Генераторы и двигатели постоянного тока что это такое - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Генераторы и двигатели постоянного тока что это такое

Электрогенератор

Электрический генератор (от латинского — «производитель») — устройство, вырабатывающее электрическую энергию, то есть преобразующее механическую энергию в электрический ток.

Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.

Принцип работы первого генератора

В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.

Как работает электрогенератор?

Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.

Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.

Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.

Современный водяной двигатель

В современных водяных двигателях колесо с лопастями заменено более скоростной водяной турбиной (образовано от слова «турбо» — «вихрь»). Чаще всего она имеет спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Вода поступает в широкий конец кожуха. Так как «коридор», по которому она течет, все время сужается, ее напор увеличивается.

Затем усиленный поток воды поступает на вогнутые лопатки турбины, которая расположена в центре «улитки», и вращает ее. Так энергия потока воды преобразуется в механическую работу.

Электричество из воды

В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.

Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.

Гидроэлектростанции-гиганты

Одна из самых мощных в мире гидроэлектростанций была построена в Китае на реке Янцзы и получила название «Три ущелья». Ее бетонная плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Общая мощность электрогенераторов станции составляет почти 23 МВт (1 МВт = 1 млн Вт). За год они вырабатывают около 100 млрд кВт/ч электроэнергии.

Лишь немногим меньше электроэнергии вырабатывает гидроэлектростанция «Итайпу», расположенная на реке Парана (на границе Бразилии и Парагвая), которая имеет самую большую плотину. Высота этого гигантского сооружения достигает 196 м, а длина — 7235 м.

В.1. Принцип действия электрических генераторов и двигателей

Николаева, С. И.

Электрические машины и трансформаторы: учеб. пособие / С. И. Николаева. – Волгоград : ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. –112 с.

Рассмотрены конструкция, принцип работы, характеристики и особенности применения трансформаторов, машин постоянного и переменного тока. Приведены примеры расчета трехфазных трансформаторов, двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей.

Может быть рекомендовано к использованию при изучении курсов «Электромеханические системы», «Общая электротехника», «Электротехника и электроника» студентами технических специальностей высших учебных заведений, а также при выполнении разделов курсовых и дипломных работ.

Ил. 53. Библиогр. 6 назв.

ISBN 978–5–9948–0695–1 © Волгоградский государственный

технический университет, 2011


ВВЕДЕНИЕ

В.1. Принцип действия электрических генераторов и двигателей

Электрические машины широко распространены в различных отраслях народного хозяйства, энергетике, быту. Связано это с их высокими энергетическими показателями, удобством обслуживания и управления. Существует большое разнообразие электромашин по назначению, принципу действия, мощности, размерам.

Электрические машины – это электромеханические преобразователи, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую (электрические двигатели) или механической – в электрическую (электрические генераторы).

В основе принципа действия электрических генераторов лежит закон электромагнитной индукции:

(1)

Читать еще:  Ваз 21099 прыгает стрелка тахометра двигатель работает ровно

Согласно этому закону при вращении проводника в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС е. B – индукция магнитного поля в точке расположения проводника, l – активная длина проводника (длина проводника, на протяжении которой он находится в магнитном поле), – скорость движение проводника в магнитном поле. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.

Для увеличения ЭДС в магнитном поле располагают не один, а ряд последовательно соединенных проводников, которые образуют обмотку. Обмотка располагается на сердечнике, выполненном из стали. Та часть машины, на которой располагается обмотка, в которой индуцируется основная ЭДС, называется якорем, а сама обмотка – обмоткой якоря. По обмотке якоря протекает ток нагрузки.

Магнитное поле электрической машины сосредоточено в магнитной системе, которая выполняется из ферромагнитных материалов. Это позволяет получить более сильное магнитное поле. Конструктивно магнитная система электрической машины состоит из вращающейся части и неподвижной части , между которыми имеется воздушный зазор (рис. 1). Неподвижная часть магнитной системы вместе с размещенной на ней обмоткой и корпусом, называется статором. Вращающаяся часть магнитной системы с обмоткой называется ротором. Ротор вращается в подшипниках.

1 – статор, 2 – ротор, 3 – подшипниковые щиты, 4 – подшипники

Рис. 1. Магнитная система трансформатора

В зависимости от назначения и типа машины обмотка якоря может располагаться на роторе или на статоре. Ротор вращается в подшипниках. Тогда на другой части машины располагается обмотка возбуждения, создающая магнитное поле в машине. В генераторах ротор приводится во вращение посторонним двигателем (турбиной), который называется приводным двигателем. Если к обмотке якоря подключить внешнее сопротивление, то по обмотке потечет ток и машина будет отдавать электрическую энергию в нагрузку.

Электродвигатели конструктивно устроены так же, как и электрогенераторы. Для работы машины в режиме двигателя необходимо подвести напряжение к обмотке якоря. Тогда по проводникам обмотки якоря потечет ток, при взаимодействии которого с магнитным полем возникает момент, приводящий во вращение ротор двигателя. Направление вращения определяется правилом левой руки.

Электрические генераторы являются основными источниками электрической энергии. Электрические двигатели приводят в движение станки, транспортные средства и другие механизмы. Более половины всей вырабатываемой электрической энергии потребляют электродвигатели.

Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает, что взаимное преобразование энергии может происходить в любом направлении, то есть, по принципу действия электрическая машина может работать как в режиме генератора (если к ней подводится механическая энергия, преобразуемая в электрическую), так и в режиме двигателя (если к машине подводится электрическая энергия для преобразования в механическую). Вместе с тем конструктивно любая машина предназначена для работы в каком-то одном режиме.

АВТОЭЛЕКТРИК

С НОВЫМ ГОДОМ!

  • Главная
  • Статьи
  • Схемы
  • Книги
  • Сигнализации
  • Подогреватели
  • Легковые
  • Грузовые
  • Контакты

Воспользуйтесь схемой для самостоятельного подключения прицепа к автомобилю

Схема доработки дворников на автобусах Нефаз. Включение прерывистого положения.

Коды ошибок для двигателей CUMMINS ISBe И ISDe СМ 2150

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

Простейший генератор и электродвигатель

Простейший генератор. Конструкция простейшего генератора (рис. 1) постоянного тока представляет собой рамку 2, вращаемую посторонней силой между полюсами 4 и 6 электромагнита.

Рис.1 Схема простейшего генератора постоянного тока

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) 8 и 9 коллектора и щётки 7 и 10 отводится во внешнюю цепь 1. После того как рамка пройдёт горизонтальное положение, полукольца коллектора поменяются местами, и ток во внешней цепи сохранит своё 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 не заметной, 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 числов витков обмотки. При этом и обмотки 3 и 5 возбуждения электромагнитов направляется ток от самого генератора. Такие генераторы называются генераторами с самовозбуждением .

Рис. 2 Схема простейшего генератора однофазного переменного тока.

Простейший генератор (рис. 2) однофазного переменного тока в отличии отгенератора постоянного тока вместо коллектора имеет контактные кольца 8 и 9, ток с которых снимается щётками 10 и 11. Каждое из этих колец при любом положении рамки 2 постоянно соединено с одним и тем же проводом внешней цепи 1. Поэтому при вращении рамки 2 ток меняется не только по величине (от максимума до 0), но и по направлению.

Читать еще:  Электро схема машины газ 31105 с двигателем крайслер

В обмотки 3 и 7 возбуждения полюсов 5 и 6 подаётся постоянный ток от постоянного источника 4.

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

Простейший электродвигатель

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то в результате взаимодействия поля проводника и поля магнита 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 электродвигателей, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую.

Рис. 3 Схема простейшего электродвигателя постоянного тока:
а — взаимодействие магнитного поля с полем магнита; б — схема электродвигателя

Конструкция простейшего электродвигателя (рис. 3) постоянного тока представляет собой виток провода в виде рамки 2, помещённой между полюсами 1 и 3 постоянного магнита (рис. 3 а) или полюсами 1 и 3 электромагнита (рис 3 б) с катушками 8 и 9 обмотки возбуждения.

При пропускании через рамку 2 постоянного тока её верхний провод в силу взаимодействия магнитных полей тока и магнита будет выталкиваться вправо, а нижний — влево (см. рис. 3 а). В результате рамка повернётся по часовой стрелке.

Когда рамка достигнет горизонтального положения, направление тока в ней при помощи коллектора, состоящего из двух полуколец 5 и 6 (см. рис. 3 б) и скользящим по ним щёткок 4 и 7, изменится на обратное, а рамка продолжит своё вращение по часовой стрелке.

В реальных конструкциях электродвигателей, в том числе и в автомобильных стартерах, для повышения равномерности вращения и получения необходимого крутящего момента вместо рамки из одного витка между полюсами помещают обмотку из нескольких десятков витков. Такая обмотка помещается на сердечнике якоря. Наличие сердечника позволяет уменьшить воздушный промежуток между полюсами и избежать нежелательного ослабления магнитного поля.

Рис. 4 Схемы, поясняющие явление взаимо- и самоиндукции.

Если две обмотки располжить на сердечнике недалеко друг от друга и по обмотке 1 (рис. 4 а) пропустить постоянный электрический ток, прерывая его прерывателем Пр, то вокруг сердечника будет то возникать, то исчезать магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля, пересекая витки вторичной обмотки 2 будут индуктировать в них э.д.с. взаимоиндукции , так как э.д.с. индуктируется не только при перемещении проводника в магнитном поле, но и при всяком изменении этого поля.

Э.д.с. взаимоиндукции возврастает при увеличении числа витков вторичной обмотки, при более сильном магнитном поле первичной обмотки и более быстром исчезновении магнитного поля. На принципе взаимоиндукции работают катушки зажигания автомобилей.

При замыкании и размыкании контактов прерывателя Пр витки обмотки 1 также пересекаются магнитными силовыми линиями и в обмотке 1 индуктируется э.д.с. самоиндукции .

Э.д.с. самоиндукции действует против тока при замыкании контактов прерывателя Пр (рис. 4 б), замедляя нарастание силы тока в обмотке. При размыкании контактов прерывателя Пр э.д.с. самоиндукции действует в направлении движения тока (рис. 4 в) и создаёт искру между контактами.

Таким образом, возникновение э.д.с. самоиндукции в первичной обмотке влечёт за собой снижение э.д.с. во вторичной обмотке. Для ликвидации вредного действия э.д.с. самоиндукции параллельно контактам включают конденсатор, который способствует увеличению э.д.с. во вторичной обмотке и уменьшению подгорания контактов прерывателя.

Генераторы и двигатели постоянного тока что это такое

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (рис. 6-12, а). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.

Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 6-12, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 6-12, в) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (рис. 6-12, г.)

Читать еще:  Чем промывать двигатель для перехода на другое масло

Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток значение которого может быть определено по закону Ома:

Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение — порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10—30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен

Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1-1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции S, полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС

вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т. е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением

Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (6.19) представим в следующем виде:

Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции 8 и падением напряжения на сопротивлении якоря

Умножив обе части уравнения (6.20) на получим:

В этом новом уравнении (6.21) левая часть представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части мощность, поглощаемую сопротивлением якоря (электрические потери в якоре). Очевидно, что член представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности» которая преобразуется в механическую (включая механические потери).

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре преобразование (полезное) отсутствует хотя потребляемая из сети мощность максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя потребляемая из сети мощность уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля

Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение (6.19) значение ЭДС из соотношения (6.7). После преобразования получим:

Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна

подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).

Действительно, если при установившемся токе в якоре и скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (6.20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и для генератора (6.13).

Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector