Устройство преобразующее механическую энергию в электрическую

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами. Машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются двигателями.

Как правило электрическую машину можно использовать и как генератор и как двигатель. Свойство изменять направление преобразования энергии называется обратимостью машины.

Электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Машины переменного тока могут быть одно- и многофазными. Наиболее широко применяются трехфазные синхронные и асинхронные машины, а также коллекторные машины переменного тока.

Принцип действия электрической машины основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Если в магнитное поле (рис. 2.1) поместить проводник и под действием определенной силы F1 перемещать его перпендикулярно магнитным линиям , то в нем возникает электродвижущая сила (ЭДС)

где B – магнитная индукция в месте нахождения проводника, l – активная длина проводника (длина той его части, которая находится в магнитном поле), v – скорость перемещения проводника. Направление ЭДС (на рисунке за плоскость чертежа), можно определить в соответствии с правилом правой руки.

Если расположить ладонь правой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы линии входили в ладонь, а большой палец, отставленный в сторону, направить по движению проводника, то вытянутые пальцы ладони будут указывать направление индуктированной ЭДС.

Если проводник перемещается под углом α к направлению магнитных линий поля, то

ЭДС в проводнике будет индуктироваться и в том случае, когда проводник неподвижный, а перемещается магнитное поле полюсов.

Рисунок 2.1 – Схема, поясняющая принцип действия электрической машины.

Если проводник замкнуть на приемник энергии то в замкнутой цепи под действием ЭДС возникнет ток I, направление которого совпадает с направлением ЭДС в проводнике. Вследствие взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем возникает электромагнитная сила

направление которой удобно определять по правилу левой руки.

Если расположить ладонь левой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а вытянутые пальцы ладони направить по течению тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Эта сила будет направлена противоположно силе F1, которая перемещает проводник в магнитном поле.

Итак если в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую энергию, которая отдается приемнику энергии, то такая машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать и двигателем. Если от внешнего источника энергии через проводник пропустить ток, то вследствие взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов возникает электромагнитная сила Fe, под действием которой проводник будет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения механического приемника энергии.

В электрических машинах как правило обеспечивается не поступательное, а вращательное движение проводников в магнитном поле. При этом электромагнитные силы, действующие на проводник, используются для получения вращающего момента.

Для увеличения ЭДС и электромагнитных сил электрические машины имеют обмотки с большим количеством витков, которые соединяются между собой так, чтобы ЭДС в них имели одинаковое направление и складывались.

Электрическая машина состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором – ее вращающаяся часть. Обмотку электромагнита, создающего магнитное поле, называют обмоткой возбуждения, а ту часть машины, на которой она расположена — индуктором. Обмотку, в которой индуктируется напряжение, называют якорной обмоткой, а ту часть машины, на которой она расположена — якорем

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10830 — | 7386 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Читайте также:  Схема защиты зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и обратно: электрическую — в механическую. Электромеханическое преобразование энергии — одно из основных преобразований в окружающем нас мире. Это преобразование энергии используется в живой и неживой природе и в созданных человеком электрических машинах.

Понятие «электромеханический преобразователь» — более широкое, чем «электрическая машина». Принято считать, что электрические машины созданы человеком и применяются в различных сферах его деятельности. Это же пре-

ооразование энергии природа использует как в мельчайших живых организмах — бактериях и макрообъектах, таких как планеты и звезды [7, 6].

Рис. 1.13. Классы электромеханических преобразователей

Электрические машины — электромеханические преобразователи (ЭП) — можно разделить на три класса: индуктивные электрические машины, в которых рабочим полем является магнитное поле; емкостные ЭП, в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществляется эл с ктр и ч сс к и м полем, и индуктивно-емкостные ЭП, в которых электромеханическое преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями. Принципиальные схемы ЭП показаны на рис. 1.13.

В индуктивных ЭП электромеханическое преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности (потокосцеплений) обмоток, а в емкостных ЭП — за счет изменения емкости. Индуктивно-емкостные ЭП в простейшем случае представляют собой объединение в одну электромеханическую систему движущихся частей и электрических цепей индуктивной и емкостной машин (см. рис. 1.13).

В индуктивных ЭП энергия концентрируется в магнитном поле, а в емкостных — в электрическом. В индуктивно-емкостных машинах преобразование энергии происходит в магнитном и электрическом полях.

На рис. 1.1 4, я на шкале единичной мощности от 0 до бесконечности представлены предпочтительные области распространения ЭП различных классов. На этой шкале мощностей есть две замечательные точки: 10 17 Вт — мощность ворсинки бактерии и 10 9 Вт — мощность турбогенератора — самой мощной электрической машины, созданной человеком. На рис. 1.14, б показаны предпочтительные области распространения различных классов электрических машин в зависимости от частоты сети.

Хотя ЭП с электрическим рабочим полем появились раньше индуктивных, они как силовые ЭГ1 не нашли про-

Рис. 1.14. Области предпочтительного распространения ЭП

мышленного применения. Сделаны пока лишь робкие попытки создания индуктивно-емкостных ЭИ при использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Емкостные и индуктивно-емкостные ЭП будут немного представлены в гл. 8 учебника. Дальше рассматриваем только индуктивные электрические машины, которые получили господствующее положение во всех сферах жизни современного общества.

Все разновидности индуктивных электрических машин по роду питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного т ока делятся на синхронные и асинхронные (несинхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах угловая скорость ротора со,, и угловая скорость магнитного поля шс равны. В асинхронных машинах угловая скорость ротора не равна угловой скорости поля: сор оос. При этом сор может быть меньше или больше угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора могут быть противоположными.

Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхронных и синхронных машин тем, что имеют механический преобразователь частоты и числа фаз — коллектор, который соединен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы — электромагнитные преобразователи энергии. В них не происходит преобразования электрической энергии в механическую и обратно, а имеет место преобразование электрической энергии одного вида в другой. Трансформаторы выполняются таким образом, что обмотки нс могут перемещаться относительно друг друга.

По режиму работы электрические машины делятся на генераторы и двигатели. В генераторах механическая энергия, подводимая к валу машины, преобразуется в электрическую энергию. В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Одна и та же электрическая машина может работать и двигателем, и генератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструктивные отличия и на заводском щите машины указывается режим работы.

Читайте также:  Приложение для управления телевизором samsung с телефона

Синхронные машины могут работать в режиме потребления или отдачи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами.

Электрические машины, как правило, выполняются с одной вращающейся частью — ротором и неподвижной частью — статором. Когда вращается только ротор, машина имеет одну степень свободы. Такие машины называются одномерными.

Электромагнитный момент в электрических машинах приложен и к ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машины, в которой может вращаться и ротор, и статор, — две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается двумя статорами, расположенными под углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электромеханические системы, в которых статор и ротор имеют три степени свободы.

Электрические машины могут иметь возвратно-поступательное движение. Однако в машинах с возвратно-поступательным движением статор и ротор разомкнуты и магнитное ноле отражается от краев, что приводит к искажению ноля в воздушном зазоре. Краевой эффект в линейных электрических машинах ухудшает энергетические показатели. Низкие энергетические показатели ограничивают применение электрических машин с возвратно-поступательным движением.

Все электрические машины имеют неподвижную часть — статор и вращающуюся — ротор (рис. 1.15, а). Энергия магнитного поля концентрируется в основном в воздушном зазоре — промежутке между статором и ротором.

На рис. 1.15, а —в показано, как из обычной машины с цилиндрическим статором и ротором получаются машины с сегментным статором и линейные электрические машины. Линейная машина получается при увеличении диаметра

Рис. 1.15. Преобразование машины традиционной конструкции в машину с сегментным статором и линейную машину ротора сегментной машины до бесконечности. Линейные двигатели находят применение для получения линейных перемещений. В генераторном режиме линейные машины практически не применяются.

Особое место среди ЭП занимают индикаторные машины автоматических устройств. Это различные датчики, преобразователи цифровой информации в угловые и линейные перемещения, приборы времени и другие электромеханические устройства навигационных систем.

Бесчисленны конструктивные исполнения электрических машин, которые работают под водой, в космосе, под землей и в обычных условиях. Почти все индуктивные электрические машины имеют вращательное движение, причем обычно вращается одна часть машины — ротор, а статор неподвижен. Однако находят применение и машины с возвратно- поступательным, колебательным, импульсным движением ротора. Используются машины с жидким и газообразным роторами.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину — по формуле

где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу, равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Читайте также:  Плиточный клей юнис желтый

Из сказанного следует, что механическая мощность, затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 — щетки. 2 контактные кольца, 3 стальной сердечник; 4 —рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством — коллектором. Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector