar o‘tkaz­gichga tashqi kuch F qo‘yilmasa, elektr energiyasi manbaidan unga U kuchlanish shunday qo‘yilsaki, unda o‘tkazgichdagi I tok K.1-rasm, b da ko‘rsatilganidek yo‘nalishda bo‘lsa, u holda o‘ikazgichga faqat elektromagnit kuch ta’sir etadi. Bu kuch ta’sirida o‘tkazgich magnit maydonida xarakatga keladi. Bunda o‘tkazgichda yo‘nalishi U kuchlanishga teskari yo‘nalishda bo‘lgan EYUK induk­tiv­lanadi. Shunday qilib, o‘tkazgichga qo‘yilgan U kuchlanish- ning bir qismi shu o‘tkaz­gichda induktivlangan EYUK E bilan muvo­zanatlanadi, qolgan qismi esa o‘tkazgichda kuchlanishlar pasayuvini hosil qiladi

(K.4)

bunda - o‘tkazgichning elektr qarshiligi.

Tenglikning chap va o‘ng qismlarini tok ga ko‘paytiramiz

E ning o‘rniga (K.1)dan EYUKning qiymatini qo‘yib, quyida­gini hosil qilamiz

,

yoki, (K.2) ga ko‘ra,

. (K.5)

Bu tenglikdan shu kelib chiqadiki, o‘tkazgichga kelayotgan elektr quvvat (UI)ning bir qismi mexanik energiya( )ga aylanadi, va qolgan qismi o‘tkazgich qizishiga sabab bo‘luvchi elektr quvvat isroflari ( )ga sarflanadi. Demak, magnit maydoniga joylash­tirilgan tokli o‘tkazgichni elementar elektr motori deb qarash mumkin ekan.

Ko‘rilgan hodisalar quyidagi xulosalarni chiqarishga imkon beradi:

a) ixtiyoriy elektr mashinasi uchun bir biriga nisbatan o‘zaro xarakatda bo‘lishi mumkin bo‘lgan tok o‘tkazish muxiti (o‘tkaz­gichlar) va magnit maydoni mavjuddir;

b) elektr mashinasi generator rejimida ishlaganda xam, elektr motori rejimida ishlaganda xam, magnit maydoni kesib o‘tayotgan tokli o‘tkazgichda, bir vaqtning o‘zida EYUK induk­tiv­lanishi va o‘tkazgichga ta’sir etuvchi kuch xosil bo‘lishi kuzatiladi;

d) elektr mashinasida mexanik va elektr energiyalarining o‘zaro o‘zgartirilishi ixtiyoriy yo‘nalishda kechishi mumkin, ya’ni bir elektr mashina elektr motor rejimida xam, gene­rator rejimida xam ishlashi mumkin; elektr mashina­larining bunday xususiyati qaytuv­chanlik (obratimost) deb ataladi. Elektr mashinalarining qaytuv­chanlik prinsipi birinchi bo‘lib E.X.Lens tomonidan aniqlandi.

O‘rganilgan «soddalashtirilgan» elektr generatori va motori faqat elektr tokining asosiy qonun va hodisalaridan ularda foyda­lanish prinsiplarini ko‘rsatadi. Ularning konstruktiv bajarilish masalalariga kelganimizda, shuni ta’kidlash zarurki, ko‘pgina elektr mashinalarida xarakat­lanuvchi qismlar aylanma xarakat prinsipiga asoslangan­ligini ko‘ramiz.

Elektr mashinalari konstruksiyalarining ko‘plab turlari mavjudligiga qaramay, ularni biror umumlashtirilgan kons­truk­siya bilan almashtirish mumkin. Bunday konstruksiya (K.3-rasm) ikki qismdan iborat bo‘lib, biri qo‘zg‘almas qism 1 – stator, ikkinchisi, aylanuvchi qism 2– rotor deyiladi.

Rotor stator magnit o‘zagining ichki silindrik bo‘shlig‘ida joylashtirilib, ular orasida havo oralig‘i mavjud bo‘ladi. Ushbu ikki elementlardan biri mashinada magnit maydon qo‘zg‘atish uchun qo‘zg‘atuvchi element (masalan, elektromagnit yoki o‘zgarmas magnit) bilan jihozlangan, ikkinchisida esa, shartli ravishda ishchi chulg‘am deb nomlangan, chulg‘am bilan joylashgan. Mashinaning qo‘zg‘almas qismi (stator) xam, aylan­uvchi qismi (rotor) xam, magnit qarshiligi juda kichik bo‘lgan magnit-yumshoq materialdan yasalgan magnit o‘zaklari mavjud.

K.3-rasm. Elektr mashinasining konstruktiv umumlashtirilgan sxemasi

Agar elektr mashina generator rejimida ishlasa, (aylan­tiruvchi motor yordamida) rotor aylanganda ishchi chulg‘am o‘tkazgichlarida EYUK induktivlanadi va iste’molchiga ulan­gan­da unda tok hosil bo‘ladi. Bunda aylantiruvchi motorning mexanik energiyasi elektr energiyasiga o‘zgartiriladi. Agar mashina elektr motori sifatida ishlash uchun mo‘ljallangan bo‘lsa, u holda uning ishchi chulg‘ami tarmoqqa ulanadi. Bunda, chulg‘am o‘tkazgichlarida hosil bo‘lgan tok magnit maydoni bilan o‘zaro ta’sir etib, rotorning aylanishiga olib keluvchi elektromagnit kuchlarini hosil qiladi. Motorning tarmoqdan iste’mol qilayotgan elektr energiyasi, biror ishchi mexanizm (stanok, lift va h.k.)ni aylantirish uchun sarflanayotgan mexanik energiyasiga aylantiriladi.

Elektr mashinalarining shunday konstruksiyalari ham mav­judki, ularda ishchi chulg‘am statorda, magnit oqimni qo‘zg‘atuvchi (hosil qiluvchi) elementlari rotorda joylashgan bo‘ladi. Bu bilan mashina ishlash prinsipi o‘zgarmay, ilgari­gidek qoladi.

Elektr mashinalarining quvvat diapazonlari keng bo‘lib, vattning bir necha ulushidan boshlab, yuz minglab kilovat­gachadir.