Как преобразовать механическую энергию в электрическую

При вращении катушки, имеющей $N$ витков магнитный поток равен:

что увеличивает амплитуду ЭДС в $N$ раз, соответственно:

$\epsilon_i=NB\Delta S \omega sin (\omega t) (4).$

Амплитуда ЭДС получается равной:

$\epsilon_m=NB\Delta \omega (5).$

Величину $\epsilon_m$ называют еще амплитудой напряжения, которое создает генератор переменного тока, рассматриваемого вида.

Выражение (5) часто записывают в виде:

$\epsilon_i= \epsilon_m \ sin (\omega t (6).$

Выражение (6) указывает на то, что ЭДС изменяется периодически по гармоническому закону (закону синуса).

Реализация принципа генерации переменного тока

На сегодняшний момент создано и применяют большое число генераторов переменного тока различных конструкций. Например, технический переменный ток получают при помощи генератора, в котором:

1. ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
2. Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
3. Данные кольца укреплены на оси машины с помощью прижимных проводников (щеток), изготавливаемых из меди или графита. Щетки включают в замкнутую цепь тока, не нарушая вращение обмотки.

Для увеличения ЭДС, из формулы (6) следует, что нужно увеличить магнитный поток. С этой целью стараются сделать сопротивление магнитной цепи наименьшим. Поэтому магнитную систему конструируют из пары железных сердечников:

• наружного стационарного сердечника в виде кольца и
• внутреннего, совершающего вращение цилиндра.

Воздушный зазор между сердечниками стараются сделать минимальным.

Генератор, обычно обладает двумя обмотками:

• одной, расположенной в пазах, на внутренней стороне неподвижного сердечника (статора);
• второй, находящейся на внутренней стороне (в пазах) вращающегося сердечника (ротора).

Одна обмотка генерирует магнитный поток, вторая является рабочей, в ней создается переменная ЭДС.

Обратим внимание на один из них – генератор трехфазного тока, который создал М.О. Доливо-Добровольский в 1890 году.

Этот генератор имеет три одинаковые катушки. Их оси находятся в одной плоскости, которая параллельна магнитному полю, при этом углы между осями катушек составляют $120^0 C$. Токи индукции возбуждаются сразу во всех трёх катушках одномоментно, сдвиг фаз этих токов составляет $120^0$. Токи с несколькими фазами дают возможность получать в нагрузке вращающиеся магнитные поля. В этих магнитных полях совершают вращения магниты или замкнутые контуры. Получаемые таким образом токи удобно использовать для трансформации электрической энергии в механическую в электрических двигателях.

Генератор постоянного тока

Для получения постоянного (прямого) тока, переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, с помощью коллектора подлежит выпрямлению.

Коллектор – вращающийся переключатель.

Самый простой генератор постоянного тока:

• может иметь обмотку, которая содержит один виток;
• в состав его коллектора входят два изолированных полуцилиндра из меди, расположенных на оси машины, к этим цилиндрам присоединяют обмоточные концы;
• пара щеток, прижимаемых к пластинам коллектора, реализуют подключение обмотки в цепь тока.

Поясним принципы работы коллектора. Напряжение между концами обмотки коллектора изменяется по гармоническому закону (закон синуса) (6) (рис.1(а)). При каждой половине оборота коллектор коммутирует (осуществляет переключение) концы обмотки. В результате на щетках возникает напряжение, которое можно изобразить кривой рис.1 (б). Данный генератор выдает пульсации тока, у которого постоянно направление, но величина изменяется.

Рисунок 1. Принципы работы коллектора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поскольку коллектор совершает вращение, то соединяемую с ним обмотку делают вращающейся. Она располагается на внутреннем сердечнике из железа, который находится на оси генератора. Чтобы получить постоянный ток обмотку делят на несколько секций и используют многопластинчатые коллекторы.

В современных генераторах большой мощности используют электромагниты.

Свойства генератора постоянного тока значительным образом зависят от того, каким образом осуществляется соединение обмотки возбуждения с якорем. В зависимости от способа соединения генераторы делят на:

• шунтовые генераторы, в которых реализуется параллельное возбуждение;
• сериесные генераторы, с последовательным соединением;
• компаундные генераторы, в которых используется смешанное возбуждение.

В генераторах первого типа обмотка возбуждения соединяется с якорем параллельно. Ток, питающий электромагнит составляет от 1% до 5% тока якоря. При этом сопротивление обмотки возбуждения существенно меньше сопротивления якоря.

В сериесных генераторах обмотка возбуждения соединена с якорем при помощи последовательного соединения. Так как ток проходит по обмотке возбуждения полностью, для уменьшения потерь напряжения необходимо, чтобы сопротивление обмотки было много меньше, чем сопротивление якоря.

Как преобразовать механическую энергию в электрическую

Батарея преобразует химическую энергию в электричество, а солнечный элемент вырабатывает электроэнергию из солнечной энергии, но если вы хотите производить электричество из механической энергии, вам нужен индукционный генератор. Эти генераторы могут быть достаточно маленькими, чтобы питать фонарик коленчатого типа, или достаточно большими, чтобы питать целые города, но все они работают по принципу электромагнитной индукции, обнаруженному Майклом Фарадеем, английским физиком и изобретателем 19-го века. Сегодня асинхронные генераторы, работающие на различных видах топлива, снабжают электроэнергией большую часть населения мира.

Как работает индукция

Индукционный эксперимент Фарадея, вероятно, является одним из самых важных в физике, и он был относительно простым. Он обмотал кусок проводящего провода вокруг круглого сердечника и подключил провод к метру. Он обнаружил, что перемещение магнита через центр круга вызывает ток в проводе. Ток прекратился, когда он прекратил движение магнита, и пошел в противоположном направлении, когда он изменил направление магнита. Позже он сформулировал закон электромагнитной индукции, теперь известный как закон Фарадея, который связывал силу тока с величиной изменения магнитного поля, также известного как магнитный поток. Сила магнита, количество катушек вокруг сердечника и характеристики проводящего провода влияют на расчеты для генераторов реального мира.

Как генераторы используют индукцию

Находятся ли они внутри бытового коммунального генератора, вашего автомобиля или атомной электростанции, генераторы, как правило, имеют одинаковые характеристики. Они включают в себя ротор с полым сердечником, который вращается вокруг статора. Статор обычно представляет собой мощный магнит, в то время как катушки, которые несут электричество, намотаны вокруг ротора. В некоторых генераторах катушки намотаны вокруг статора, а ротор намагничен. Это не важно В любом случае, электричество будет течь.

Ротор должен вращаться, чтобы электричество могло течь, и именно здесь поступает механическая энергия. Крупные генераторы используют различные виды топлива и естественные процессы для получения этой энергии. При каждом вращении ротора поток тока останавливается, изменяется на противоположный, снова останавливается и возвращается в прямое направление. Этот тип электричества называется переменным током, и количество раз, когда оно меняет направление в секунду, является важной характеристикой.

Типы Топлива

Ротор в большинстве генераторов соединен с турбиной, а на многих генерирующих установках турбина приводится в движение паром. Энергия необходима для нагрева воды для производства этого пара, и эта энергия может поставляться ископаемым топливом, таким как уголь и природный газ, биомасса или ядерное деление. Топливо также может поступать из природных источников, таких как геотермальная энергия — естественное тепло, исходящее из глубины земли. Гидроэлектрические генераторы питаются от энергии водопада. Первый в мире гидроэлектрический генератор, разработанный Николой Теслой и построенный Джорджем Вестингаузом, расположен на Ниагарском водопаде. Он генерирует около 4, 9 миллиона киловатт электроэнергии, что достаточно для 3, 8 миллиона домов.

Создание собственного генератора

Это очень легко построить генератор. Возможны многие конструкции, но одна из самых простых состоит из неподвижной катушки и вращающегося магнита. Провода намотаны на гвоздь, покрытый оскорбительной лентой, а магнит может быть простым в форме подковы. Когда вы просверлите отверстие в основании магнита, вставите плотно прилегающий вал и прикрепите вал к сверлу, вы можете выработать достаточно электричества, чтобы зажечь лампочку, просто задействовав сверло, чтобы магнит вращался вокруг катушки.

Как рассчитать электрическую потенциальную энергию

При обсуждении электрического потенциала между двумя зарядами важно указать, является ли рассматриваемая величина энергией электрического потенциала, измеряемой в джоулях, или разницей электрического потенциала, измеряемой в джоулях на кулон (Дж / с). Таким образом, напряжение — это электрическая потенциальная энергия на заряд.

Как рассчитать механическую мощность

Механическая мощность — это мера скорости, с которой выполняется работа или энергия передается внутри механических систем. В выражении для механической мощности используется та же базовая формула, что и для всех типов мощности: P = W / t, где P — мощность в ваттах, W — работа в джоулях, а t — время в секундах.

Как рассчитать электрическую емкость

Как рассчитать электрическую емкость. Автоматические выключатели контролируют электрическую мощность для каждой области вашего дома, и ваша цель при расчете электрической мощности состоит в том, чтобы не перегружать один или несколько автоматических выключателей. Например, ваш дом контролируется панелью выключателя. Каждый нарушитель в .

9.2. Преобразование энергий. Правило Ленца Преобразование механической энергии в электрическую

Если проводник пересекает магнитное поле, то в нем индукти­руется ЭДС электромагнитной индукции. При замыкании про­водника в цепи появится индуктированный ток. Таким образом, механическая энергия, затраченная на перемещение проводника в магнитном поле, преобразуется в электрическую энергию тока в этом проводнике.

Подобное преобразование механической энергии в электриче­скую имеет место в электрических генераторах. Направление индуктированного тока в проводнике определяется по правилу правой руки (рис. 9.3). Индукти­рованный ток взаимодействует с магнитным полем, в результате чего на проводник с током /действует электромагнитная сила /, направ­ление которой определяется по правилу левой руки. Как видно (рис. 9.3), эта сила направле­на против скорости перемещения проводника V, которая является причиной возникновения индуктированного тока.

Это и легло в основу правила Ленца, соглас­но которому индуктированный ток всегда противодействует причине, вызвавшей его (т. е. сила F, вызванная индуктированным током I, противодействует перемещению проводника со скоростью V, которое и является причиной, вызвавшей этот ток).

Затраченная на перемещение проводника механическая мощность компенсируется мощностью электромагнитных сил FV, т. е.

Уравнение (9.4) устанавливает количественную сторону преобразования механической энергии в электрическую. Таков баланс мощностей при преобразовании механической энергии в электрическую.

Самоиндукция. Эдс самоиндукции и взаимной индукции. Вихревые токи.

Явление и ЭДС самоиндукции

Если по катушке с числом витков W (рис. 9.8а) проходит ток I, то этот ток создает в катушке магнитный поток Ф, величина кото­рого пропорциональна току. Очевидно, пропорционально этому току и потокосцепление

Следовательно, отношение для данной катушки — величина постоянная. Эта постоянная величина обозначается буквой L и называется индуктивностью катушки:

Таким образом, индуктивность L является параметром определенной рамки, а также параметром любого проводника и контура.

Единицей индуктивности L является генри:

Магнитныйпоток, созданный в катушке (рис. 9.8а) с числом витков W током I, будет равен согласно (8.1)

Когда потокосцепление

Индуктивность катушки определяется выражением

Таким образом, индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков катушки и зависит от габаритов и материала щгнитопровода этой катушки.

Шзменять индуктивность катушки можно изменением магнитной проницаемости магнитопровода μ_а = μ_оμ_г: при разомкнутом магнитопроводе катушки сердечник можно вставлять или вынимать из катушки, а при замкнутом сердечнике из ферромагнитного материала можно изменять ток катушки (рис. 8.4).

Если по катушке с индуктивностью L (рис. 9.86) пропустить переменный ток i, то он создает в катушке переменный магнитный поток, который индуктирует в витках катушки ЭДС самоиндукции е_L.

Явленление наведения ЭДС самоиндукции в проводнике, контуре или катушке, вызванное изменением тока в самом проводнике, контуре или катушке, называется явлением самоиндукции.

ЭДС самоиндукции в катушке можно определить, используя выражения (9.8) и (9.9):

Таким образом, ЭДС самоиндукции e_L в проводнике, контур_е или катушке пропорциональна скорости изменения тока в это_м проводнике, контуре или катушке, взятой со знаком «минус», т. Е

Знак «минус» отражает здесь правило Ленца, которое в данном случае можно так: индуктированный в катушке ток, вызванный ЭДС самоиндукции, сформулировать противодействует изменению тока, вызвавшего эту ЭДС.

Так, например, если ток I катушки увеличивается;, то ЭДС само­индукции (индуктированный ток) противодействует этому увеличению; если же ток I катушки уменьшается, то индуктиро­ванный ток противодействует его уменьшению.

Из формулы (9.11) видно, что индуктивность L как параметр проводника, контура и катушки характеризует их с точки зрения наведения в них ЭДС самоиндукции, т, е. чем больше индуктив­ность L, тем больше ЭДС самоиндукции в них при неизменной скорости изменения тока.

Если по катушке с индуктивностью L проходит ток I, то в маг­нитном поле этой катушки накапливается энергия, величина ко­торой определяется:

Явление и ЭДС взаимоиндукции

Если две или несколько катушек расположить так, что магнит­ный поток одной из них пронизывает витки остальных, то такие катушки называют магнитосвязанными.

Если по одной из магнитосвязанных катушек, например первой W1 (рис. 9.9а), пропустить ток i₁ то он создает в этой катушке маг­нитный поток Ф1 пропорциональный i₁ часть которого Ф_1,2 пронизывает витки второй катушки W₂, создавая потокосцепле-ние ψ_1,2 = Ф_1,2W₂, пропорциональное i₁ Часть магнитного потока Ф1 рассеивается Ф_р.

Если по второй катушке W₂ (рис. 9.9а) проходит ток i₂, то он со­здает в ней магнитный поток Ф₂, пропорциональный i₂, часть ко­торого Ф₂,₁ пронизывает витки первой катушки W₁ создавая по-токосцепление ψ_1,2=Ф_2,1W₁ пропорциональное i₂.

Следовательно, для двух магнитосвязанных катушек отношение:

Есть величина постоянная, обозначается буквой М и называется

взаимной индуктивностью этих катушек.

Взаимная индуктивность М — это параметр магнитосвязанных

проводников, контуров или катушек.

Взаимная индуктивность М измеряется в генри

Если на магнитопроводе неразветвленной магнитной цепи (риc. 9.96) расположены две катушки W₁ и W₂, то при отсутствии рассеивания (магнитный поток каждой катушки полностью замыкается в магнитопроводе и пронизывает другую катушку) взаимная индуктивность этих катушек определяется выражением

Где L — общая длина магнитопровода; S — сечение магнитопровода ;

(согласно выражению (8.1)).

Таким образом, взаимная индуктивность двух магнитосвязанных катушек пропорциональна произведению числа витков этих катушек и зависит от габаритов и материала магнитопровода, на котором расположены эти катушки.

Каждая из рассмотренных магнитосвязанных катущек (рис. 9.96) обладает индуктивностью (см. (9.10))

Произведение этих индуктивностей будет равно

Следовательно, при отсутствии рассеяния величина взаимной индуктивности

В общем случае

Коэффициент К называют коэффициентом связи двух магни­тосвязанных катушек

Коэффициент связи К показывает, какая часть созданного ка­тушками магнитного потока пронизывает одновременно обе магнитосвязанные катушки.

Коэффициент связи может изменяться от нуля до единицы, т. е. O≤K≤1. При отсутствии рассеяния магнитного потока К=1, а при отсутствии магнитной связи К= 0.

Если по одной из магнитосвязанных катушек (рис. 9.96), напри­мер первой, пропустить переменный ток ц, то он создает в ней пе­ременный магнитный поток Ф₁ часть которого Ф_1,2 пронизывает витки второй катушки W₂ и индуктирует в них ЭДС взаимоиндук­ции е_M2.

Явление наведения ЭДС взаимоиндукции в одной из магнитосвя­занных катушек, вызванное изменением тока в другой катушке, на­зывается явлением взаимоиндукции.

ЭДС взаимоиндукции во второй катушке будет равна

То есть ЭДС взаимоиндукции в одной из магнитосвязанных катушек пропорциональна скорости изменения тока в другой катушке со знаком «минус».

Знак «минус» отражает правило Ленца.

Взаимная индуктивность М как параметр взаимосвязанных проводников, контуров и катушек характеризует явление взаимоиндукции с точки зрения наведения ЭДС взаимоиндукции в одном

элементе (катушке 2), вызванное изменением тока в другом элементе (катушке 1), магнитосвязанном с ним.

Явление взаимоиндукции лежит в основе работы электрических трансформаторов.

Приложенное к первичной обмотке трансформатора напряжение U₁ уравновешивается падением напряжения на обмотке i₁R₁

ЭДС самоиндукции этой обмоткии

и ЭДС взаимоиндукии в той же обмотке(см. рис.9.96).

Применяя второй закон Кирхгофа (для мгновенных значений), можно записать для первичной обмотки

Тогда

По аналогии можно записать выражение для определения напряжения U₂ на вторичной обмотке, к которой подключается потребитель:

Перед ЭДС взаимоиндукции в (9.20) и (9.21) может стоять знак «минус», если имеет место встречное включение, т. е. e_L и е_м в обмотке направлены в разные стороны.

Как видно, в обмотках трансформатора имеет место явление электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимоиндукции. Чем же отличаются эти явления?

Природа всех этих явлений одинакова — переменный магнитный поток индуктирует в проводнике, контуре или катушке переменную ЭДС. Если происхождение этого потока произвольно, то индуктирует ЭДС электромагнитной индукции е. Если этот магнитный поток создан током, проходящим по самому провод­ку, контуру или катушке, то он индуктирует ЭДС самоиндукции e_L. Если магнитный поток создан током, проходящим по _Од Н ному элементу цепи (например, первому контуру) магнитосвязанному с другим элементом цепи (например, вторым контуром), то он наводит во втором контуре ЭДС взаимоиндукции е_м

Процесс преобразования энергии в электрических машинах

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. Эти явления 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 индуцируется 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.

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 электрической машины постоянного тока 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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!