Электрические машины постоянного и переменного тока — физика — каталог статей — научно-популярный сайт

«Электрические
машины постоянного и переменного тока»

Производство электроэнергии является достаточно легким
процессом, а электродвигатели могут служить для различных целей — от бурения
скважин до обеспечения движения поездов.

(Облака — естественные генераторы электричества. В результате внутреннего трения облака могут наэлектризоваться. В итоге изоляция воздуха может нарушиться, что приведет к электрическому разряду, направленному к земле в виде гигантских искр — молний.)

Введение

Материя
состоит из атомов, которые, в свою очередь, складываются из электрически заряженных час­тиц — протонов и электронов. Еще древние греки знали, что если
потереть янтарь ку­сочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не
понимали причину про­исходящего. На самом деле в результате трения возникало электричество . Обычно в любом веществе находится равное количество отрицательно
и поло­жительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды
уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в резуль­тате трения некоторые
электроны пере­мещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается
равновесие за­рядов: материал, притянувший электро­ны, становится отрицательно
заряжен­ным, а материал, отдавший их — положи­тельно заряженным.

(В машине Уимсхерта металлические пластины на вращающихся стеклянных дисках заряжаются электростатической индукцией, что в итоге приводит к искрению.)

Заряженные предметы

Термины
«электрон» и «электричество» произошли от греческого словаelektron, означающего
«янтарь». Хотя греки сдела­ли важный шаг в направлении крупного открытия,
первая машина, способная вы­рабатывать электричество, была изобре­тена лишь ок.
1650 г. в Германии. Отто фон Герике создал простую машину, включавшую большой
шар из серы. При касании рукой шара, насаженного на вал и вращаемого с помощью
ручки, тот заряжался в результате трения. К 21 в. были изобретены многие
подобные фрикционные генераторы. В
основе работы другого типа генератора лежал принцип электромагнитной индукции — процесса, при котором предмет заряжается от находящегося поблизо­сти
другого заряженного предмета. Такие асинхронные генераторы накапливают
индуцированные заряды для получения высокого напряжения. Подобная машина,
изобретенная Джеймсом Уимсхерстом в 1883 г., по-прежнему используется в ла­бораторных
опытах для получения напряжения до 50000 вольт, а иногда и выше.

(Ток, индуцированный в роторе короткозамкнутого электродвигателя, намагничивает его и заставляет поворачиваться вместе с окружающим его вращающимся полем.)

Мощные электромашины

В
1931 г. Ван-де-Грааф изобрел электроста­тический генератор широкого практичес­кого
применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлический шар
заряд, постепенно увеличивающийся до нескольких миллионов вольт. Генера­тор
Ван-де-Граафа используется при испы­таниях изоляторов и другого оборудова­ния,
рассчитанного на высокие напряже­ния, а также в ядерных исследованиях, при этом
высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц. Хотя
фрикционные и асинхронные ма­шины могли создавать высокое напряже­ние, они не
годились для выработки силь­ного постоянного тока. Данная проблема была решена
в конце 1790-х гг., когда ита­льянский ученый Алессандро Вольта изоб­рел первую
батарею . Впоследствии она была усовершенствована, что позволило, начиная с
конца XIX в., использовать элек­тричество для
освещения .Хотя
батареи являются удобным и мно­гоцелевым источником электроэнергии, они
постепенно разряжаются и нуждают­ся в замене или подзарядке. Эксперименты, проведенные в начале XIX в.,
привели к созданию современных генераторов.

(Синхронный двигатель, создающий вращающиеся магнитное поле, за которым следует ротор — как один магнит следует за другим.)

Эрстед
и Ампер

В 1819 г. датский
профессор Ханс Эрстед сделал открытие: текущий по проводу электрический ток
заставлял отклоняться стрелку магнитного компа­са. Так Эрстед открыл явление
электро­магнетизма — магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г.
французский ученый Андре Ампер продемонстриро­вал связанное с этим механическое
вза­имодействие токов: при пропускании электрического тока через провод, на­ходящийся
рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода, — и установил закон
этого взаимодействия. Этот принцип лежит в основе электри­ческого двигателя:
преобразование эле­ктрической энергии в механическую. Опыты Ампера были чрезвычайно интересны,
но не имели практического применения. Провод просто немного сдви­гался при
появлении тока. Но в том же году английский ученый Майкл Фарадей создал машину,
которая с помощью электричества обеспечивала длительное дви­жение. Нижний
конец подвешенного провода помещался в сосуд с ртутью, в центре которого
находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом
провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.

(У линейного, как и у асинхронного двигателя, статор открыт и вытянут в линию. Здесь вместо вращения ротора металлическая пластина перемещается вдоль этой линии непосредственно над магнитным полем.)

Электромагнитная
индукция

Открытое Фарадеем явление
электромаг­нитной индукции, названное им «электри­ческим вращением », легло в
основу прин­ципа работы современных электродвига­телей. Первый
электродвигатель, нашед­ший практическое применение, был изоб­ретенизоб­ретен
в 1837 г. американским инженеромТомасом Давенпортом. Он
использовал два таких двигателя: для работы сверлиль­ного и
деревообрабатывающего станков. Изучив электричество как движущую
силу, Фарадей начал искать пути преображение образования механической энергии в элект­рическую.
В 1831 г. он показал, что пере­мещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызывало прохождение электротока через подключенный к ней измерительный
прибор. При этом сила тока была намного выше, чем в случае одинарного провода.

(Двигатель постоянного тока изменяет направление тока ротора для поддержания его вращения.)

Электроснабжение

Фарадей первым использовал
электромаг­нитный эффект для производства элект­ричества. К концу 1870-х гг.
появились мощные генераторы, а в 1881 г. заработала первая электростанция
в Годалминге (Анг­лия). Она же стала и первой в мире
гидро­электростанцией , так
как генератор при­водился в движение водяной мельницей.У
электрических двигателей и генера­торов много общего, и некоторые маши­ны могут
выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка
крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между полюсами
подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, на­магничиваясь
при прохождении через нее электрического тока. Находящийся внутри катушки
железный сердечник уси­ливает создаваемый магнитный эффект.

(Генераторы переменного тока на ГЭС работают от гидроприводных турбин. Показанные здесь турбины установлены на одной из ГЭС в Шотландии.)

Двигатели
постоянного тока

Электрический ток от батареи или
друго­го источника, движущийся только в од­ном направлении, называется постоян­ным
током. Если батарея подключена ккатушке простого электродвигателя, ка­тушка намагничивается, при этом
на про­тивоположных ее концах возникают два полюса — отрицательный и положитель­ный.
Поскольку противоположные полю­сы взаимно притягиваются, северный и южный
полюсы катушки стремятся, соот­ветственно, к южному и северному полю­сам
постоянного магнита. Эти силы при­тяжения заставляют катушку вращаться вокруг
своей оси, и вскоре ее полюсы располагаются у противоположных полюсов
постоянного магнита.Однако в этот момент
автоматическое переключающее устройство (коллектор) направляет ток в
противоположную сто­рону. Коллектор простого электродвига­теля постоянного тока
состоит из медно­го кольца, разрезанного пополам и кре­пящегося (с прокладкой
из диэлектрика) на оси ротора. Концы катушки подключа­ются к двум половинкам
кольца. Ток про­ходит через катушку и попадает на пару угольных контактов —
щеток, касающих­ся противоположных сторон коллектора.При вращении ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими
сторонами катушки.Автоматическая
коммутация Благодаря автоматической
коммутации магнитные полюсы катушки изменяются на противоположные при
достижении полюсов постоянного магнита. Теперь они уже не разноименные, а
одноимен­ные полюсы по отношению к ближайшим полюсам магнита. Так как
одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее
полюсы при­тягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита. Вращающаяся часть электрической ма­шины называется ротором (или якорем),
а неподвижная — статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок
катушки служит ротором, а постоянный магнит — статором.В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного
магнита служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называютсяобмоткой возбуждения.

(Фарадей использовал подобный прибор, чтобы показать, что при перемещении магнита возле катушки возникает электрический ток.)

Двигатели
переменного тока

Переменный ток периодически меняет направление, обычно 50 или 60 раз в секунду.
Некоторые двигатели переменного тока имеют
ротор , на который ток подавался через коллектор, как в двигателях постоянного
тока. Но у многих двигателях этого типа вообще нет соединений
с ро ром. Их действие основано на принципе
индукции. Проходящий через статор ременный ток создает вращающееся магнитное поле, как было бы в случае вращения
постоянного магнита. Это движущееся поле заставляет ток течь в
направлении обмоток ротора, намагничивая
его. В результате ротор вращается, так как
его полюсы вынуждает двигаться по кругу
вращающееся вокруг ротора магнитное поле. Часто
ротор состоит из медных и алюминиевых стержней, концы которых
соединяют два металлических кольца.
Ротор в сборе похож на клетку, и кие машины называют двигателя с «беличьей
клеткой», или короткозамкнутыми двигателями.

(На большинстве электростанций используются паровые турбины для работы генераторов переменного тока. Тепло, необходимое для превращения воды в пар, можно получать с помощью ядерной реакции или путем сжигания топлива.)

Синхронные
двигатели

В индукционных (асинхронных) двигателях ротор вращается медленнее, чем движущееся вокруг него магнитное пол< синхронных двигателях ротор поворачивается одновременно с полем. В простых синхронных двигателях ротор состоит из одного или нескольких постоянных магнитов. Их полюсы притягиваются к одноименным полюсам вращающегося iмагнитного поля, поэтому они вращают одинаковой скоростью. Иногда вместо постоянных магнитов в роторах используются электромагниты, но принцип боты остается неизменным. В другом из синхронных двигателей используют скачки переменного тока для создания магнитного поля, которое пошагово вращает ротор с зубчатым колесом.Большинство электродвигателей со ют вращательное движение. Но у некоторых из них обмотки статора открыты и расположены на одной линии, благо/ чему создается магнитное поле, движущееся линейно вместе с проводниковым материалом. Такие двигатели называются линейными асинхронными. Они исполь­зуются для открывания раздвижных дверей, транспортировки багажа в аэро­портах, в скоростных поездах.

Генераторы

Если ротор простого
электродвигателя по­стоянного тока вращать вручную, двига­тель будет работать
как генератор. В катуш­ке возникает переменное напряжение, до­стигающее пиковых
величин, когда ее по­люсы проходят полюсы постоянного маг­нита. Затем
напряжение падает до нуля и меняет свое направление, достигая макси­мума, когда
полюсы катушки проходят противоположные полюсы постоянного магнита. Можно
подключиться к катушке, соединив концы двух сплошных медных колец (называемых
контактными кольца­ми), находящихся на оси ротора. Угольные щетки трутся об эти
кольца и снимают переменное напряжение, в результате чего пои подключении к
электрической цепи возникает переменный ток. Такой генера­тор относится к
генераторам переменного тока, т. е. электрическим машинам, выраба­тывающим
переменный ток.

(У стационарного генератора переменного тока три отдельных обмотки статора, в которых вырабатывается электричество. Переменный ток в каждой обмотке достигает пиковой величины в разное время. Автомобильный генератор (внизу) соединен с двигателем ремнем, проходящим через приводной шкив.)

Динамо-машины

Если же используется
коллектор (как в электродвигателе постоянного тока), он постоянно будет
изменять соединения между катушкой и щетками, что препятст­вует переменам
напряжения в катушке. В результате, вместо переменного тока по щеткам будет
протекать пульсирующий постоянный ток. Генераторы, вырабатыва­ющие постоянный
ток таким образом, называются динамо-машинами. В
большинстве динамо-машин для со­здания необходимого магнитного поля
используется не постоянный, а электро­магнит. Однако сердечник электромагни­та
немного намагничен, и силы его поля достаточно, чтобы машина начала выра­батывать
электричество при включении. Затем часть выработанного тока прохо­дит через
обмотку электромагнита для усиления его магнитного поля и увеличе­ния объема
электроэнергии. Некоторые генераторы переменного тока (например, автомобильные)
выра­батывают постоянный ток благодаря встроенным выпрямителям — устройст­вам,
допускающим течение тока только в одном направлении. В большинстве генераторов
переменно­го тока — от служащих для подзарядки ак­кумуляторов автомобилей до
гигантских машин, вырабатывающих электричество для питающей сети — катушки
имеются и на роторе, и на статоре, причем именно ротор создает магнитное поле.
Относи­тельно слабый ток проходит через обмот­ки возбуждения на роторе по
щеткам и контактным кольцам, а более сильный вы­рабатываемый ток отбирается
непосредст­венно со статора. Это позволяет избежать потерь мощности и искрения,
возможных при отборе сильного вырабатываемого то­ка с ротора посредством колец
и щеток.

Источник: //ingenious.ucoz.ru/publ/fizika/ehlektricheskie_mashiny_dvigateli_i_generatory_peremennogo_toka/2-1-0-35