Рис.1. Структурная схема генератора переменного тока.
Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
17. Электродинамические силы в проводниках с током.
????????????????????????????????????????????????????????????????
18. Устройство электромагнита, сила притяжения.
Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.
Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов — обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железоникелевых и железокобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов.
Выделяют три типа электромагнитов по способу создания магнитного потока.
Нейтральные электромагниты постоянного тока
Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.
Поляризованные электромагниты постоянного тока
Присутствуют два независимых магнитных потока — поляризующий и рабочий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины магнитного потока, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.
Электромагниты переменного тока
В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. Широко применяют в электротехнике начиная от бытовой техники до плит электромагнитных для станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.
19. Направление линий индукции в замкнутых и разомкнутых магнитопроводах.
Магнитная индукция
При движении любых заряженных частиц возникает магнитное поле, которое действует на движущиеся электрические заряды, в частности на проводник с током. Взаимодействие магнитного поля с движущимися зарядами или с проводниками, по которым протекает ток, осуществляется посредством сил, называемых электромагнитными.
Интенсивность магнитного поля в точке пространства характеризуется магнитной индукцией, которую обозначают символом B.
Магнитная индукция представляет собой силовую характеристику магнитного поля в соответствующей точке. За единицу магнитной индукции в СИ (SI) принята магнитная индукция поля, в котором на рамку площадью 1 м2 при протекании по ней тока 1 А действует со стороны поля момент сил Ммакс = 1 Н·м.
• Единица измерения магнитной индукции - тесла (Тл; T).
Магнитная индукция - величина векторная, т. е. характеризуется численным значением и направленностью.
Магнитное поле графически изображают при помощи линий магнитной индукции. Линией магнитной индукции (магнитной линией) называется такая линия, касательная к которой в любой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Магнитные линии используют для указания направления магнитного поля и характеристики его интенсивности. Чем больше интенсивность магнитного поля (индукция), тем чаще проводят эти линии.
|
| Магнитные линии прямолинейного проводника с током имеют вид концентрических окружностей, центры которых расположены на оси проводника. Направление магнитных линий вокруг проводника с током определяют по мнемоническому правилу буравчика, которое заключается в следующем (рис. 1). Если буравчик расположить так, чтобы он ввинчивался в проводник по направлению тока, то направление вращения его рукоятки будет соответствовать направлению магнитных линий.
Направление магнитных линий вокруг катушки с током (соленоида) определяют также по правилу буравчика (рис. 2). При этом нужно совместить оси буравчика и катушки и вращать рукоятку буравчика в направлении тока в витках катушки. Поступательное движение буравчика укажет направление линий магнитной индукции.
|
Рис. 1 Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током по правилу буравчика |
| Рис. 2 Определение направления магнитных линий вокруг соленоида |
Магнитную индукцию B (Тл) в точках, расположенных на расстоянии r (м) от оси бесконечно длинного прямолинейного проводника с током I (А), рассчитывают по формуле
B = μa(I/2πr),
где μa - абсолютная магнитная проницаемость (характеристика магнитных свойств среды).
Магнитную индукцию на осевой линии в центре цилиндрической катушки с током, длина которой намного больше её диаметра, рассчитывают по формуле
B = μa(Iw/l),
где w - число витков катушки.
Произведение силы тока на число витков катушки (Iw) называют магнитодвижущей силой, она измеряется в ампер-витках (А·в). Произведение магнитной индукции B и площади F, перпендикулярной вектору магнитной индукции, называют магнитным потоком; обозначают символом Φ: Φ = BF.
• Единица измерения магнитного потока - вебер (Вб; Wb).
Магнитное поле, во всех точках которого векторы магнитной индукции равны по значению и параллельны друг другу, называют однородным. Магнитное поле, созданное одним и тем же током, при прочих равных условиях различно по интенсивности в различных средах ввиду различных магнитных свойств этих сред.
Магнитная проницаемость
Магнитные свойства среды характеризует абсолютная магнитная проницаемость.
• Единица измерения абсолютной магнитной проницаемости - генри на метр (Гн/м; H/m).
Абсолютную магнитную проницаемость вакуума принято называть магнитной постоянной
μ0 =4 π ·10−7 Г/м.
Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данной среды больше или меньше магнитной постоянной (абсолютной магнитной проницаемости вакуума), называется относительной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью: μ = μa/μ0. Это величина безразмерная.
Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость меньше единицы, называют диамагнитными. В них магнитное поле слабее, чем в вакууме. Такими веществами являются водород, вода, кварц, серебро, медь и др.
Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость немного больше единицы, называются парамагнитными; в них магнитное поле несколько сильнее, чем в вакууме. К таким веществам относятся воздух, кислород, алюминий, платина и др.
Для диамагнитных и парамагнитных веществ значение магнитной проницаемости не зависит от напряженности внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество.
Особую группу образуют ферромагнитные вещества (железо, сталь, никель, кобальт и некоторые сплавы), магнитная проницаемость которых достигает нескольких десятков тысяч. Эти материалы, обладающие свойствами намагничиваться и резко усиливать магнитное поле, широко применяют в электротехнике (в электромагнитах, электрических машинах, трансформаторах, электроизмерительных приборах, реле и др.).
Катушка с железным сердечником называется электромагнитом.
Для характеристики магнитного поля наряду с вектором магнитной индукции B пользуются величиной, называемой напряженностью магнитного поля - H. Она характеризует интенсивность так называемого внешнего магнитного поля (без учета магнитных свойств среды). Напряженность магнитного поля - векторная величина.
Направление вектора напряженности магнитного поля в изотропной среде, т. е. в среде, имеющей одинаковые свойства по всем направлениям, совпадает с вектором магнитной индукции в данной точке поля.
Напряженность магнитного поля H и магнитная индукция B связаны зависимостью H = B/μa.
• Единица измерения напряженности магнитного поля - ампер на метр (А/м; A/m).
Сильно выраженные магнитные свойства ферромагнитных материалов объясняются наличием в них самопроизвольно намагниченных очень малых областей (доменов), которые можно представить в виде маленьких магнитиков.
При отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном веществе в целом не обнаруживаются магнитные свойства, так как магнитные поля доменов имеют различную ориентацию и их суммарное магнитное поле равно нулю. Когда ферромагнитный материал помещают во внешнее магнитное поле, например в катушку с током, то под действием внешнего поля домены поворачиваются в направлении внешнего поля. При этом магнитное поле катушки с током резко усиливается и магнитная индукция B возрастает. Если внешнее поле слабо, поворачивается, только часть доменов, магнитные поля которых по своему направлению близки к направлению внешнего поля. По мере усиления внешнего поля количество повернутых доменов возрастает и при некотором значении напряженности H внешнего поля практически все домены оказываются повернутыми так, что их магнитные поля располагаются по направлению поля. Такое состояние называется магнитным насыщением.
Зависимость магнитной индукции B ферромагнитного материала от напряженности H намагничивающего (внешнего) поля можно выразить в виде графика, который называется кривой намагничивания.
Кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов, приведенные на рис. 3, показывают, что с увеличением напряженности H магнитная индукция B сначала быстро возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением намагничивающего (внешнего) поля появляется и усиливается собственное магнитное поле ферромагнитного материала, которое образуется повернутыми элементарными магнитиками. В месте изгиба кривой скорость роста магнитной индукции уменьшается. За изгибом, когда напряженность поля достигает некоторого значения, наступает насыщение и кривая незначительно поднимается, переходя в прямую линию. На этом участке магнитная индукция продолжает увеличиваться, но уже очень медленно, и только за счет увеличения напряженности внешнего магнитного поля.
|
Графически зависимость B от H - не прямая линия, следовательно, отношение B/H = μa непостоянно, т. е. магнитная проницаемость ферромагнитного материала не является постоянной величиной, а зависит от напряженности намагничивающего поля.
Гистерезис
Если в обмотке катушки с ферромагнитным сердечником увеличивать силу тока до полного магнитного насыщения, а затем уменьшать ее, то кривая намагничивания не совпадет с кривой размагничивания (рис. 4). При напряженности, равной нулю, магнитная индукция не равна нулю, а имеет, некоторое значение B0, которое называется остаточной магнитной индукцией. Явление отставания магнитной индукции B от намагничивающей силы H называется гистерезисом.
Чтобы полностью размагнитить ферромагнитный сердечник, в катушке нужно создать ток обратного направления, который создал бы напряженность, равную отрезку Hc. Для различных ферромагнитных материалов этот отрезок имеет различную длину. Чем больше этот отрезок, тем больше требуется энергии на размагничивание.
Значение Hc напряженности поля обратного направления, при котором произойдет полное размагничивание сердечника, называется коэрцитивной (задерживающей) силой.
Если и дальше увеличивать ток в катушке, то индукция снова возрастет до значения, насыщения (−Bн), но с измененным направлением магнитных силовых линий. Размагничивая в обратном направлении, получим остаточную индукцию (−B0). Увеличивая ток через катушку в первоначальном направлении, снова придем в точку а. Кривая абвгджа называется циклической кривой перемагничивания, или петлей гистерезиса. Энергию, расходуемую на циклическое перемагничивание, называют потерями на гистерезис.
Явление остаточного магнетизма используется при изготовлении постоянных магнитов из материалов, обладающих большим остаточным магнетизмом (магнитно-твёрдые материалы).
Из материалов, способных легко перемагничиваться (магнитно-мягкие материалы), изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов.
Правило левой руки
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует электромагнитная сила
F = BIlsinα,
где B - магнитная индукция поля, Тл; I - ток в проводнике, А; l - активная длина проводника, м; α - угол между направлениями тока в проводнике и вектором магнитной индукции поля.
Сила, действующая на проводник с током, имеет направление, которое можно определить по так называемому правилу левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы магнитные линии входили в нее и четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике (рис. 5), то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током. Эта сила перпендикулярна вектору магнитной индукции и току.
|
Движущийся в магнитном поле проводник с током является прообразом электрического двигателя, в котором электрическая энергия превращается в механическую.
Закон электромагнитной индукции
При движении в магнитном поле в проводнике индуктируется электродвижущая сила, значение которой (B) пропорционально магнитной индукции, активной длине проводника и нормальной (к полю) составляющей скорости его движения, т. е.
E = Blvsinα,
где B - магнитная индукция, Тл; v - скорость движения проводника, м/с; l - активная длина проводника (часть проводника, находящаяся в магнитном поле), м; α - угол между векторами скорости и магнитной индукции поля.
Эта зависимость носит название закона электромагнитной индукции.
Для определения направления индуктированной ЭДС в прямолинейном проводнике применяют правило правой руки (рис. 6): если расположить ладонь правой руки так, чтобы магнитные линии входили в неё, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца покажут направление индуктированной ЭДС.
Движущийся в магнитном поле под действием внешней механической силы проводник представляет собой простейший электрический генератор, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую.
Закон электромагнитной индукции формулируется и по-другому: в замкнутом контуре индуктируется ЭДС при всяком изменений магнитного потока, охватываемого этим контуром. ЭДС, индуктированная в контуре, численно равна скорости изменения магнитного потока, охватываемого этим контуром:
e = −ΔΦ/Δt.
Эта формула дает среднее значение ЭДС за время Δt и показывает, что ЭДС зависит не от абсолютного значения магнитного потока, а от скорости его изменения.
Закон Ленца
При наличии нескольких витков, пронизываемых одним и тем же магнитным потоком, индуктированную ЭДС рассчитывают по формуле
e = −w(ΔΦ/Δt).
Эта формула выражает закон Ленца: индуктированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей возникновение ЭДС.
Если витки катушки пронизываются различными по значению магнитными потоками, то индуктированная во всей катушке ЭДС равна сумме ЭДС, индуктированных в отдельных витках катушки:
eк = −(ΔΦ1/Δt+ΔΦ2/Δt+…+ΔΦw/Δt).
Сумму магнитных потоков отдельных витков катушки называют потокосцеплением:
Ψ = Φ1+Φ2+…+Φw.
• Единица изменения потокосцепления, как и магнитного потока, - вебер (Вб; Wb).
Если электрический ток в контуре изменяется, то изменяется и созданный им магнитный поток. При этом по закону электромагнитной индукции в проводнике индуктируется ЭДС. Поскольку она возникает вследствие изменения тока в самом проводнике, то это явление названо самоиндукцией, а индуктируемая в проводнике ЭДС названа ЭДС самоиндукции.
Магнитный поток и потокосцепление зависят не только от силы тока в проводнике, но и от формы и размеров этого проводника, а также от магнитной проницаемости окружающей его среды. Между потокосцеплением и током существует следующая зависимость:
Ψ = LI,
где L - коэффициент пропорциональности.
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью проводника. Он характеризует свойство проводника образовывать потокосцепление при прохождении по нему тока. Это один из главных параметров электрических цепей.
Для определённой цепи индуктивность - величина постоянная. Она зависит от геометрических размеров контура, его конфигурации и магнитной проницаемости окружающей среды, но не зависит ни от силы тока в контуре, ни от магнитного потока.
Индуктивность катушки тем больше, чем больше площадь ее сечения и чем больше она содержит витков, вследствие того что оба эти условия увеличивают магнитный поток через катушку при одном и том же токе в ней. Очень сильно возрастает магнитный поток через катушку, если в неё вставить железный сердечник. Поэтому катушка с железным сердечником обладает гораздо большей индуктивностью, чем такая же по размерам катушка без сердечника.
• Единица измерения индуктивности - генри (Гн; H)
Генри - это индуктивность проводника, в котором ток силой 1 А возбуждает магнитный поток 1 Вб: 1 Гн = 1 Вб/1 А.
ЭДС самоиндукции определяют по формуле
eL = −ΔΦ/Δt,
где ΔΦ/Δt - скорость изменения магнитного потока.
Если взять два или больше электрически не связанных замкнутых контура и по одному из них пропустить ток, то в других контурах будет индуктироваться ЭДС. Это явление получило название взаимоиндукции.
В электрических приборах и аппаратах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями изменяющегося по значению магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции. Под действием ЭДС в массе металлической детали возбуждаются вихревые токи (токи Фуко), которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.
Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые по закону Ленца противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.
Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечники катушек индуктивности, а также магнитопроводы электрических машин и аппаратов изготовляют в виде пакетов из листов электротехнической стали. Листы изолируют друг от друга специальными лаками.
20. Принцип работы и устройство 3фазного асинхронного двигателя.Скольжение
Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя
Неподвижная часть асинхронного двигателя – статор имеет трехфазную обмотку, при включении которой в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля
n1=f1∙60/p.
В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя – ротор, который состоит из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора состоит из стержней, уложенных в пазы сердечника и замкнутых с двух сторон кольцами.
Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них э. д. с. Но так как обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы Fпр, направление которых определяется по правилу «левой руки». Силы Fпр стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fпр, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение со скоростью n2. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую.
Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависит от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. При необходимости изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя следует поменять местами любую пару проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Например, порядок следования фаз АВС заменить порядком СВА. Скорость вращения ротора n2асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля n1, так как только в этом случае возможно наведение э.д.с. в обмотке ротора. Разность скоростей ротора и вращающегося поля статора характеризуется величиной, называемой скольжением,
s=(n1 - n2)/n1.
Часто скольжение выражается в процентах:
s=[(n1 - n2)/n1]∙100.
Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в пределах от 0 до 1. При этом s≈0 соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя не испытывает противодействующих моментов, а s≈1 соответствует режиму короткого замыкания, когда противодействующий момент двигателя превышает вращающий момент и поэтому ротор двигателя неподвижен (n2=0).
Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Так, например, для двигателей нормального исполнения мощностью от 1 до 1000 кВт номинальное скольжение приблизительно составляет соответственно 0,06-0,01, т.е. 6-1%.
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя равна
n2=(1-s)∙n1.
На щитке двигателя указывается номинальная скорость вращения nн. Эта величина дает возможность определить синхронную скорость вращения n1, номинальное скольжение sн, а также число полюсов обмотки статора 2р.
21. Способы получения вращающегося магнитного поля.
Рассмотрим систему трех одинаковых обмоток, размещенных симметрично в пространстве таким образом, что их оси находятся под углами 2/3=120° друг к другу. Обычно такая система обмоток располагается на статоре электрической машины. На рис. 10.5 изображено поперечное сечение статора, в пазах на поверхности которого размещены проводники обмоток, перпендикулярные к плоскости рисунка. Обмотка фазы А с прямыми токами в проводниках группы А и обратными токами в проводниках группы А ' создает магнитное поле, линии индукции BA 0 которого совпадают по направлению с изображенной на рис. 10.5 осью обмотки АА'. Аналогично обмотка ВВ ' создает поле, индукция которого имеет направление ВB 0, а обмотка СС ' — поле В C 0.
Рис. 10.5 | В конструктивном отношении обмотки, предназначенные для создания вращающегося поля, выполнены несколько сложнее, чем это показано на рисунке. Специальный способ размещения проводников отдельных обмоток на статоре позволяет получить на поверхности статора синусоидальное пространственное распределение индукции от каждой обмотки. Описывая положение точки на поверхности статора угловой координатой , для пространственного распределения поля фазы А можем записать BA () = BA 0cos , |
где BA 0 — максимальное значение индукции, достигаемое на оси обмотки. Учитывая пространственное расположение обмоток всех трех фаз на статоре, для результирующего значения индукции, используя принцип наложения, получим
В() == ВA () + ВB () + ВC () = BA 0 cos + BA 0 cos ( + 2/3) + BA 0 cos (2/3).
Если токи в обмотках фаз образуют симметричную трехфазную систему, то при симметрии конструкции статора и обмоток значения индукции на осях обмоток, обусловленные токами фаз, также будут образовывать симметричную систему:
BA 0(t) = Вm sin t; BB 0(t) = Вm sin ( t 2/3); BC 0(t) = Bm sin ( t + 2/3).
Это позволяет записать выражение для мгновенной индукции на статоре В (, t) в виде суммы
В (, t) = Вm [sin t cos + sin ( t 2/3) cos ( + 2/3) + sin ( t + 2/3) cos ( 2/3)].
Преобразуем входящие в полученное выражение произведения тригонометрических функций с помощью тождества sin x · cos y = [sin (x + y) + sin (x y)]/2:
В (, t) = Вm /2 [sin ( t + ) + sin ( t ) + sin ( t + ) +
+ sin ( t 4/3) + sin {( t + ) + sin ( t + 4/3)].
Дата добавления: 2015-08-27; просмотров: 141 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
