Как преобразовать механическую энергию в электрическую
Перейти к содержимому

Как преобразовать механическую энергию в электрическую

  • автор:

Преобразование механической энергии в электрическую и обратно

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин — генераторов, преоб­разующих механическую энер­гию в электрическую, и дви­гателей, преобразующих элек­трическую энергию в механи­ческую.

Обратимся к рис. 95. В магнитном поле между полю­сами N и S помещен прямо­линейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендику­лярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э. д. с. . Если концы проводника замкнуты на внешнее со­противление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по на­правлению с э. д. с. Е.

Рис. 95. Преобразование механической энергии в электрическую

Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:

где V — напряжение на зажимах, В;

r — сопротивление проводника, Oм;

I·r — падение напряжения в проводнике, В.

Умножая почленно выражение (а) на I, получим

Учитывая, что и имеем

где РМЕХ = Е·I — механическая мощность, преобразуемая в элек­трическую;

РЭЛ = U·I — электрическая мощность, отдаваемая во внеш­нюю цепь;

ΔР = I 2 r — потери мощности (в виде тепла) в сопротивле­нии проводника.

Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энер­гии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом NS. Если проводник неподвижен, то энергия ис­точника напряжения расхо­дуется исключительно на на­грев проводника:

Затрачиваемая мощность будет равна

откуда определяем ток в цепи:

Однако известно, что про­водник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремя­щейся перемещать проводник в магнитном поле в направле­нии, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э. д. с. Направление этой э. д. с, определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э. д. с. ЕОБР. Величина ЕОБР согласно закону электромагнитной индукции будет равна

Рис. 96. Преобразование электрической энергии в механическую

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем

откуда ток в цепи

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, дви­жущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.

Умножая почленно выражение (б) на I, получим

Учитывая, что и имеем

Последнее выражение показывает, что при движении провод­ника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в ме­ханическую происходит в электрических двигателях.

Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как дви­гатель.

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

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

E=Blv sin а, (21)

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.

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.

Преобразование электрической энергии в механическую

Процесс преобразования электрической энергии в механическую

Определение 1

Электроэнергия – это физический термин, который распространен в быту и технике и применяется для определения количества электрической энергии, получаемой конечным потребителем из сети или выдаваемой генератором в электрическую сеть.

Определение 2

Механическая энергия – это физическая скалярная величина, которая является мерой всех форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода материи из одной формы в другую.

Чтобы подробно рассмотреть процесс преобразования электрической энергии в механическую рассмотрим рисунок, который представлен ниже.

Статья: Преобразование электрической энергии в механическую

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Рисунок 1. Процесс преобразования электрической энергии в механическую. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Электрический ток, который протекает по проводнику взаимодействует с магнитным полем магнита, вследствие чего возникает электромагнитная сила — Fэм. Направление данной силой определяется по правилу левой руки. Благодаря ее действию проводник перемещается с некоторой скоростью v и таким образом электроэнергия тока источника питания преобразуется в механическую энергию движения проводника под действием силы Fэм. В данном случае уже электромагнитная сила является движущей. Противодействие оказывается механической энергией, например, силой трения. При движении проводником пересекаются магнитные линии и согласно явлению электромагнитной индукции в нем наводится электродвижущая сила Е. Ее направление определяется по правилу правой руки, в рассматриваемом случае оно противоположной силе тока I. Электродвижущая сила, которая направлена навстречу электрическому току называется встречной или противоэлектродвижущей силе. Встречное направление электродвижущей силы является признаком того, что электрическая энергия потребляется потребителем. Допустим, что сопротивление проводника принято за R0, тогда электрическое напряжение на его концах при встречной электродвижущей силе может быть рассчитано следующим образом:

Начинай год правильно ��
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

Электрические машины, предназначение которых заключается в преобразовании электрической энергии в механическую называются двигателями.

Электрический двигатель

Определение 3

Электрический двигатель – это электромеханический преобразователь — являющаяся основным элементом электрического привода электрическая машина, в которой электроэнергия преобразуется в механическую энергию.

Основными составляющими электродвигателя являются статор — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть. У большинства двигателей ротор находится внутри статора. Если у электродвигателя ротор располагается снаружи, то он называется двигателем обращенного типа. В основу действия электрических двигателей положен принцип электромагнитной индукции. На двигателях постоянного тока малой мощности в качестве индуктора используется пара постоянных магнитов. Ротор может быть:

  • короткозамкнутым:
  • фазным — используется в случае необходимости уменьшения пускового тока и регулировки частоты вращения двигателя. В большинстве случаев это крановые двигатели, используемые в крановых установках.

Электрические двигатели делятся на:

  1. Двигатели постоянного тока, в которых переключение фаз происходит в самом двигателе. Данный тип двигателя подразделяется на несколько подклассов по следующим признакам: способ переключения фа и наличие обратной связи — вентильные и коллекторные двигатели; тип возбуждения — машины с самовозбуждением и с независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
  2. Двигатели пульсирующего тока, питание которых происходит пульсирующим электрическим током. По своей конструкции данный тип двигателя близок к конструкции машин постоянного тока. Основное конструктивное отличие заключается в наличии дренирования вставки в остове, дополнительных шихтованных полюсах, большем количестве пар полюсов, компенсационной обмотки. Двигатели пульсирующего тока используются на электровозах в совокупности с установками выпрямления переменного тока.
  3. Двигатели переменного тока, питание которых осуществляется переменным током. По принципу работы они делятся на асинхронные и синхронные. Основное отличие заключается в следующем: в синхронных двигателях первая гармоникамагнитодвижущей силы статора двигается со скоростью вращения ротора, а в асинхронных всегда присутствует разница между скоростями вращения магнитного поля в статоре и вращения ротора. Синхронные машины делятся на двигатели с постоянными магнитами, реактивные, гибридные, шаговые, гистерезисные и реактивно-гистерезисные. Асинхронные двигатели делятся на одно-, двух-, трех и многофазные.

В современной промышленности наиболее распространены асинхронные электродвигатели. Они являются машинами переменного тока, в которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания.

Преобразование механической энергии в электрическую

Электрические машины, которые предназначены для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами.

Устройство, которое вырабатывает переменный ток, называют генератором переменного тока.

Принципиальная основа генератора переменного тока

Конструкция генераторов электрического тока в настоящее время основывается на использовании явления электромагнитной индукции.

В генераторах энергия механического движения трансформируется в энергию электрического тока, так сторонние электродвижущие силы (ЭДС) обладают механической природой.

ЭДС можно получить двумя способами:

  1. если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
  2. вращаться станет магнитное поле, а катушка будет неподвижна.

Статья: Преобразование механической энергии в электрическую

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Допустим, что переменный ток получают при вращении катушки в стационарном магнитном поле. Для упрощения будем полагать, что в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящая рамка (один виток). При этом:

  • площадь рамки составляет $\Delta S$,
  • скорость ее вращения $\omega$,
  • угол между нормалью к плоскости рамки $\vec n$ и вектором магнитной индукции $\vec B$ составляет $\alpha$.

Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:

$Ф’=B\Delta S cos (\alpha) (1).$

В каждый момент времени $t$ положение витка по отношению к вектору магнитной индукции задается при помощи угла $\alpha = \omega t$. В этом случае выражение (1) можно представить как:

$Ф’=B\Delta S cos (\omega t) (2).$

В соответствии с законом электромагнитной индукции в нашем витке появляется ЭДС индукции, равная:

$\epsilon_i’=-\frac=B\Delta S \omega sin (\omega t) (3).$

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

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

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

Начинай год правильно ��
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

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.

Замечание 1

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *