Содержание материала

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электродвигателем называется машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую.
Электродвигатели основаны на принципе взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Если внести проводник с током в магнитное поле, то в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника. В результате будет иметь место искривление магнитных силовых линий и проводник будет выталкиваться.
Направление выталкивания проводника определяется по правилу "левой руки"— силовые линии входят в ладонь, а четыре пальца располагаются по направлению тока, тогда большой отогнутый палец покажет направление выталкивания проводника.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератором называется такая машина, которая преобразовывает механическую энергию в электрическую. Все генераторы основаны на принципе электромагнитной индукции, который заключается в следующем: если движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или когда движущееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник, то в проводнике наводится ЭДС, которую называют индуктированной ЭДС. Это явление носит название электромагнитной индукции.
Проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если изменять ток в проводнике, изменять направление тока в нем или разрывать и замыкать электрическую цепь, питающую проводник током, то магнитное поле, окружающее проводник, будет изменяться. Изменяясь, магнитное поле проводника пересекает свой же проводник и наводит в нем индуцированную ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции. В генераторах якорь с обмоткой вращается первичным двигателем в магнитном поле полюсов NS электромагнита.
Электродвижущая сила, индуцируемая в проводниках обмотки якоря, при помощи коллектора и щеток отводится во внешнюю сеть.

В качестве первичного двигателя можно применить двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и др. Для определения направления индуцированной ЭДС в проводнике служит правило «правой руки»: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец показывал направление движения проводника, то четыре входящих пальца будут показывать направление индуцированной ЭДС в проводнике.    

Рис. П.1. Принцип действия электродвигателя

На рис. П.1 показана схема, поясняющая принцип действия электродвигателя постоянного тока. Магнитное поле создается полюсами 1 и 2 электромагнита NS. Проводники, по которым пропускается ток, расположены в пазах стального якоря 3. Если пропустить по проводникам верхней половины якоря ток в направлении «от себя» а в нижней половине якоря — «к себе», то по «правилу левой руки» проводники верхней половины якоря будут выталкиваться из магнитного поля влево, а проводники нижней половины — вправо. Так как проводники якоря лежат в его пазах, то, выталкиваясь из магнитного поля, они будут поворачивать якорь.
Из рисунка видно, что если проводник с направлением тока «от себя» перейдет вниз и станет против южного полюса электромагнита, то он начнет выталкиваться влево, что будет тормозить стремление якоря поворачиваться. То же самое случится, если проводник с направлением тока «к себе» из нижней половины якоря перейдет наверх и станет против северного полюса электромагнита. Поэтому нужно, чтобы, как только проводник перейдет нейтральную линию, в нем изменялось направление тока. В электродвигателях постоянного тока это достигается с помощью специального устройства — коллектора 4, к которому подведены концы проводников якоря.

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Действие всякой многофазной машины переменного тока основано на использовании действия вращающегося магнитного поля.
Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, число оборотов которого в минуту определяется из соотношения n1=60f/p, где f1— частота тока, р — число пар полюсов машины.
Если ротор вращается со скоростью n2, равной скорости вращения магнитного поля (n2=n1), т. е. синхронно, с полем, то такая скорость называется синхронной. Если скорость ротора не равна скорости вращения магнитного поля (n2≠n1), то такая скорость называется асинхронной. У асинхронного двигателя скорость вращения ротора n2 меньше скорости вращения магнитного поля n1, т. е. n2<n1. В этом заключается основное принципиальное отличие асинхронных машин от синхронных (у которых скорость вращения ротора всегда равна скорости вращения магнитного поля статора).
Работа асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля трехфазной обмотки статора, получаемого при пропускании по ней трехфазного переменного тока и токов, индуцированных в роторе.
Основными частями асинхронного двигателя являются статор, ротор и щеточный механизм. Статор — неподвижная часть двигателя, на которой размещается обмотка, питаемая трехфазным током. Концы трех однофазных обмоток выводятся на общий клеммник, укрепленный снаружи на корпусе двигателя. Так как по обмоткам статора протекает переменный ток, то по его стальным пластинам будет проходить переменный магнитный поток. Для уменьшения вихревых токов, возникающих в статоре, его делают из отдельных штампованных листов специальной стали толщиной 0,35—0,5 мм. Отдельные листы для изоляции друг от друга покрывают лаком или прокладывают между ними тонкую бумагу. Собранный сердечник статора укрепляют в чугунном корпусе двигателя.
Ротор — вращающаяся часть двигателя, собирается также из отдельных листов специальной стали. Ротор может быть фазным или короткозамкнутым. Вал ротора вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах.
В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создается вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться, (направление перемещения проводника, а следовательно, и ротора определяется по «правилу левой руки»).
Отношение числа оборотов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора n1—п2 к числу оборотов поля статора n1 в пространстве называется скольжением двигателя, т. е. оно определяет степень отставания ротора от вращающегося магнитного поля статора. Скольжение S равно (n1—n2)/n1 и обычно измеряется в процентах, т. е. S=[(n1—n2)/n1]·100. У асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет порядка 3—5%.
Трехфазные асинхронные двигатели делятся на двигатели с фазным и с короткозамкнутым ротором. У обоих двигателей устройство статора одинаковое, а устройство ротора различное. Электродвигатель с фазным ротором имеет ротор, на котором так же, как и на статоре, помещены три фазовые обмотки, соединенные между собой «звездой». Концы фазовых обмоток присоединены к трем кольцам. К щеткам колец подключается пусковой реостат, которым ограничивается величина пусковых токов. В пазах короткозамкнутого ротора укладываются массивные стержни, соединенные с торцовых сторон медными кольцами (обмотка по типу «беличьего колеса»). В настоящее время асинхронные двигатели выполняются преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях используется фазная обмотка ротора.
Принципиально асинхронные двигатели можно включить непосредственно в сеть переменного тока, но при этом будет иметь место высокая кратность пускового тока (до 7 раз). Это объясняется тем, что при неподвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с большой скоростью, равной скорости вращения магнитного поля в пространстве, и индуцирует в этой обмотке ЭДС. При увеличении скорости вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС и тока в обмотке ротора. Это в свою очередь вызывает уменьшение тока в статорной обмотке.
Большой пусковой ток нежелателен как для двигателей (из-за чрезмерного нагрева обмоток), так и для питающей двигатель внешней сети (производит понижение напряжения, которое оказывает влияние на работу других приемников энергии, включенных в ту же сеть). Непосредственное подключение двигателей к сети допускается только в том случае, когда мощность двигателя намного меньше мощности, источника тока, питающего сеть.
Все приспособления, служащие для запуска асинхронных двигателей, имеют назначение уменьшить пусковой ток двигателя. Для уменьшения пускового тока двигателя с фазовым ротором обмотку ротора замыкают иа активное сопротивление, называемое пусковым (или реостатом). Перед включением двигателя пусковой реостат должен быть включен на его максимальное сопротивление. В процессе разгона двигателя можно постепенно уменьшать величину сопротивления реостата. После достижения ротором нормальной скорости обмотку ротора необходимо замкнуть накоротко (по окончании пуска).
Пусковое сопротивление (реостат) рассчитано на кратковременный режим работы, поэтому если оставить его включенным длительное время, то оно выйдет из строя (перегорит).
Для уменьшения пускового тока короткозамкнутых асинхронных двигателей используются следующие основные способы:

  1. Включение пускового сопротивления в цепь обмотки статора, что способствует уменьшению магнитного потока статора и уменьшению индуцированных в роторе токов, от чего вращающий момент двигателя резко увеличивается.
  2. Переключение обмотки статора со схемы «звезда» на схему «треугольник». Этот способ применим только для тех двигателей, которые нормально работают при соединении обмоток статора по схеме «треугольник». При пуске обмотка статора с помощью коммутирующего аппарата соединяется по схеме «звезда», а как только двигатель разовьет максимальное число оборотов для данного соединения, производится переключение обмотки в схему «треугольник». При этом способе пуска двигателя пусковой ток уменьшается в 3 раза.

Включать двигатели, у которых разомкнуты фазовые обмотки ротора, не допускается, так как в этом случае будет иметь место большой бросок тока, а иа концах обмоток ротора возникают значительные напряжения.
Направление вращения ротора асинхронного двигателя зависит от направления движения вращающегося магнитного поля статора, поэтому для изменения направления движения вращающегося магнитного поля статора (реверсирования) нужно поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя. Реверсирование может осуществляться реверсивным магнитным пускателем, контроллером и т. д.

УСТРОЙСТВО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Генераторы служат для преобразования механической энергии в электрическую энергию трехфазного переменного тока. Генераторы работают на принципе электромагнитной индукции, поэтому для получения в них индуцированной ЭДС нужны магнитное поле, проводник и движение одного проводника относительно другого.
Синхронный генератор, как и всякая электрическая машина, состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, укрепленных на статоре. Проводники — обмотки, в которых индуцируется ток, помещаются на роторе. Ротор должен приводиться во вращение первичным двигателем.
При вращении ротора генератора его обмотка пересекает магнитное поле статора и в ней в результате электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС; обмотка ротора с помощью колец и щеток присоединяется к линии, идущей к потребителю. Индуцированная ЭДС в роторе вызывает переменный ток в цепи нагрузки. Устройство синхронного генератора данного типа показано на рис. П.2а, где А — обмотка ротора; NS — полюса электромагнитов с обмоткой возбуждения В; С — статор.
Данный тип синхронного генератора имеет неподвижные магнитные полюса и подвижную обмотку ротора. Поэтому этот тип генератора называется генератором с неподвижным магнитным полем. Как известно, индуцированная ЭДС наводится в проводнике не только тогда, когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле, но также и тогда, когда неподвижный проводник пересекается движущимся или изменяющимся магнитным полем.
Это явление используется в синхронных генераторах другого типа, в которых магнитное поле также создается электромагнитами, но последние расположены на роторе и вращаются вместе с ним. Поэтому и сами генераторы получили название генераторов с подвижным магнитным полем. Вращаясь, магнитное поле ротора пересекает обмотку, расположенную неподвижно в пазах статора машины и наводит в ней индуцированную ЭДС. Обмотка статора в этом случае не подвергается действию толчков и сотрясений, ее удобнее и легче изолировать. Устройство синхронного генератора данного типа показано иа рис. П.26, где NS — полюса электромагнитов с обмоткой возбуждения В, расположенные на роторе; С — статор с расположенными на нем «неподвижными» проводниками.
Питание обмоток электромагнитов может производиться от источника постоянного тока, например, от небольшого генератора постоянного тока (возбудителя), устанавливаемого на одном валу с генератором. Для возбуждения синхронного генератора с неподвижным магнитным полем постоянный ток подается на статор в обмотку возбуждения генератора. Для возбуждения синхронного генератора с подвижным магнитным полем постоянный ток подается на ротор в обмотку возбуждения генератора через щетки и кольца.

Рис. Π.2. Синхронный генератор:
а — с неподвижным магнитным полем; б — с подвижным магнитным полем

Разместив на статоре двухполюсного генератора с подвижным магнитным полем три одинаковые обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°, можно получить от генератора трехфазный переменный ток.
В синхронных генераторах процесс преобразования механической энергии в электрическую происходит при синхронной скорости.
Если для питания нагрузки мощности одного синхронного генератора недостаточно, то параллельно ему можно включить другой синхронный генератор. Для параллельного включения генераторов необходимо соблюсти следующие условия: напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению работающей машины; оба напряжения должны иметь одинаковую частоту; оба напряжения должны совпадать по фазе и последовательность чередования фаз обоих напряжений должна быть одинаковой. Подготовка генераторов к параллельной работе называется синхронизацией.
Напряжение на выходе синхронного генератора можно изменять путем изменения тока возбуждения генератора.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигателем внутреннего сгорании (ДВС) называется двигатель, в котором сгорание топлива, выделение теплоты и преобразование тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочих цилиндров.
Преобразование тепловой энергии в механическую в ДВС осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания сначала поршню и далее при помощи кривошипно-шатунного механизма — коленчатому валу двигателя.
По способу приготовления горючей смеси (смесеобразования) различают: двигатели с внешним смесеобразованием, в которых горючая смесь образуется вне рабочего цилиндра в специальных приборах—карбюраторах; двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно, а горючая смесь образуется внутри цилиндра в момент подачи в него топлива (дизели). По способу воспламенения рабочей смеси различают: двигатели с принудительным зажиганием горючей смеси от электрической искры (карбюраторные); двигатели с воспламенением смеси от высокого сжатия (дизельные).
Степенью сжатия называется отношение полного объема цилиндра к объему над поршнем при его нахождении в крайнем верхнем положении. Степень сжатия показывает во сколько уменьшается объем рабочей смеси или воздуха, поступивших в цилиндр при их сжатии. С повышением сжатия увеличивается давление газов на поршень и снижаются тепловые потери (увеличивается экономичность), т. е. снижается расход топлива и повышается мощность двигателя.
Максимальная степень сжатия, достигаемая в карбюраторных двигателях, равна 6—8, она ограничивается детонацией или взрывным горением рабочей смеси. В дизельных двигателях достигается значительно большая степень сжатия 12—18. Дизельные двигатели при небольших габаритных размерах имеют высокую экономичность, достаточную надежность и безотказный пуск.
По способу осуществления рабочего цикла различают двухтактные и четырехтактные двигатели. Под тактом понимают ход поршня от одного крайнего положения до другого, во время которого происходит один или несколько процессов рабочего цикла. Рабочий цикл — это совокупность нескольких тактов (двух или четырех), которые осуществляются за один или два оборота коленчатого вала. В двухтактных двигателях все процессы рабочего цикла осуществляются за два хода поршня или один оборот коленчатого вала, в четырехтактных — за четыре хода поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала. При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательное движение и занимает в цилиндре различные положения. Крайнее верхнее положение поршня в цилиндре называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Рабочий процесс четырехтактного дизеля показан на рис. П.3. Первый такт (рис. П.3а) — всасывание свежего воздуха, происходит при перемещении поршня вниз от ВМТ до НМТ. Впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Во время перемещения поршня вниз в цилиндре создается разряжение и наружный воздух поступает в цилиндр и заполняет его.
Второй такт (рис. П.3б) — сжатие, начинается при обратном ходе поршня от НМТ и ВМТ, оба клапана закрыты. Воздух в цилиндре сжимается до давления 35—40 кг/см2 и нагревается до температуры 500—600°С и выше.

Рис. П.3. Рабочий процесс четырехтактного дизеля:
а) — впуск; б) — сжатие; в) — рабочий ход; г) — выпуск

В конце второго такта в цилиндр с помощью топливного насоса через форсунку впрыскивается распыленное жидкое топливо с некоторым опережением, т. е. за 10—20° до ВМТ, для того, чтобы топливо начало воспламеняться вблизи ВМТ. Распыленное топливо, соприкасаясь с распыленным воздухом, воспламеняется.

Третий такт (рис. П.3в) — расширение или рабочий ход. Во время этого такта происходит горение топлива и расширение продуктов сгорания. Горение топлива сопровождается выделением большого количества тепла. Оба клапана закрыты. Давление газов в цилиндре достигает 60—100 кг/см2, температура газа 1600—2000°С. Высокое давление расширяющихся газов перемещает поршень от ВМТ к НМТ. К концу расширения давление газов снижается до 30—40 кг/см2, а температура до 600—700°С.
Четвертый такт (рис. П.3г) — выпуск. В конце рабочего хода, вблизи от НМТ, открывается выпускной клапан, внутренняя полость цилиндра сообщается с атмосферой, отработавшие газы выталкиваются в окружающую среду поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ.
Температура отработавших газов — 350—450°С, давление 3—4 кг/см2.
Дизельные двигатели имеют следующие преимущества перед карбюраторными: вследствие повышенной степени сжатия расход топлива примерно на 25% меньше, чем у карбюраторных; возможность использования тяжелых сортов топлива, которое дешевле стоимости бензина; меньшая опасность возникновения пожара.

Дизельные двигатели широко применяются в качестве первичных двигателей стационарных и передвижных дизельных электростанций.