Приборы, действие которых основано на использовании явления электромагнитной индукции.

трансформатор

О дно из важных преимуществ переменного тока перед постоянным заключается в том, что напряжение переменного тока относительно легко поддаётся изменению с помощью электромагнитной индукции, а способы преобразования постоянного тока сложны. Прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте называют т рансформатором. Он был изобретён П.Н.Яблочковым в 1876 году. Пожалуй, трансформатор является одним из главных изобретений (после генератора), основывающихся на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного из мягкой стали или феррита, на котором имеются две изолированные друг от друга катушки (их называют обмотками) с разным числом витков. Первичная обмотка включается в сеть переменного тока, а вторичная – соединяется с потребителем. Ток в первичной обмотке создаёт в сердечнике переменный магнитный поток, который наводит одинаковую Э.Д.С. индукции в каждом витке обеих обмоток. Если первичная обмотка имеет N1, витков, а вторичная N2, то Э.Д.С. индукции в обмотках прямо пропорциональны числу витков в них: Е1/Е2 = N1/N2. При разомкнутой цепи вторичной обмотки (холостой ход трансформатора) напряжение на её зажимах р авно Э.Д.С. В первичной обмотке при этом течёт слабый ток, который называют током холостого хода. Так как падение напряжения на сопротивлении обмотки очень мало, то напряжение немного больше Э.Д.С., но практически оно равно ей. Таким образом, при холостом ходе трансформатора напряжения на обмотках прямо пропорциональны числу витков обмоток. Если число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то трансформатор называют повышающим, а если наоборот, то понижающим. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации n: n= N1/N2. У понижающего трансформатора n больше единицы, а у повышающего – меньше единицы. Когда цепь вторичной обмотки замыкается (к трансформатору подключается нагрузка), ток вторичной обмотки создаёт в сердечнике магнитный поток, направленный навстречу потоку первичной обмотки. Ослабление потока в сердечнике уменьшает Э .Д.С. в первичной обмотке. Поэтому ток в ней возрастает до такого значения, при котором её магнитный поток скомпенсирует встречный поток вторичной обмотки и результирующий поток в сердечнике останется прежним. Поскольку магнитный поток катушки пропорционален числу её витков и току, то можно приближённо считать, что I1/I2 = N2N1, т.е. сила тока в обмотках обратно пропорциональна числу витков. Эффективное использование электроэнергии можно осуществить только с помощью передачи её на большие расстояния с минимальными потерями. Для этого энергию нужно передавать при очень высоком напряжении более миллиона вольт. Для этого и используют трансформаторы. Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях имеет не достаточно высокое напряжение, поэтому ток сначала подают на трансформаторную станцию, где многократно усиливают и модулируют. Затем эту электроэнергию передают через линии электрических передач на большие расстояния, потом на ГРЭС электроэнергию опять трансформируют и разделяют на трёхфазную составляющую. Эта трёхфазная энергия идёт по высоковольтному кабелю на фабрики и по электрическим опорам на трансформаторные подстанции, где преобразуется в однофазную с напряжением 2 20 вольт, затем уже напрямую к потребителям. Высоковольтные линии, соединяя большие расстояния между электростанциями, образуют Единую энергетическую систему России. В настоящее время эта система реформирована и разделена на множество различных участков, закреплённых за разными компаниями, занимающимися сбытом электричества.

Электромагнитные амперметры и вольтметры

Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия использовал впервые еще Ф. Кольрауш в 1884 году. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием. В электромагнитном приборе имеется неподвижная катушка К и подвижный сердечник из мягкой стали А, который втягивается в катушку, когда по ней течёт ток. Сердечник соединён со стрелкой, конец которой перемещается по шкале, когда сердечник втягивается в катушку. Колебания стрелки при включении прибора в цепь успокаивает воздушный тормоз Д, который называется демпфером. Этот прибор менее точен и чувствителен, чем магнитоэлектрический, но он может применяться в цепях постоянного, и переменного тока и не боится нагрузок. Включение любого измерительного прибора не должно заметно изменять режим работы электрической цепи. Например, включение амперметра, так же как и вольтметра, не должно изменять силу тока в цепи. Заметим, что по своему внутреннему устройству амперметр ничем не отличается от вольтметра, кроме величины сопротивления. Амперметр включается в цепь последовательно, поэтому его сопротивление должно быть как можно меньше. Иначе при его включении сила тока будет заметно уменьшаться. Вольтметр включается в цепь параллельно тем двум точкам, между которыми он измеряет напряжение, поэтому его сопротивление должно быть как можно больше.

В амперметрах мы будем иметь катушку, обмотанную небольшим количеством витков проволоки, сечение которой определяется предельной силой тока для данного прибора. В вольтметре на катушку будет намотана тонкая проволока. Витков этой проволоки будет много. Поэтому, хотя по вольтметру, в виду его значительного сопротивления, и пойдет ток незначительной силы, но втягивающее усилие, зависящее от ампер-витков, будет значительным. Отсюда простое правило для переделки амперметра на вольтметр или обратно, амперметра одной силы тока на другую силу тока или вольтметра одного напряжения на другое напряжение — производить расчет по ампер-виткам. Так, если амперметр имеет шкалу на 300 ампер и n₁ витков на катушке, то для переделки его на 50 ампер, необходимо, для того, чтобы прибор при 50 амперах давал полное отклонение на шкале прибора, сохранить 300 * n₁ ампер - витков. Отсюда для 50 ампер новое количество витков должно быть равным

Е сли мы желаем из вольтметра сделать амперметр, то зная, что сопротивление прибора R Омов, можем подсчитать, по закону Ома, силу тока i₁, которая идет через вольтметр при его работе. Размотав затем катушку, считая при этом ее витки n₁, мы получим, что полное число ампер-витков, необходимое для полного отклонения прибора будет i₁ n₁. Поэтому, если нам нужно, чтобы прибор служил, как амперметр с предельной шкалой на 25 ампер, то на катушку следует намотать

в итков соответствующего диаметра проволоки. При переделке вольтметра на вольтметр же, только для другого предельного напряжения, нужно учитывать, есть ли у прибора добавочное сопротивление. Во многих случаях проще всего переделку прибора свести к увеличению или уменьшению этого добавочного сопротивления. Следует при переделках также иметь в виду, что число ампер-витков, возможно, придется слегка изменить, но, во всяком случае, уменьшить или прибавить один виток, а иногда полвитка или даже треть витка гораздо проще, чем с самого начала работать вслепую. Как и в тепловых измерительных приборах, шкала электромагнитных приборов не пропорциональна и может быть представлена нижней шкалой рис. 18. Поэтому к электромагнитным приборам можно отнести все сказанное раньше относительно шкалы тепловых приборов.

Д ля действия магнитного потока безразлично, какого он направления в катушке. Между тем на старинных электромагнитных приборах часто на зажимах можно видеть знаки плюс и минус, при чем с этими знаками добросовестно считаются при включении приборов. Знаки эти не нужны и с ними можно не считаться. Равным образом, наличие этих знаков вводит в заблуждение и в том смысле, что считают данные приборы пригодными лишь для постоянных токов. Нужно иметь в виду, что как постоянный, так и равным образом переменный ток могут совершенно одинаково создать в катушке действующий магнитный поток. Поэтому приборы могут считаться одинаково пригодными как для постоянного, так и для переменного тока. Правда, часто в приборах шкала постоянного тока не совсем совпадает со шкалой переменного тока (в последнем случае покажет на 1—2% меньше). В таком случае на шкалу можно нанести две шкалы. Применяя особенные сорта железа для частей прибора, втягиваемых в катушку, можно достичь такой незначительной разницы в обеих шкалах, что ею можно пренебречь и один и тот же прибор с одной шкалой с успехом применять для не особенно точных измерений в постоянном и переменном токе. Как на пример, когда такой случай может иметь место, укажем на установку, питающуюся попеременно от постоянного и переменного тока и имеющую по одному электромагнитному амперметру и вольтметру.

На показания прибора влияют, в случае переменного тока, число периодов и форма кривой переменного тока. Так, например, если прибор сконструирован как вольтметр на 15 периодов, то при включении его в сеть, число периодов которой составляет 50, вследствие увеличения кажущегося сопротивления прибора по нему пойдет ток несколько меньшей силы, и прибор будет показывать несколько преуменьшенную величину напряжения. Для амперметра это обстоятельство уже не играет такой роли. Электромагнитные приборы не чужды и влияния посторонних магнитных полей. Поэтому близ находящийся провод, нагруженный током значительной силы, может оказать на прибор свое влияние. Последнее парализуют тем, что прибор заключают в железный футляр, который и служит для него магнитным экраном. Электромагнитные приборы очень выносливы и допускают значительные перегрузки. Это ценное их свойство, на ряду с их сравнительной дешевизной и п ростотой конструкции, служит причиной их большой распространенности. К их перечисленным уже недостаткам (непропорциональность шкалы и магнитобоязнь, то есть зависимость показаний от влияния посторонних магнитных полей) можно прибавить еще один — это разницу в показаниях при нарастающем и убывающем в приборе тока, доходящую в отдельных случаях даже до 4%. Так, например, амперметр на 100 ампер, может показать только 96 ампер при фактической 100-амперной нагрузке или 10 ампер при нагрузке в 9,6 ампера. Конечно, для случаев обыденной практики такая разница может и не играть роли, но при точном учете расходуемого тока с нею уже приходится считаться.

Электрические двигатели переменного тока

Одним из самых распространённых приборов, основанных на явлении электромагнитной индукции является двигатель, работающий на переменном токе, вырабатываемом на индукционных генераторах.

Д вигатель переменного тока - электродвигатель, питание которого осуществляется переменным током. В основе работы электродвигателей лежит процесс электромагнитной индукции, которая возникает при движении проводящей среды в магнитном поле. В качестве проводящей среды обычно используется обмотка, состоящая из достаточно большого количества проводников, соединенных между собой надлежащим способом. Магнитное поле в электродвигателе создается либо с помощью постоянных магнитов, либо возбуждающими обмотками, которые обтекаются токами. Электродвигатели обратимы, то есть могут работать по преобразованию электрической энергии в механическую и, наоборот, в режиме генератора. В корпусе электродвигателя находится неподвижный полый цилиндрический статор, набранный из отдельных, изолированных друг от друга пластин электротехнической (магнитной) стали. На внутренней стороне статора в пазах расположены витки обмотки возбуждения из медной проволоки. Внутри статора располагается подвижный, вращающийся на валу ротор, состоящий тоже из стальных пластин, также изолированных друг от друга термостойким лаком. В пазах ротора располагаются витки медной обмотки. Обмотка статора подсоединяется к источнику переменного тока. Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные, в зависимости от того, в каком отношении находится скорость вращения к частоте. При изготовлении и выборе электродвигателей большое значение имеют условия их эксплуатации и климатические условия, в зависимости от которых используются разные виды электродвигателей, имеющие конструкционные особенности, делающие их пригодными для эксплуатации в различных условиях.

А синхронные машины (АМ)

О сновные конструктивные части АМ — ротор и статор. Статор предназначен для создания основного магнитного потока, поэтому статор изготавливается с условиями наименьших электрических потерь, т.е. выполнен из электротехнической стали и шихтован. Для создания вращающегося магнитного потока фазные обмотки статора уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Первоначально в фазные обмотки подавалось обычное гармоническое переменное напряжение (например, к трёхфазной сети можно было напрямую подключить трёхфазную (с тремя обмотками) АМ). Такой привод был не управляемым. На данный момент АМ используются в управляемых приводах на базе векторного управления. Ротор современной АМ практически всегда выполняется по типу "Беличья клетка" и является короткозамкнутым. Данный тип ротора обладает малым моментом инерции и лёгок в изготовлении. Так же, существует вариант конструкции машины с фазным ротором. В этом случае ротор содержит несколько катушек, которые соединены между собой, выведены на контактные кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним щеток могут быть замкнуты на внешние резисторы или другие цепи.

Физический принцип работы машины

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции наводит в них ЭДС. В стержнях ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности, создает вращающийся электромагнитный момент ротора.

Синхронные машины

О сновными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле (так называемое поле реакции якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создается переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.

Синхронный двигатель, принцип действия

П ринцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор - на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных - постоянные магниты. Есть также обращенная конструкция двигателей, где якорь расположен на роторе, а индуктор - на статоре (в устаревших двигателях, а так же в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники)

Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения или частотного пуска, прежде чем может работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) -- это называется "вошел в синхронизм". Для разгона до номинальной скорости обычно используется дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный). Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от очень малых до номинальных величин. Частота вращения (об/мин) синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей сети.