Дополнительный материал

Дополнительный материал

1. Работа электрических двигателей. 

  Работа любого электрического двигателя основана на явлении электромагнитной индукции. На проводники обмотки с током, помещенные в магнитное поле, действует сила Ампера, создающая вращающий момент и раскручивающая ротор.

Работа машины постоянного тока характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов – механического и электромагнитного, а также взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря. Электрическая энергия в двигателе преобразуется в механическую работу и частично тратится на нагревание проводника.

Демонстрация устройства машины постоянного тока.

Электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора (статора) и якоря (ротора), разделенных воздушным зазором, а также станины.

Сравнение статора и ротора двигателя переменного тока с индуктором и якорем.

Демонстрация индуктора машины постоянного тока.

Индуктор  служит для создания магнитного поля машины и состоит из станины, магнитопровода и полюсов. Станина служит для крепления полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины. Магнитное поле индуктора может быть создано и постоянными магнитами, расположенными на полюсах.

Демонстрация якоря машины постоянного тока.

Якорь  состоит из магнитопровода, собранного  из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком; рабочей обмотки из медного провода, уложенной в пазы  и коллектора служащего для подвода к  обмотке постоянного тока. Обмотки якоря пропитывают лаком для механической прочности, лучшей изоляции и влагостойкости. Для стабильного вращения якорь балансируют.

Демонстрация коллектора и щеток машины постоянного тока.

Коллектор представляет собой цилиндр из текстолита напрессованый на вал якоря, и изолированных друг от друга медных пластин-ламелей. К ламелям припаяны концы секций обмотки якоря. Количество ламелей должно соответствовать числу обмоток. Подача тока на коллектор осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором.

Щетки бывают графитовые или медно-графитовые, закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора.

Обратимость машин постоянного тока.

Машины постоянного тока обратимы, т. е. они могут работать в качестве генератора и в качестве двигателя, в зависимости от условий эксплуатации.

2. Генератор постоянного тока – это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую для дальнейшего использования во внешнем контуре. Источником механической энергии в таком случае может служить любое механическое усилие: вращение специальной ручки, подключение двигателя к прибору. Нужно отметить, что подавляющая часть квартир и домов в черте любого города снабжается при помощи именно таких генераторов, только промышленного типа.

Фото — генератор постоянного тока

Электрический генератор тока может действовать полностью противоположно. Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется посредством электродвигателя. Многие моторы оснащаются ручным (механическим) приводом, которые при правильном подключении могут преобразовать энергию и сети в обратном направлении.

Принцип работы и устройство

Генератор постоянного тока состоит из двух основных частей – это статор и ротор. Прочие детали:

1.      Корпус: внешняя рама генератора. Зачастую изготовлен из чугуна или стали. Корпус обеспечивает механическую прочность для всей конструкции генератора (или электродвигателя). Он также передает магнитный поток, создаваемый полюсами;

2.      Магнитные полюсы. Соединяются с корпусом при помощи винтов или болтов, на них размещается обмотка;

3.      Статор, остов или ярмо изготавливается из ферромагнитных сплавов, на эту деталь устанавливается катушка возбуждения. Сердечники оснащены полюсами, которые помогают определить направление потока заряженных частиц. Именно магнитные наконечники образовывают магнитное поле, необходимое для работы устройства;

4.      Ротор: якорь генератора. Сердечник собирается из отдельных стальных пластин, это помогает увеличить КПД генератора и уменьшить образование вихревых токов. При установке пластин образуются впадины, в которые наматывается обмотка якоря или обмотка самовозбуждения;

5.      Коммутатор и щетки. Щетки изготавливаются из графита, при этом их в генераторе как минимум две. Узнать число щеток можно при помощи подсчета полюсов – этот показатель идентичен.

Фото — конструкция якоря постоянного генератора

Для соединения выводов контура используются коллекторные пластины, их производятся из меди, которая известна, как отличный проводник электрических сигналов.

Принцип действия генератора постоянного тока базируется на формуле:

e = B*l*v

Согласно ему, когда проводник движется в магнитном поле (что позволяет сократить магнитные силовые линии), ЭДС индукции динамически производится в проводнике. Величина генерируемого ЭДС может быть задана при помощи уравнения генератора постоянного тока .

Одной из основных функций устройства для преобразования переменного тока является генерирование ЭДС в постоянный ток. Направление генерируемого ЭДС будет меняться через каждый проводник, через который энергия проходит при вращении ротора. При помощи коммутатора, на выходе генератора образуется постоянный поток заряженных частиц. Выходной сигнал при этом имеет вот такой вид:

Фото — выходной сигнал генератора постоянного тока

Типы

Существуют такие типы генераторов постоянного тока: с самовозбуждением и работающие по принципу независимого включения (схема ниже). Способы возбуждения зависят от типа питания устройства. Самовозбуждающийся электрогенератор работает от наружных источников, это может быть аккумуляторная батарея или ветрогенератор. Также внешняя система возбуждения часто реализовывается на магнитах (в основном на устройствах с низкой мощностью, до нескольких десятков ватт).

Возбуждение независимого генератора производится за счет питания от обмотки прибора. Эти устройства также делятся на виды:

1.      Шунтовые или параллельного возбуждения;

2.      Последовательные.

Первые отличаются параллельным включением обмотки якоря с обмоткой возбуждения, вторые, соответственно, последовательным подключением этих деталей.

Якорная реакция

Это довольно частое явление в режиме холостого хода генератора. Оно характеризуется наложением результирующих магнитных полей статором и ротором, что снижает напряжение и уменьшает магнитное поле. Вследствие, падает электродвижущая сила устройства, наблюдаются перебои в работе, синхронный генератор даже может перегреться или загореться из-за искр, которые появляются от неправильного трения щеток.

Фото — полюсы генератора

При этой неисправности можно сделать следующее:

1.      Компенсировать магнитное поле при помощи дополнительных полюсов. Это поможет справиться с падением этой характеристики в отдельных точках схемы;

2.      Часто ремонт осуществляется простым сдвигом коллекторных щеток.

Назначение

В отличие от генераторов переменного тока, устройства с постоянным типом электроэнергии нуждаются в источнике бесперебойного питания, постоянно направляющего ток DC в обмотку якоря. Из-за этого область применения таких приборов довольно узкоспециализированная, в данный момент они мало где используются.

https://youtu.be/XnWZSH14vGg               принцип работы генератора

Часто их используют для питания электрического транспорта в городах. Также генераторы постоянного тока применяют для работы электрического автомобиля, мотоцикла или как судовые возбудители или сварочные инверторы. Они применяются как тихоходные двигатели для ветряков.

Генератор дизельный постоянного тока может использоваться как электродвигатель для мощных промышленных машин (тяговый трактор, комбайн и прочие) и тахогенератор. При этом для управления трактора требуется мощный агрегат, у которого технические характеристики не уступают показателям 300 – 400 кВт. При этом дизель может заменить также газ.

Достоинства генератора постоянного тока:

1.      В отличие от прибора переменного типа, не теряет энергию на гистерезисе, а также на вихревых токах;

2.      Может работать в экстремальных условиях;

3.      Имеет относительно легкий вес и небольшую конструкцию;

У такого устройства есть и недостатки. Главным является необходимость во внешнем источнике питания. Но иногда данная особенность используется как регулятор электрической машины.

3."Нет стремления более естественного, чем стремление к знанию." - М.Монтень

БОРИС ЯКОБИ

"РАБОТЫ ВЕЛИЧАЙШЕГО МАСШТАБА"

Не ждите никаких приключений, путешествий. Не будет трагедий, неожиданных поворотов судьбы. Признан при жизни, знаменит, богат. Кажется, все не очень интересно, иногда просто скучно, а жизнь, если приглядеться, поучительная. Мориц Герман Якоби имя это носил до тридцати четырех лет, потом стал Морицем Семеновичем, а потом, пожалуй уже после смерти,— Борисом.

Он родился, вырос, учился и работать начал в Германии, но был, подобно швейцарцу Эйлеру,
истинно русским не только по адресу основных трудов своих, но и по темпераменту, образу мыслей, всему восприятию действительности. И вовсе не в том дело, что он принял русское подданство, он принял характер. Якоби считал Россию «вторым отечеством, будучи связан с ней не только долгом подданности и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина».
Если говорить формально, он был как раз тот чужеземец, от засилья которых извечно страдала Российская академия наук, с которыми воевал Ломоносов, позднее Бутлеров, еще позднее Столетов.

С немцами русская Академия наук боролась лет двести. Но жестокой несправедливостью было бы валить в кучу иноземных паразитов и очевидных бездарностей, которым с удивительным постоянством благодетельствовала семья Романовых, и людей более чем достойных, руководствуясь лишь их происхождением. Германия его не поняла, идеи молодых его лет, и идеи прекрасные, не оценила, и в Россию он уехал без сожаления, без печали, сначала в Дерпт, потом в Петербург. В это время горел он яростным нетерпением построить невиданную электрическую машину, и, что редко случается в судьбе ученых, ожидание его сразу и быстро начало осуществляться. Быстрее, чем он мог мечтать.

У него был ясный, деятельный, реалистический немецкий мозг. Все известные ему достижения науки моментально стремился воплотить он в практику, слова — в цифры, формулы — в схемы, представить отвлеченное в нечто железное, крутящееся, вертящееся. Кулибин верил в вечный двигатель, Якоби сразу сказал: «Чепуха». Водяные колеса хороши, но диктуют строителю место фабрик. Мощь паровой машины обкрадена шкивами, ремнями, она громоздка. Электричество — вот где успех! Фарадей в Англии доказал, что движение в самой его природе. Механический электрический двигатель — «магнитная машина»!

Паровую машину делали на глазок, по наитию. И Уатт и Ползунов в теории были людьми темными, да и теории еще не было: термодинамика родилась вослед паровому двигателю. Она объяснила, что, зачем и почему в готовой, давно работающей машине. В электричестве все не так. Электрическая цепь — цепь ярких предвидений: Гальвани, Вольта, Ампер, Фарадей, величайший Максвелл, на бумаге предваривший радио, телевидение за многие десятилетия до их рождения. Все понимали: магнетизм должен работать, крутить, вертеть, толкать, но как? Сладкий ладан триумфа паровой машины кружил головы изобретателям. Мозг их не мог расстаться с гипнозом поршня, все первые «магнитные машины» строились против своей природы: возвратно поступательными. Якоби стал первым, который построил машину по принципу вращения и теоретически вращение это обосновал. Он никогда не блуждал в потемках, точно знал, зачем идет, где и что отыщет.

Первый «магнитный аппарат» Якоби построил в мае 1834 года. В ноябре написал о нем в Париж, а 1 декабря рассказал на заседании Академии наук в Петербурге. Уже 3 декабря (и нынче только позавидовать можно такой оперативности) его труд «Применение электромагнетизма для приведения в движение машин» был опубликован. Из Дерпта Бориса Семеновича вызывают в Петербург, повышают оклад с 2500 до 12 тысяч рублей в год и выделяют 50 тысяч на продолжение работ. Якоби составляет подробную записку, министр Уваров прилагает проект будущих изысканий, и Николай I размашисто визирует: «Исполнить». Образуется Комиссия по приложению электромагнетизма к движению машин по способу профессора Якоби. В комиссии виднейшие ученые: И. Ф. Крузенштерн, П. Л. Шиллинг, Э. X. Ленц, В. М. Остроградский. Трудно найти в истории русской науки другой пример столь очевидного и быстрого благо-приятствия. Сразу ему дан размах небывалый, государственный, сравнить который в наши дни возможно, пожалуй, лишь с историей становления атомной науки. Задача, которую ставил перед собой Якоби, была понятна даже невеждам: двигатель, способный сокрушить пар! Власть над движением, самобеглые экипажи и морские электроходы превращались в реальность.
И не только сомнительные лавры европейского жандарма, но престиж научный, ореол монарха просвещенного витал перед взором Николая, требовавшего «исполнить».

Якоби понимал, что начинает он работу небывалого масштаба. Он писал: «Изобретение всякого нового двигателя и даже хотя бы усовершенствование существующих конструкций может рассматриваться не просто как любительское открытие, а как событие мирового значения». Он сделал все, что мог сделать. Лодка с его электрическим двигателем шла против невской волны, все кричали «ура!», а он чувствовал, что дело плохо, что впереди пути нет. Он смотрел очень далеко вперед, этот дальнозоркий немец, но не видел вблизи самого главного, простого секрета всех своих возможных побед. И не он один — все! Удивительно, но ошибались все, во всех странах, многие годы.
Все делали ставку на гальванические батареи, и никто не мог понять, что нужен генератор, что двигатель и генератор — близнецы, даже сиамские близнецы, которым не жить друг без друга. Якоби не понял что, сконструировав свою машину, он уже создал, по существу, столь необходимый ему источник тока. Он не понял того, что сделал. Вернее, не до конца понял. «Гальванические приборы могли повергнуть в отчаяние!» — читаешь у Якоби, и в это время хочется крикнуть: «Борис Семенович, да бросьте вы эти батареи к дьяволу! Смотрите, как все просто...»

Освободиться от чар поршня он мог, но отказаться от батарей не сумел. Многие годы трудов сотен людей потребует эта простая и великая истина. Но и заблуждением своим он был счастлив. Ведь именно благодаря батареям открыл он гальванопластику, соединив науку с искусством, и частной этой, в общем-то, мимоходом сделанной работой обессмертил себя.

Скачано с www.znanio.ru