Правило «Правой руки». Элементарный генератор.

Вопросы по электрическим машинам (МДК 01.01)

Правило «Правой руки». Элементарный генератор.

Простейший генератор. Конструкция простейшего генератора постоянного тока представляет собой рамку, вращаемую посторонней силой между полюсами электромагнита. При вращении рамки по часовой стрелке в верхнем проводе рамки возникает ток, направленный от нас, а в нижнем — ток, направленный к нам. Появившийся ток через пластины (полукольца) коллектора и щетки отводится во внешнюю цепь. После того как рамка пройдет горизонтальное положение, полукольца коллектора поменяются местами, и ток во внешней цепи сохранит свое значение, несмотря на изменение направления тока в рамке. Однако ток во внешней цепи будет пульсировать, т. е. периодически изменяться от максимального значения до нуля. Это объясняется тем, что рамка, находясь в вертикальном положении, пересекает наибольшее количество магнитных силовых линий, а будучи в горизонтальном положении, вовсе не пересекает их.

Чтобы пульсация тока была незаметной, в генераторах вращают не рамку из одного витка проводов, а якорь с обмоткой из многих десятков витков. Магнитное поле, в котором вращается якорь, усиливается применением электромагнитов с большим числом витков обмотки. При этом в обмотки катушек возбуждения электромагнитов направляется ток от самого генератора. Такие генераторы называются генераторами с самовозбуждением.

Рис. 9.3. Схема простейшего генератора однофазного переменного тока

Простейший генератор (рис. 9.3) однофазного переменного тока в отличие от генератора постоянного тока вместо коллектора имеет контактные кольца, ток с которых снимается щетками. Каждое из этих колец при любом положении рамки постоянно соединено с одним и тем же проводом внешней цепи. Поэтому при вращении рамки ток в цепи меняется не только по величине (от максимума до 0), но и по направлению.

В обмотки возбуждения полюсов подается постоянный ток от постороннего источника.

На практике получили распространение трехфазные генераторы переменного тока, которые гораздо проще по конструкции и надежнее в эксплуатации, чем однофазные.

Правило «Левой руки». Элементарный двигатель.

Простейший электродвигатель. Если проводник с током поместить в магнитное поле, то в результате взаимодействия поля проводника и поля магнита проводник будет перемещаться в направлении, перпендикулярном к магнитным силовым линиям магнита.

С одной стороны проводника силовые линии его магнитного поля направлены в ту же сторону, что и силовые линии поля магнита, т. е. силовые линии сгущаются. С другой стороны проводника его силовые линии направлены навстречу силовым линиям поля магнита, т. е. силовые линии разрежаются. При этом проводник с током выталкивается в ту сторону, где магнитные силовые линии расположены реже.

Направление движения проводника зависит от расположения полюсов, а также направления тока в проводнике.

Механическая сила, действующая на проводник с током, пропорциональна магнитному полю полюсов магнита, току в проводнике и его длине.

Взаимодействие проводника с током в магнитном поле положено в основу действия элетродвигателей, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую.

Рис. 9.4. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока:

Рис. 39. Определение направления магнитного поля по правилу буравчика

Например, если ток проходит по проводнику в направлении от нас за плоскость листа книги (рис. 39, б), то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику проходит по направлению от плоскости листа книги к нам, то магнитное поле вокруг проводника направлено против часовой стрелки. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока магнитное поле также изменяет свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля и его напряженность уменьшаются. Напряженность магнитного поля в пространстве, окружающем проводник,

где r — расстояние от рассматриваемой точки до оси проводника.

Максимальная напряженность H_MAX имеет место на внешней поверхности проводника 1 (рис. 40). Внутри проводника также возникает магнитное поле, но напряженность его

Рис. 40. Кривая распределения напряженности магнитного поля Н вокруг и внутри проводника с током

линейно уменьшается по направлению от внешней поверхности к оси (кривая 2). Магнитная индукция поля вокруг и внутри проводника изменяется таким же образом, как и напряженность.

Рис. 41. Магнитные поля, созданные витком с током (а) и катушкой (б)

Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки. Магнитное поле катушки, обтекаемой током, имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита (см. рис. 35, а): силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такое устройство называется электромагнитом.

Электромагниты, нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Они создают магнитное поле, необходимое для работы электрических машин, а также электродинамические усилия, требуемыедля работы различных электроизмерительных приборов и электрических аппаратов.

Электромагниты могут иметь разомкнутый или замкнутый магнитопровод (рис. 42).

Рис. 42. Электромагниты с разомкнутым (а) и замкнутым (б) магнитопроводом

Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом. Для определения направления магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика. Если совместить направление вращения рукоятки с направлением тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление магнитного поля.

Полярность электромагнита можно определить и с помощью правой руки. Для этого руку надо положить ладонью на катушку (рис. 43) и совместить четыре пальца с направлением в ней тока, при этом отогнутый большой палец покажет направление магнитного поля

Рис. 43. Определение полярности электромагнита с помощью правой руки

Возникновение вихревых токов Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов

больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного поля, и также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помещают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, плавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля, и.меняющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи —так называемые токи высокой частоты.

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов:

Рис. 60. Возникновение э.д.с. самоиндукции в витке (а) и в катушке (б).

Эта э. д. с. возникает при всяком изменении тока, например при замыкании и размыкании

электрических цепей, при изменении нагрузки электродвигателей и пр. Чем быстрее изменяется ток в проводнике или катушке, тем больше скорость изменения пронизывающего их магнитного потока и тем большая э. д. с. самоиндукции в них индуцируется. Например, э. д. с. самоиндукции е_L возникает в проводнике АБ (см. рис. 54) при изменении протекающего по нему тока i₁.

Рис. 54. Индуцирование э.д.с. в параллельно расположенных проводниках

Рис. 61. Направление э.д.с. самоиндукции в катушке

Рис. 62. Электрическая цепь с катушкой индуктивности (а)

Взаимоиндукцией называется явление индуцирования э. д. с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока, создаваемого другим проводником (катушкой). Индуцируемая таким образом э. д. с. е_М носит название э. д. с. взаимоиндукции. Примером является индуцирование э. д. с. е_М в проводнике ВГ (см. рис. 54) при изменении тока i₁ в

Рис. 54. Индуцирование э.д.с. в параллельно расположенных проводниках

Рис. 55. Способы индуцирования э.д.с. в трансформаторах (а)

Для оценки степени их связи введено понятие взаимоиндуктивности М. Взаимоиндуктивность, так же как и индуктивность L, измеряется в генри (Гн).

Если известна взаимоиндуктивность М, то э. д. с. взаимоиндукции е _M, индуцированная в каком-либо контуре или катушке, при изменении тока i в другом контуре или катушке может быть получена из формулы (e = - ωΔФ/Δt; где ω – число витков в катушке, ΔФ = Ф₁– Ф₂ – изменение магнитного потока, пронизывающего контур (от значения Ф₁до значения Ф₂), Δt – промежуток времени (от момента t₁до момента t₂), в течении которого происходит изменение потока.) для индуцированной э. д. с. При этом

Следовательно, э. д. с. взаимоиндукции так же как и э. д. с. самоиндукции, пропорциональна скорости Δi/Δt изменения тока, создающего магнитное поле. Кроме того, она зависит от числа витков обеих катушек ω₁ и ω₂ и от магнитного сопротивления связывающего их магнитопровода (т. е. от его длины l, поперечного сечения s и магнитной проницаемости). Направление э. д. с. взаимоиндукции определяется по правилу Ленца: она всегда направлена так, что стремится препятствовать изменению создающего ее тока.

Взаимоиндукция дает возможность связывать посредством магнитного поля различные электрические цепи. Явление взаимоиндукции широко используются в трансформаторах, радиотехнических устройствах и устройствах автоматики. Однако в некоторых случаях возникновение э. д. с. взаимоиндукции является нежелательным. Например, э. д. с. взаимоиндукции, индуцированные в линиях связи (телефонных и телеграфных проводах), проложенных вдоль высоковольтных линий электропередачи или вдоль контактной сети электрофицированных железных дорог переменного тока, создают помехи при передаче телефонных или телеграфных сигналов. Поэтому линии связи стремятся располагать перпендикулярно проводам линий электропередачи или выполнять их в виде кабельных линий, защищенных металлическими экранами.

Станина. В машинах постоянного тока станина в первую очередь служит магнитопроводом для магнитного потока главных и добавочных полюсов. Кроме того, на ней крепятся полюса и подшипниковые щиты. Поэтому конструкция станины машин постоянного тока может быть литой из стали, сварной из толстолистовой или шихтованной из электротехнической стали. Станина должна обладать достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. Толщина стенки станины выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую величину магнитной индукции, и должна составлять не менее половины поперечного сечения главных полюсов. Внутренний диаметр станины определяется с учетом необходимости для размещения якоря, главных и добавочных полюсов и их обмоток. В станинах из стального литья, например, у тяговых электродвигателей локомотивов, для которых важную роль играет уменьшение массы, поперечное сечение может быть уменьшено по осям главных полюсов, так как магнитный поток, переходящий с главного полюса на станину, равномерно распределяется по всей ширине полюса.

Для машин постоянного тока с высокими динамическими нагрузками магнитной цепи, например при питании от статических преобразователей, высоких скоростях нарастания тока якоря, а также при быстром нарастании тока возбуждения, необходимо при изготовлении станины использовать шихтованные листы из электротехнической стали.

Часть станины, образующая коллекторное пространство и не являющаяся магнитопроводом, имеет относительно небольшую толщину стенки, необходимую для обеспечения механической прочности. Иногда эта часть электрической машины выполняется в виде отдельных ребер, закрытых тонкостенными кожухами.

Главные полюса. Магнитное поле в машине постоянного тока создается магнитодвижущей силой (МДС) обмотки возбуждения, которая выполняется в виде катушек 3, надетых на сердечники2главных полюсов (рис. 1.6). Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником (башмаком) 4, посредством которого обеспечивается равномерное распределение магнитного потока по поверхности якоря.

Для снижения потерь башмаки шихтуются из электротехнической стали, а сердечники выполняются монолитными. Однако на практике, как правило, не используют составную конструкцию в виде полюсного сердечника 2 и полюсного башмака 4 и шихтуют главный полюс целиком. Такая конструкция обеспечивает уменьшение вихревых токов в сердечнике полюса, возникающих в результате пульсации магнитной индукции в полюсных наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.

Рис. 1.6. Главный полюс машины постоянного тока:

1 - станина; 2 — сердечник полюса; 3 — катушки обмотки возбуждения;

Воздушный зазор под добавочными полюсами значительно больше, чем под главными. Для его регулирования применяются регулировочные пластины из магнитного или немагнитного материала. Окончательная величина воздушного зазора устанавливается при настройке коммутации электрической машины путем построения предельных кривых зоны безыскровой коммутации.

Как правило, в машинах большой мощности воздушный зазор под добавочным полюсом разделяется на две части: сердечник — станина и сердечник — якорь.

Якорь. В машинах постоянного тока якорь состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря имеет форму цилиндра. При изготовлении сердечника используют штампованные листы из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют при помощи лака или бумаги. Собранный сердечник удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. Такая конструкция сердечника якоря дает возможность уменьшить в нем потери энергии от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле.

Для охлаждения машины в сердечниках якоря выполнены вентиляционные каналы. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения и укладывают в пазах сердечника якоря, тщательно изолируя от сердечника. Обмотка якоря состоит из секций, концы которых припаиваются к пластинам коллектора. Для прочного закрепления проводов обмотки в пазах сердечника якоря применяются деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Однако деревянные клинья не обеспечивают надежного крепления, так как при высыхании они уменьшаются в размерах и могут выпасть из паза. В машинах малой мощности пазы не закрывают, а прикрывают сверху бандажом. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы якоря, диаметр углубления под бандаж должен быть меньше диаметра якоря. Бандаж выполняют из стальной проволоки или стеклоткани, наматываемой непосредственно на лобовые части обмотки.

Коллектор состоит из активной части и крепежной конструкции (рис. 1.8). Коллекторные пластины 7выполняют из холоднокатаной (коллекторной) меди и изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита — смеси чешуек слюды и шеллака в качестве связующего компонента (около 5 %).

При повышенных механических и термических требованиях коллекторные пластины изготовляют из меди с добавкой серебра (около 0,1 %) или циркония (около 0,06 %). Оба сплава имеют высокую электропроводность и повышенный предел текучести при повышенной температуре при стабильном пределе прочности на растяжение.

К выступающей части коллекторной пластины (петушок 5) припаивают провода обмотки якоря. Нижний край пластины 7выполнен в виде «ласточкина хвоста». После сборки

Рис. 1.8. Общий вид коллектора машины постоянного тока:

1 — корпус; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция;

Якорные обмотки. Основные понятия и определения.

15. Магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе и нагрузке.

17. Способы устранения вредного влияния реакции якоря.

18. Причины, вызывающие искрение на коллекторе. Прямолинейная коммутация.

19. Пуск в ход двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

21. Регулирование частоты вращения двигателя пост, тока.

22. Двигатель -последовательного возбуждения: схема включения, рабочие, механические регулировочные характеристики.

23. Обратимость машин постоянного тока. Классификация
двигателей по способу возбуждения.

24. Особенности конструкции тяговых электродвигателей (ТЭД) локомотивов

25. Электрическое торможение двигателей постоянного
тока.

26. Принцип действия однофазного трансформатора.

27. Устройство однофазных и трёхфазных трансформаторов, их электрические схемы.

28. ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора.

30. Режим короткого замыкания трансформатора.

31. Схемы соединений обмоток трёхфазных трансформаторов.

34. Принцип действия синхронного генератора.

35. Принцип действия асинхронного двигателя.

36. Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора.

37. Круговое эллиптическое и пульсирующее магнитные поля

38. Устройство синхронного двигателя и особенности его конструкции.

41. Потери мощности и КПД асинхронного двигателя.

42. Синхронные генераторы индукторного типа.

43. Синхронная и асинхронная частоты вращения. Скольжение.

49. Пусковые свойства асинхронных двигателей. Пуск в ход двигателя с короткозамкнутым ротором.

50. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

51. Принцип действия и пуск однофазных асинхронных двигателей.

53. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.

54. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками.

55. Электромашинные преобразователи. Особенности конструкции

56. Электромашинные преобразователи. Особенности конструкции

Вопросы по электрическим машинам (МДК 01.01)

Правило «Правой руки». Элементарный генератор.

Рис. 9.3. Схема простейшего генератора однофазного переменного тока

В обмотки возбуждения полюсов подается постоянный ток от постороннего источника.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: