Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Принцип действия и устройство трансформатора. 
 
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. 
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в этой обмотке эдс. Под действием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток.  
 
Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь. 
Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе. 
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин (толщиной 0,5 и 0,35 мм) трансформаторной стали, покрытых изоляцией (жаростойким лаком). 
Материалом магнитопровода является трансформаторная сталь Э-42, Э-43, Э-43А, Э-320, Э-330, Э-ЗЗОА и др. 
Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость (больше чем горячекатаная) в направлении, совпадающем с направлением проката, тогда как перпендикулярно прокату магнитная проницаемость относительно низкая. 
Поэтому магнитопроводы из холоднокатаной стали делают так, чтобы магнитные линии замыкались по направлению проката стали.  
 
Магнитопроводы трансформаторов малой мощности изготовляют из ленты холоднокатаной стали. 
В трансформаторах больших мощностей магнитопроводы собирают из полос стали. Холоднокатаную сталь разрезают так, чтобы направление магнитных линий в собранном магнитопроводе совпадало с направлением прокатки стали.  
 
У горячекатаной стали (Э-42, Э-43 и др.) магнитная проницаемость одинакова во всех направлениях и при малых мощностях магнитопроводы собирают из пластин Ш-или П-образной формы, которые штампуются из листовой стали. 
 
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем трансформаторы могут быть стержневыми и броневыми. Магнитопровод стержневого однофазного трансформатора имеет два стержня, на которых помещены его обмотки (изо,а). Эти стержни соединены ярмом с двух сторон так, что магнитный поток замыкается по стали.  
 
Магнитопровод броневого однофазного трансформатора (изо,б) имеет один стержень, на котором полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений. 
 
Магнитопроводы однофазных трансформаторов:

Ленточные магнитопроводы из холоднокатаной стали подобны  стержневым 
(изо,в) или броневым (изо,г). 
 
Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно стержневыми, а трансформаторы малой мощности часто делают броневыми. 
 
Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке. 
Ближе к стержню магнитопровода располагается обмотка низшего напряжения НН, так как ее легче изолировать от магнитопровода, чем обмотку высшего напряжения ВН. Обмотку высшего напряжения изолируют от обмотки низшего напряжения 
прокладками, рейками, шайбами и другими изоляционными деталями (чаще из электрокартона). 
 
При цилиндрических обмотках поперечному сечению магнитопровода желательно придать круглую форму, так как в этом случае в площади, охватываемой обмотками, не остается промежутков, не заполненных сталью. Чем меньше незаполненных промежутков, тем меньше длина витков обмоток и, следовательно, масса обмоточного провода при заданной площади поперечного сечения магнитопровода. 
 
Однако магнитопроводы круглого поперечного сечения не делают. Для изготовления магнитопровода круглого сечения надо было бы собрать его из большого числа стальных листов различной ширины. 
Поэтому у трансформаторов большой мощности магнитопровод имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9 - 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. На рисунке показано поперечное сечение трехступенчатого магнитопровода. 
 
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах и в обмотках мощных трансформаторов устраивают охлаждающие каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов. 
 
В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек. 
При малых токах радиальные механические усилия, возникающие при работе трансформатора и действующие на обмотки, будут малы, так что изготовление обмоток упрощается. 
 
В паспорте трансформатора указывают его номинальную мощность S, номинальные напряжения U1 и U2 и токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток при полной (номинальной) нагрузке. 
 
Номинальной мощностью трансформаторов называется полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при полной (номинальной) нагрузке.  
 
Номинальная мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах или киловольт-амперах. В ваттах и киловаттах измеряют активную мощность трансформатора, т. е. ту мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д. 
 
Сечения проводов обмоток и всех частей машины или любого электрического аппарата определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, проходящим по проводнику, и, следовательно, полной мощностью. 
 
Трансформаторы малой мощности имеют большую удельную поверхность охлаждения, и естественное воздушное охлаждение является для них вполне достаточным. 
Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным ох-лаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.  
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы. 
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность. 
 
Для обеспечения нормальной эксплуатации трансформатора необходимо контролировать температуру масла, заменять его новым, производить периодическую сушку и очистку.

Общие сведения об электрических машинах. 
 
Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. 
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот. Машина, преобразующая механическую анергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями. 
 
Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею энергии называется обратимостью машины. 
 
Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями. 
 
Схема, поясняющая принцип действия электрической машины 
 
В зависимости от рода тока электроустановки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и машины переменного тока. 
Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. 
Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные машины, а также коллекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное регулирование частоты вращения в широких пределах.  
 
Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рисунок) поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его перпендикулярно магнитным линиям, то в нем возникает эдс, равная: E = Blv, где 
В - магнитная индукция в месте, где находится проводник; 
l - активная длина проводника (та часть, которая находится в магнитном поле);  
v - скорость перемещения проводника в магнитном поле. 
 
Направление эдс (на рисунке от зрителя за плоскость чертежа), индуктируемой  
в проводнике, определяется согласно правилу правой руки. 
 
Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи 
под действием эдс будет протекать ток, совпадающий по направлению с эдс 
в проводнике. 
 
В результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов  
создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется  
по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, 
перемещающей проводник в магнитном поле. 
 
При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. 
Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. 
 
Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии. 
Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. 
Для увеличения эдс и электромеханических сил электрические машины имеют обмотки, состоящие из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы эдс в них были одинаково направлены и складывались. 
 
Эдс в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

Принцип действия асинхронного двигателя. 
 
Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком 
М. О. Доливо-Добровольским. 
Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором - ее вращающаяся часть.  
 
Асинхронная машина обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение. 
 
Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1 = 60f1/p. 
Если ротор вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля  
(n2 = n1), то такая частота называется синхронной. 
 
Если, ротор вращается с частотой, не равной частоте вращения магнитного поля  
(n2 n1), то такая частота называется асинхронной. 
 
В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте, т. е. при частоте вращения не равной частоте вращения магнитного поля. 
Частота вращения ротора может очень мало отличаться от частоты вращения поля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n2 < n1). 
 
Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном "диск Араго — Ленца" (изо). Это явление заключается в следующем: 
если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск 1, свободно сидящий на оси 2, и начать вращать магнит вокруг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращаться в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диски и индуктирует в нем вихревые токи.

В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем  магнита возникает сила, приводящая диск во вращение.  
На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше, чем частота вращения магнита. 
 
Если бы эти частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается. 
 
В асинхронных двигателях постоянный магнит замен вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении её в сеть переменного тока. 
 
Вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотки ротора и индуктирует в них эдс. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой эдс проходит ток.  
В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создастся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля. 
 
Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет. 
В этом случае вращающий момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в машине. 
 
Для изменения направления вращения ротора, т. е. для реверсирования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается изменением чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.  
 
Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и направление вращения ротора. 
Вне зависимости от направления вращения ротора его частота n2, как уже указывалось, всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.