В.2. Перетворення енергії в електричних машинах. Найпростіший генератор змінного струму.

Електричне перетворення енергії - одне з найдивовижніших явищ оточуючого нас світу - основане на використанні закону електромагнітної індукції згідно з якою при переміщенні зі швидкістю провідника довжиною магнітному полі з індукцією в провіднику наводиться ЕРС

(В.1)

Цей вираз встановлений М.Фарадеєм був перетворений Д,К.Максвелом і для витка, зчепленого з магнітним: потоком: Ф, приведений до такого вигляду в диференціальній формі:

(В.2)

Використовуючи вирази (В.1) та (В.2) розглянемо роботу найпростішого генератора змінного струму (рис. В.1), котрий складається, з циліндричного каркасу з витком. на ньому, поміщеного в магнітне поле, створене полосами магніту та . Кожна зі сторін витка ( та ) з'єднана зі своїм кільцем. До кілець пристають щітки А та В, за допомогою котрих виток електрично з'єднується з зовнішнім кодом, що має опір , у цього найпростішого електричного генератора є всі найважливіші елементи реальної електричної машини.

Домовимося називати лінію, яка проходить через центр ордината по середній між. полюсами магніту, лінією геометричної нейтралі, а частину .кола, що відноситься: до одного полюса, - полюсним поділом .

Рис.В.1. Найпростіший генератор змінного струму Рис.В.2.Правила правої (а) і лівої (б) рук

Приведемо циліндр з витком: в рух. Напрям ЕРС визначиться при ньому за правилом правої руки: розмістимо долоню так, щоб в неї входили лінії магнітної індукції; відведений великий палець направимо за рухом: провідника; тоді решта пальців руки покаже напрям ЕРС одного напряму, а коли під полюсом: І - іншого напряму.

Отож, в провіднику і в витку в цілому наводиться змінна за часом ЕРС, період .якої дорівнює Т. Число періодів, які виникають за 1 сек, називають частотою отже .

Якщо в машині є пар полюсів, а частота обертів витка дорівнює , та за один оберт в ньому буде періодів частота, що наводиться ЕРС:

(В.3)

Коли кільця замкнуті через щітки А і В на зовнішнє коло, по ньому тече струм, що має таку саму частоту .

Найпростіший генератор змінного струму, що перетворює механічну енергію в електричну (див. Рис В.1) складається з двох основних частин і нерухомої, що називається ротором. Та частина машини, котра створює магнітне поле, називається індуктором:, а інша частина, в якій наводиться ЕРС і здійснюється перетворення енергії, - .якорем.

В.3. Випрямлення змінного струму в постійний за допомогою колектора. Найпростіший генератор постійного струму.

Щоб примусити отриманий змінний струм протікати по .зовнішньому голу в одному напрямі, замінимо кільця генератора на рис. В.1 на ізольовані одне від одного напівкільця (рис. В.З). Такий випрямний пристрій називається колектором:, а напівкільця: - його пластгшами.

Щітки А і В розмістимо так, щоб вони переходили з одної пластину на іншу, тоді, коли виток знаходиться на лінії геометричної нейтралі, тобто, коли ЕРС у витку дорівнює нулю.

Тепер кожна зі щіток буде дотикатися тільки до тої пластини Iпровідника, який міститься під даним: полюсом: (щітка А - з провідником:, що знаходиться під полюсом М, а щілина В - під полюсом: 8). Отже, в зовнішньому колі, струм: буде текти завжди.» одному напрямку - від щітки А до В -1 мати вигляд, що показаний на рис. В.4. Здійснилося випрямлення наведеної у витку змінної ЕРС і струму в ЕРС і струм одного напрямку у зовнішньому колі.

Перетворивши змінний струм в постійний за допомогою колектора ми отримаємо генератор постійного струму, в якорі якого так само як і в генераторі змінного струму, тече змінній струм.

Колектор є складним пристроєм, а ковзний контакт щітка – колектор, як буде вказано далі, в багатьох випадках ускладнює роботу машини. Тому виникає запитання: чи неможна створити електричний генератор, в якорі якого зразу наводилась би постійна ЕРС? Але якщо ми хочемо отримати постійну ЕРС, тобто мати постійну ліву частину у виразі (В.2), то, отже, повинна бути постійною і його права частина. Однак Знаменником у правій частині виразу (В.2) є час, котрий незворотній і має один вимір. Значить, для того, щоб права частина була постійною, необхідно безперервно, безмежно збільшувати магнітний потік , що, звичайно, неможливо. Таким чином, електрична машина може бути створена на основі закону електромагнітної індукції лиш у тому випадку, якщо у її якорі наводиться змінна ЕРС.

В.4. Зворотність електричних машин. Основні положення енергоперетворення.

Згідно закону Біо-Савара, на провідник зі струмом , що рухається в магнітному полі діє сила

(В.4)

Напрям котрого визначається за правилом лівої руки (рис.В.2.б). Через те, якщо до щіток машини змінного струму (див.рис.В.2)підвести змінний струм, то виникає сила, котра змушує провідники і рухатися в магнітному полі, і виток починає обертатися. Необхідно тільки, щоб частота струму відповідала в період запуску частоті обертання(вираз (В.3)). Аналогічне вище буде мати місце, якщо до щіток машини постійного струму (див. рис. В.3) підвести постійний струм. Колектор в цьому випадку буде грати рольінвертора, перетворюючи підведений постійний струм в змінний в середині якоря. Таким чином, ми отримаємо електриний двигун, який на відміну від генератора, перетворює електричну енергію в механічну.

За законом: Ленца, індукований струм завжди має такни напрям:, при якому виникаюча елекртромагнітна сила прагне перешкодити тій зміні (руху), завдяки якій індукується струм.

На основі згаданих вище законів і принципу роботи найпростіших електричних м:аі:нин можемо сформулювати такі основні замкни енергоперетворення :

1) безпосереднє взаємозворотнєперетворення механічної та електричної енергії в індуктивних електричних машинах можливо лише згоді, коли остання є енергією змінного струму;

2) для такою енергоперетворення необхідний електричний контур зі змінною індуктивності (в нашому випадку, це виток, ще обертається в магнітному полі);

3) для перетворення змінного струму і постійний в електричному контурі має бути змтний-електричний опір (його роль в електричних машинах відіграє контакт щітка - колектор, опір контакту змінюється від нескінченості, коли щітка не дотикається до колекторної пластини,, до деякої :мінімальної величини, коли щітка повністю перекриває пластину);

4) кожна електрична машина енергозворотня, тобто рівноцінно може працювати і як генератор, і як двигун;

5) оскільки для: виявлення закону елею:ро:магнІтної Індукції необхідно лиш відносне переміщення провідника і магнітного поля,- кожна єлекгрична маїїшиа'инєматйчно зворотна, тобто у неї може обертатися або якір, або індуктор.