Содержание
Электрические машины
В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:
- генераторы — источники электрической энергии;
- электродвигатели — источники механической энергии;
- специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т. д.
Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10-17 — 109 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.
Рисунок 1 – Области распространения электрических машин
Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].
Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах
Закон Ампера
Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила
,
- где F – сила, Н,
- I – сила тока, А,
- – длина проводника, м,
- B — магнитная индукция, Тл,
- — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.
Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:
Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле.
Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]
,
- где E – напряженность электрического поля, В/м,
- ds – элемент контура, м,
- Ф — магнитный поток, Вб,
- t — время, с
Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции
,
- где – электродвижущая сила индукции, В
Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].
Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.
Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.
Виды вращающихся электрических машин
По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре
Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.
Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.
Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.
Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.
- А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. Учебник для вузов.-СПб.: Питер, 2007.
- ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
- И.В.Савельев. Курс общей физики, том II. Электричество.-М.:Наука, 1970.
- Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.III. Электричество.-М.:Наука, 1977.
Библиографический список
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ судовые — Словарь морских терминов на Корабел.
ру
Словарь морских терминов
|
Что такое электрическая машина?
Электрическая машина представляет собой устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую или наоборот. Электрические машины также включают трансформаторы, которые фактически не выполняют преобразование между механической и электрической формами, но преобразуют переменный ток с одного уровня напряжения на другой уровень напряжения.
Электрический генератор:
Электрический генератор представляет собой электрическую машину, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Генератор работает по принципу электромагнитной индукции. В нем говорится, что всякий раз, когда проводник движется в магнитном поле, внутри проводника индуцируется ЭДС. Это явление называется действием генератора.
Генератор в основном состоит из статора и ротора. Механическая энергия передается ротору генератора с помощью первичного двигателя (т.е. турбины). Турбины бывают разных типов, такие как паровая турбина, водяная турбина, ветряная турбина и т. Д. Механическая энергия также может обеспечиваться двигателями внутреннего сгорания или аналогичными другими источниками.
Чтобы узнать больше о том, как работают генераторы, прочитайте следующие статьи.
- Генератор переменного тока (преобразует механическую энергию в электричество переменного тока)
- Генератор постоянного тока (преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока)
Электродвигатель:
Двигатель – это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Когда проводник с током помещается в магнитное поле, проводник испытывает механическую силу, и это принцип действия двигателя.
Как и генераторы, двигатели также состоят из двух основных частей: статора и ротора. Во многих типах двигателей электропитание должно обеспечиваться как для обмотки статора, так и для обмотки ротора. Но в некоторых типах, таких как двигатели с фиксированным магнитом и асинхронные двигатели, питание может быть необходимо только для одной обмотки. Электромагнитная сила между двумя обмотками заставляет ротор вращаться.
Чтобы узнать больше об электродвигателях, прочитайте следующие статьи.
- Двигатели переменного тока: (i) асинхронные двигатели и (ii) синхронные двигатели
- Двигатели постоянного тока: (i) коллекторный двигатель постоянного тока и (ii) бесщеточный двигатель постоянного тока
Трансформаторы:
Трансформаторы на самом деле не преобразуют механическую энергию в электрическую, а передают электроэнергию из одной цепи в другую. Они могут увеличивать или уменьшать (повышать или понижать) напряжение при передаче мощности без изменения частоты, но с соответствующим уменьшением или увеличением тока. Входная мощность и выходная мощность электрического трансформатора в идеале должны быть одинаковыми.
Повышающие трансформаторы повышают уровень напряжения с первичной на вторичную, но с соответствующим уменьшением тока. Принимая во внимание, что понижающий трансформатор снижает уровень напряжения с соответствующим увеличением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность.
Вы можете найти статьи, связанные с электрическими машинами по следующей ссылке —
Указатель электрических машин
Электрический генератор — Энциклопедия Нового Света
Электрический генератор — это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, как правило, с использованием электромагнитной индукции. Источником механической энергии может быть поршневой или турбинный паровой двигатель, вода, проходящая через турбину или водяное колесо, двигатель внутреннего сгорания, ветряная турбина, рукоятка или любой другой источник механической энергии.
Содержание
- 1 Исторические события
- 1.1 Фарадей
- 1.2 Динамо
- 1.3 Динамо Джедлика
- Динамо-машина 1,4 грамма
- 2 концепции
- 3 Терминология
- 4 Максимальная мощность
- 5 Маломощный
- 6 Двигатель-генератор
- 6. 1 Среднеразмерный стационарный двигатель-генератор
- 7 патентов
- 8 См. также
- 9 Каталожные номера
- 10 Внешние ссылки
- 11 кредитов
Сегодня генераторы используются во многих различных машинах и привели к многим современным достижениям. В будущем мы можем увидеть, как электрические генераторы станут меньше с большей мощностью. Однако в какой-то момент они могут устареть, если электрическая энергия вырабатывается напрямую из альтернативного источника энергии.
Портативный генератор, вид сбоку с бензиновым двигателем.
Исторические события
До того, как была открыта связь между магнетизмом и электричеством, в генераторах использовался электростатический принцип. В машине Вимшерста использовалась электростатическая индукция или «влияние». Генератор Ван де Граафа использует любой из двух механизмов:
- Заряд, передаваемый от высоковольтного электрода
- Заряд, создаваемый за счет трибоэлектрического эффекта при разделении двух изоляторов (ремень сходит с нижнего шкива).
Электростатические генераторы используются для научных экспериментов, требующих высокого напряжения. Из-за сложности изолирования машин, вырабатывающих очень высокие напряжения, электростатические генераторы изготавливаются только с малой номинальной мощностью и никогда не используются для выработки промышленно значимых количеств электроэнергии.
Фарадей
В 1831-1832 годах Майкл Фарадей обнаружил, что между концами электрического проводника, который движется перпендикулярно магнитному полю, возникает разность потенциалов. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», тип униполярного генератора, использующий медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он производил небольшое постоянное напряжение и большой ток.
Dynamo
Dynamo был первым электрическим генератором, способным обеспечивать электроэнергией промышленность. Динамо использует электромагнитные принципы для преобразования механического вращения в переменный электрический ток. Динамо-машина состоит из стационарной конструкции, создающей сильное магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. На небольших машинах магнитное поле может создаваться постоянным магнитом; более крупные машины имеют магнитное поле, создаваемое электромагнитами.
Первое динамо, основанное на принципах Фарадея, было построено в 1832 году французским мастером Ипполитом Пикси. В нем использовался постоянный магнит, который вращался с помощью рукоятки. Вращающийся магнит был расположен так, что его северный и южный полюса проходили через кусок железа, обмотанного проволокой. Пикси обнаружил, что вращающийся магнит производит импульс тока в проводе каждый раз, когда полюс проходит через катушку. Кроме того, северный и южный полюса магнита индуцировали токи в противоположных направлениях. Добавив коммутатор, Pixii смогла преобразовать переменный ток в постоянный.
В отличие от диска Фарадея, в движущихся обмотках динамо-машины можно использовать множество последовательно соединенных витков провода. Это позволяет напряжению на клеммах машины быть выше, чем может производить диск, так что электрическая энергия может подаваться при удобном напряжении.
Связь между механическим вращением и электрическим током в динамо-машине обратима; принципы работы электродвигателя были открыты, когда было обнаружено, что одна динамо-машина может приводить во вращение вторую взаимосвязанную динамо-машину, если через нее проходит ток.
Динамо Джедлика
В 1827 году Аниос Джедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал электромагнитными автороторами. В прототипе однополюсного электростартера (законченном между 1852 и 1854 гг.) как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными. Он сформулировал концепцию динамо-машины как минимум за 6 лет до Сименса и Уитстона. Суть концепции заключается в том, что вместо постоянных магнитов два электромагнита, расположенные напротив друг друга, индуцируют магнитное поле вокруг ротора.
Динамо-машина Gramme
Обе эти конструкции страдали от одной и той же проблемы: они индуцировали «всплески» тока, за которыми не следовал ни один из них. Антонио Пачинотти, итальянский ученый, исправил это, заменив вращающуюся катушку на тороидальную, которую он создал, обернув железное кольцо. Это означало, что какая-то часть катушки постоянно проходила мимо магнитов, сглаживая ток. Зеноб Грамм повторно изобрел эту конструкцию несколько лет спустя при проектировании первых коммерческих электростанций, которые работали в Париже в 1870-х годах. Его конструкция теперь известна как динамо-машина Грамма. С тех пор были сделаны различные версии и улучшения, но основная концепция вращающейся бесконечной петли проволоки остается в основе всех современных динамо-машин.
Понятия
Генератор двигает электрический ток, но не создает электрического заряда, который уже присутствует в токопроводящем проводе его обмоток. Это чем-то похоже на водяной насос, который создает поток воды, но не создает саму воду.
Существуют и другие типы электрических генераторов, основанные на других электрических явлениях, таких как пьезоэлектричество и магнитогидродинамика. Конструкция динамо-машины аналогична конструкции электродвигателя, и все распространенные типы динамо-машин могут работать как двигатели.
Терминология
Части динамо-машины или сопутствующего оборудования могут быть выражены либо в механических, либо в электрических терминах. Хотя эти два набора терминов четко разделены, они часто используются взаимозаменяемо или в комбинациях, включающих один механический термин и один электрический термин. Это вызывает большую путаницу при работе с составными машинами, такими как бесщеточный генератор переменного тока, или при разговоре с людьми, которые привыкли работать с машиной, конфигурация которой отличается от той, к которой привык говорящий.
Механический
Ротор: Вращающаяся часть генератора переменного тока, генератора, динамо-машины или двигателя.
Статор: Неподвижная часть генератора переменного тока, генератора, динамо-машины или двигателя.
Электрооборудование
Якорь: Компонент генератора переменного тока, генератора, динамо-машины или двигателя, производящий энергию. Якорь может быть как на роторе, так и на статоре.
Поле: Составляющая магнитного поля генератора переменного тока, генератора, динамо-машины или двигателя. Поле может быть либо на роторе, либо на статоре и может быть либо электромагнитом, либо постоянным магнитом.
Максимальная мощность
Теорема о максимальной мощности применима к генераторам так же, как и к любому источнику электроэнергии. Эта теорема утверждает, что максимальную мощность можно получить от генератора, сделав сопротивление нагрузки равным сопротивлению генератора. Однако в этом случае эффективность передачи энергии составляет всего 50 процентов, а это означает, что половина вырабатываемой энергии теряется в виде тепла внутри генератора. По этой причине практические генераторы обычно рассчитаны не на максимальную выходную мощность, а на более низкую выходную мощность, где эффективность выше.
Маломощный
Ранние автомобили, как правило, использовали генераторы постоянного тока с электромеханическими регуляторами. Они не были особенно надежными или эффективными, и теперь их заменили генераторы переменного тока со встроенными цепями выпрямителя. Они питают электрические системы автомобиля и заряжают аккумулятор после запуска. Номинальная выходная мощность обычно находится в диапазоне 50–100 А при 12 В, в зависимости от расчетной электрической нагрузки внутри автомобиля — некоторые автомобили теперь оснащены усилителем рулевого управления с электроприводом и кондиционером, что создает высокую нагрузку на электрическую систему. Коммерческие автомобили, скорее всего, будут использовать 24 В, чтобы обеспечить достаточную мощность на стартере для запуска большого дизельного двигателя без необходимости использования чрезмерно толстых кабелей. В автомобильных генераторах обычно не используются постоянные магниты; они могут достигать эффективности до 90 процентов в широком диапазоне скоростей за счет управления напряжением возбуждения. В генераторах мотоциклов часто используются статоры с постоянными магнитами, изготовленные из редкоземельных магнитов, поскольку их можно сделать меньше и легче, чем другие типы.
Некоторые из самых маленьких генераторов обычно используются для питания велосипедных фонарей. Как правило, это генераторы переменного тока с постоянными магнитами на 0,5 А, обеспечивающие мощность 3–6 Вт при напряжении 6 или 12 В. При питании от водителя эффективность имеет первостепенное значение, поэтому они могут включать в себя редкоземельные магниты и разработаны и изготовлены с большим точность. Тем не менее, максимальный КПД лучших из этих генераторов составляет всего около 60 процентов (обычно 40 процентов) из-за использования постоянных магнитов. Чтобы вместо этого использовать управляемое электромагнитное поле, потребуется батарея, что неприемлемо из-за ее веса и габаритов.
Парусные яхты могут использовать водяной или ветряной генератор для подзарядки батарей. Небольшой пропеллер, ветряная турбина или крыльчатка соединены с маломощным генератором переменного тока и выпрямителем для подачи тока до 12 А при типичных крейсерских скоростях.
Двигатель-генератор
Двигатель-генератор радиостанции (Дюбендорфский музей военной авиации). Генератор работал только при отправке радиосигнала (приемник мог работать от аккумулятора)
Ручной электрогенератор радиостанции (Дюбендорфский музей военной авиации)
Мотор-генератор представляет собой комбинацию электрогенератора и двигателя, смонтированных вместе в единое целое. Эта комбинация также называется генераторной установкой или генераторной установкой . Во многих контекстах двигатель считается само собой разумеющимся, и комбинированный блок называется просто генератором .
Помимо двигателя и генератора, двигатели-генераторы обычно включают в себя топливный бак, регулятор частоты вращения двигателя и регулятор напряжения генератора. Многие агрегаты оснащены аккумулятором и электростартером. Резервные энергоблоки часто включают в себя систему автоматического запуска и автоматический переключатель для отключения нагрузки от общего источника питания и подключения ее к генератору.
Двигатели-генераторы производят энергию переменного тока, которая используется в качестве замены энергии, которую в противном случае можно было бы приобрести на коммунальной электростанции. Напряжение генератора (вольты), частота (Гц) и мощность (ватты) выбираются в соответствии с нагрузкой, которая будет подключена. Доступны как однофазные, так и трехфазные модели. В США доступно всего несколько моделей портативных трехфазных генераторов. Большинство доступных портативных устройств питаются только от одной фазы, а большинство производимых трехфазных генераторов представляют собой крупные генераторы промышленного типа.
Двигатели-генераторы доступны в широком диапазоне мощностей. К ним относятся небольшие портативные устройства, которые могут обеспечивать мощность в несколько сотен ватт, устройства, устанавливаемые на ручную тележку, как показано на рисунке выше, которые могут обеспечивать мощность в несколько тысяч ватт, а также стационарные или устанавливаемые на прицепе устройства, которые могут обеспечивать мощность более миллиона ватт. Меньшие агрегаты, как правило, используют в качестве топлива бензин (бензин), а более крупные используют различные виды топлива, включая дизельное топливо, природный газ и пропан (жидкий или газообразный).
При использовании двигателей-генераторов необходимо учитывать качество вырабатываемой ими электрической волны. Это особенно важно при работе чувствительного электронного оборудования. Кондиционер питания может принимать прямоугольные волны, генерируемые многими двигателями-генераторами, и сглаживать их, пропуская их через батарею в середине цепи. Использование инвертора вместо генератора также может генерировать чистые синусоидальные волны. Доступно несколько бесшумных инверторов, которые производят чистые синусоидальные волны, подходящие для использования с компьютерами и другой чувствительной электроникой, однако некоторые недорогие инверторы не производят чистых синусоидальных волн и могут повредить определенное электронное зарядное оборудование.
Двигатели-генераторы часто используются для подачи электроэнергии в местах, где электроэнергия недоступна, и в ситуациях, когда электроэнергия требуется только временно. Небольшие генераторы иногда используются для питания электроинструментов на строительных площадках. Установленные на прицепе генераторы обеспечивают электроэнергией освещение, аттракционы и т. д. для передвижных карнавалов.
Резервные электрогенераторы постоянно устанавливаются и находятся в состоянии готовности для подачи электроэнергии на критические нагрузки во время временных перерывов в электроснабжении. Больницы, объекты связи, канализационные насосные станции и многие другие важные объекты оснащены резервными генераторами электроэнергии.
Малые и средние генераторы особенно популярны в странах третьего мира в качестве дополнения к энергосистеме, которая часто ненадежна. Установленные на прицепе генераторы можно буксировать в районы стихийных бедствий, где временно отключено электроснабжение.
Генератор также может приводиться в действие мускульной силой человека (например, в оборудовании полевых радиостанций).
Стационарный двигатель-генератор среднего размера
Изображенный здесь стационарный двигатель-генератор среднего размера представляет собой установку мощностью 100 кВА, вырабатывающую 415 В при токе около 110 А на фазу. Он оснащен 6,7-литровым двигателем Perkins Phaser 1000 Series с турбонаддувом и потребляет около 27 литров топлива в час при 400-литровом баке. Стационарные генераторы, используемые в США, используются мощностью до 2800 кВт. Эти дизельные двигатели работают в Великобритании на красном дизеле и вращаются со скоростью 1500 об/мин. Это производит мощность на частоте 50 Гц, которая используется в Великобритании. В районах, где частота сети составляет 60 Гц (США), генераторы вращаются со скоростью 1800 об/мин или другой, даже кратной 60. Дизель-генераторные установки, работающие на максимальной эффективности, могут производить от 3 до 4 киловатт-часов электроэнергии на каждый литр. израсходованного дизельного топлива, с более низким КПД при частичной нагрузке.
Вид сбоку на большой дизель-генератор Perkins производства F&G Wilson Engineering Ltd. Это установка мощностью 100 кВА.
Патенты
- Патент США 222,881 (PDF) — Магнито-электрические машины: основная динамо-машина постоянного тока Томаса Эдисона. Прозвище устройства было « длинноногая Мэри-Энн ». Это устройство имеет большие биполярные магниты. Это неэффективно.
- Патент США 373,584 (PDF) — Динамо-электрическая машина: усовершенствованная динамо-машина Эдисона, которая включает дополнительную катушку и использует силовое поле.
- Патент США 359748 (PDF) — Динамо-электрическая машина — конструкция Николы Теслы асинхронного двигателя/генератора переменного тока.
- Патент США 406968 (PDF) — Динамо-электрическая машина — «Униполярная» машина Теслы (т. е. диск или цилиндрический проводник, установленный между магнитными полюсами и приспособленный для создания однородного магнитного поля).
- Патент США 417794 (PDF) — Якорь для электрических машин — Принципы конструкции якоря Tesla для электрических генераторов и двигателей. (Относится к номерам патентов US327797, US292077 и GB9013.)
- Патент США 447920 (PDF) — Способ эксплуатации дуговых ламп — генератор переменного тока Теслы с высокочастотными колебаниями (или пульсациями) над уровнем слышимости.
- Патент США 447921 (PDF) — Генератор переменного тока — генератор Теслы, который производит 15000 колебаний в секунду или более.
См. также
- Генератор
- Солнечная батарея
- Ветряная мельница
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Boldea, Ion. 2005. Генераторы синхронные (Электроэнергетика) . Оттава, Онтарио, Канада: Публикации CRC. ISBN 084935725X.
- Симойнс, М. Годой и Ф. А. Фаррет. 2004. Системы возобновляемой энергии: проектирование и анализ с помощью асинхронных генераторов . Оттава, Онтарио, Канада: Публикации CRC. ISBN 0849320313.
- Гилл, Пол. 1997. Техническое обслуживание и испытания электроэнергетического оборудования (Электроэнергетика, 4) . Оттава, Онтарио, Канада: Публикации CRC. ISBN 0824799070.
Внешние ссылки
Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.
- Ночник с питанием от хомяка
- Простой генератор
- [http://www1.