Трансформаторы, электродвигатели и генераторы

Одной из наиболее важных и эффективных электрических машин является трансформатор, который широко используется в электроэнергетике. На электростанциях и подстанциях он служит для повышения напряжения, что обеспечивает его дальнейшую передачу по высоковольтным линиям, а также для последующего понижения напряжения до уровней, принятых в промышленности и в быту. Трансформаторы используются также во многих электрических устройствах - радиоприемниках, телевизорах, комплектах батарей,-т. е. везде, где требуются переменные напряжения, отличные от напряжения в основной сети.

В трансформаторе (А) входной ток (1) создает в железном сердечнике магнитные силовые линии, связывающие его с выходным током (2). При перемене направления входного тока изменяется и направление силовых линий. Они индуцируют напряжение в выходной катушке. Отношение входного и выходного напряжений (v₂ к V₂) равно отношению чисел витков во входной и выходной катушках. Для ослабления вихревых токов железный сердечник делают слоистым (Б). Вводы и выводы высоковольтного трансформатора (В) для предотвращения «пробоя» изолируют.

Электродвигатели и генераторы. Трансформатор состоит из двух катушек, связанных посредством слоистого железного сердечника. В трансформаторе нет движущихся частей, и его кпд составляет почти 99%. Электродвигатели (электромоторы) и генераторы содержат вращающиеся части и поэтому не обладают таким высоким к.п.д.

Электродвигатели и генераторы имеют в основном одинаковое устройство, хотя их функции различны. Двигатели питаются электроэнергией и преобразуют ее в механическую работу; генераторы, наоборот, превращают механическую энергию в электрическую. Однако они столь похожи, что одни и те же машины могут действовать и как двигатели, и как генераторы в зависимости от того, подводится к ним электрическая или механическая энергия.

В каждой такой машине есть устройство, создающее магнитное поле, и якорь. Магнитное поле создается либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. Первые-более дешевы, вторые используются чаще, поскольку интенсивность магнитного поля, создаваемого электрическим путем, регулировать легче.

Электрический ток возникает при движении магнита и электрического проводника относительно друг друга. При движении магнита (1) окружающие его силовые линии пересекаются с проводником катушки (2) и индуцируют в нем напряжение. Чем быстрее движение, тем выше индуцируемое напряжение. При вдвигании и выдвигании магнита ток между концами катушки течет сначала в одном, а потом в противоположном направлении. Это переменный ток, и соответствующие генераторы называются генераторами переменного тока.

Как действует якорь. Якорь представляет собой обмотку, но по своему устройству она отлична от обмотки, используемой для создания поля. Якорь состоит из проводника (или проводников), расположенных так, что они пересекают линии магнитного потока под прямым углом. Эти проводники наматываются на цилиндр, вращающийся в магнитном поле, либо укрепляются на внутренних стенках цилиндра, внутри которого вращается обмотка, создающая поле. Неподвижная часть электродвигателя называется статором, а вращающаяся-ротором. И устройство, создающее поле, и якорь могут служить как статором, так и ротором.

Согласно одному из основных законов электромагнетизма в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется напряжение. Наоборот, проводник с током, помещенный в магнитное поле, испытывает на себе действие силы, которая стремится сдвинуть его.

Чтобы извлечь большую пользу из этого закона, электрические и магнитные элементы электрических машин (поле и якорь) стараются заставить взаимодействовать наиболее эффективно. Якорь обычно содержит железный сердечник, что позволяет максимально сконцентрировать магнитные силовые линии. Обмотку, создающую магнитное поле, для получения максимальной концентрации силовых линий при заданном токе также наматывают на железные сердечники. Вместо цельных сердечников в том и в другом случае иногда используются многослойные железные элементы (сделанные из пластинок). Это позволяет избежать тепловых потерь, обусловленных вихревыми токами, возникающими в железе при изменении магнитного потока.

Если якорь служит ротором в электродвигателе, то его необходимо питать током (через вращающиеся контакты).

В генераторе же нужно обеспечить отвод тока от якоря-ротора. То же относится и к устройствам, создающим магнитное поле, если они используют электрический ток. Вращающиеся контакты могут представлять собой либо ряд контактных колец, либо коммутатор. Кольца вращаются под фиксированными контактами-щетками, которые сделаны из угля и удерживаются пружинами. Время от времени, когда уголь стирается, щетки заменяют.

Электрический ток генерируется при вращении катушки в магнитном поле (А). В катушке индуцируется переменное напряжение, которое передается во внешнюю цепь при помощи контактных колец (1) и угольных щеток (2). Ток течет в том случае, когда цепь между щетками замкнута. Для получения постоянного тока конструкция генератора видоизменяется (Б). Контактные кольца расщепляются (3), и их половинки изолируются друг от друга. Неподвижная пара щеток (4) контактирует с вращающимися сегментами кольца. Устройство из расщепленных сегментов называется коммутатором.

Изменение ПОЛЯ. Якорь и обмотки в электродвигателе питаются током. Поэтому, используя сопротивления в цепи, создающей поле, можно регулировать напряженность поля. При ослаблении поля двигатель вращается быстрее (при условии, что ток через якорь остается постоянным), но с меньшим вращающим в моментом, и наоборот. В генераторе, ротор которого вращается с постоянной скоростью, увеличение поля в статоре повышает выходное напряжение, а ослабление понижает его.

Описанные двигатели и генераторы обычно используются в сетях как переменного, так и постоянного тока. Однако асинхронные моторы могут применяться только в цепях переменного тока.

Якорь в них служит ротором и имеет ряд обмоток или делается в форме «беличьего колеса». Магнитный поток статора меняется и индуцирует напряжение в роторе. Там возникает ток, взаимодействующий с полем статора, что создает вращательный момент. Контактных колец при этом не требуется.

Простейшее устройство для создания поля состоит из двух катушек. Это позволяет менять направление магнитного поля, чего нельзя сделать в машинах, работающих на постоянном токе. Ротор подвергается воздействию пульсирующего по величине и переменного по направлению поля, без первоначального «толчка» якорь вращаться не будет. Получив такой «толчок» в каком-то направлении, он начинает следовать за изменениями поля.

В некоторых асинхронных моторах, роторы которых имеют обмотки, могут применяться контактные кольца. В данном случае они предназначены не для питания якоря током, а для изменения его характеристик с помощью внешних сопротивлений.

Трансформатор - наиболее простое и эффективное устройство для повышения или понижения переменного напряжения - состоит из трех основных элементов: железного сердечника (1), который обеспечивает магнитное сцепление между первичной, или входной (2), и вторичной, или выходной (3), катушками. Отношение величин напряжений на входе и на выходе определяется соотношением числа витков в первичной и вторичной катушках. Уменьшение числа витков во вторичной катушке приводит к соответствующему уменьшению напряжения, и наоборот. Сердечник может иметь различную форму. В ряде случаев используется более двух катушек, и иногда они наматываются одна на другую.

Электродвигатели по своему устройству в принципе аналогичны генераторам. Ток, поданный в якорь или в катушку, создающую электромагнитное поле, заставляет якорь вращаться. Параллельное соединение катушек и якоря (А) обеспечивает почти постоянную скорость при любом вращательном моменте (Б). Последовательное соединение (Г) приводит к большому вращательному моменту (В) при низких скоростях.

Наиболее широко распространены индукционные Двигатели. Катушка, служащая якорем в обычном двигателе постоянного тока, заменена здесь «беличьим колесом». Оно состоит из алюминиевых или медных пластин, присоединенных концами к кольцу. Все это заключено в слоистый железный ротор. Силовые линии поля, созданного переменным током, проходящим через катушки, пересекают перекладины колеса, индуцируя в них ток; отсюда и название двигателя- «индукционный».