«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.

 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.

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. 

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. 

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.

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.

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.

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.