Если на паровозе весь процесс преобразования энергии топлива в механическую работу происходит на самом локомотиве, то при электрической тяге получение энергии из топлива происходит вне локомотива.
Рассмотрим последовательность преобразования энергии при работе электровоза от тепловой электрической станции (фиг. 1). При сжигании угля, обладающего химической энергией, последняя превращается в тепловую. Тепловая энергия нагревает воду в котле и превращает её в пар. Из котла пар поступает в паровую турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую энергию вращения колёс турбины. Паровая турбина вращает генератор электрической энергии, который вырабатывает переменный электрический ток. В генераторе механическая энергия превращается в электрическую. От генератора электрическая энергия, преобразованная в трансформаторах и на тяговой подстанции, в виде постоянного тока через контактную сеть и рельсы поступает в тяговые двигатели электровоза. Вращая тяговые двигатели электровоза, электрическая энергия преобразуется в механическую.
При работе машин и преобразовании энергии из одного вида в другой часть энергии тратится бесполезно.
Отношение полученной от машины или установки энергии к подведённой энергии носит название отдачи или коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия может быть также выражен как отношение мощности, получаемой от машины, к мощности, ей сообщаемой.
Большая часть полученной при сжигании топлива энергии тратится непроизводительно и только часть превращается в полезную работу.
Для рассмотренного выше примера преобразования энергии это происходит потому, что при сжигании угля не вся заключённая в нём энергия превращается в тепловую, так как некоторые частицы угля проваливаются в зольник, а также вылетают в несгоревшем виде;
часть тепла не передаётся котлу, а уносится вместе с отходящими из топки газами;
вода в котле получает не всю энергию, подведённую к котлу, так как часть её теряется через наружную поверхность, нагревая воздух;
турбина неполностью использует тепловую энергию, подведённую к ней в паре, так как отработавший пар уносит с собой большое количество тепла и часть тепла турбина теряет через наружные стенки;
полученная в турбине механическая энергия неполностью доходит до генератора, так как часть её теряется в подшипниках и на непроизводительное трение вращающихся частей о пар;
генератор электрической энергии теряет часть механической и электриче-ской энергии на трение и нагревание своих частей, а поэтому количество отдаваемой им электрической энергии меньше количества подводимой к нему механической энергии;
в трансформаторах, линии передачи, контактной сети и тяговой подстанции часть электрической энергии теряется в виде тепла;
в тяговых двигателях электровоза не вся электрическая энергия, получаемая ими через контактную сеть, превращается в полезную механическую работу, так как часть энергии тратится на нагревание частей двигателя и трение в подшипниках, щётках и о воздух.
Отношение количества энергии, получаемой от данной установки в виде полезной работы, к количеству энергии, заключённой в затраченном топливе, называется экономическим коэффициентом полезного действия. В рассмотренном примере с электровозом (фиг. 1 и 2) экономический коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен 90ппгг = 0,15, или 15%.
Экономический к. п. д. равен также произведению к. п. д. отдельных машин и установок, входящих в общую систему, т. е. равен
0,75 х 0,33 х 0,93 х 0,97 х 0,90 х0,94 х0,90 х 0,88 = 0,15,
где 0,75 - к. п. д. котла;
0,33 - к. п. д. турбины;
0,93 - к. п. д. генератора;
0,97 - к. п. д. повысительного трансформатора;
0,90 - к. п. д. линии электропередачи;
0,94 - к. п. д. тяговой подстанции;
0,90 - к. п. д. контактной сети;
0,88 - к. п. д. электровоза.
Таким образом, несмотря на то, что к. п. д. самого электровоза равен 0,88, экономический к. п. д. его при работе от тепловых станций Судет 0,15.

Демонстрационные опыты - см. т. II, §§ 2 и 50.
Упрощенные приборы - см. т. III, § 49.
Рисунки и чертежи на уроках - см. т. IV, § 68.

1. Содержание: а) Явление электромагнитной индукции. Связь между направлениями поля, движения проводника и тока. Правило правой руки. б) Получение переменного тока при вращении рамки в магнитном поле. Различие между переменным и постоянным токами, в) Коллектор, как прибор для выпрямления переменного тока. г) Понятие об устройстве динамомашины. Обратимость динамомашины. д) Значение открытия электромагнитной индукции и изобретения динамомашины.

2. Методические замечания . для связи с предыдущим отделом в начале изучения темы следует поставить вопрос, примерно, в том виде, в каком он возник у М. Фарадея . Если проводник с током в магнитном поле приходит в движение, то, в свою очередь, не может ли движение проводника в поле повести к возникновению тока? Другими словами, ставится вопрос о возможности превращения механической энергии в электрическую.

Методические затруднения при изучении, явления электромагнитной индукции и принципа устройства и действия динамомашины вызываются теми же причинами, которые были указаны в § 101, 2. Однако, их легче преодолеть, поскольку подобные вопросы уже рассматривались в предыдущем при изучении электромотора. В целях упрощения изложения и обеспечения доступности материала для учащихся приходится прибегать, кроме демонстрации опытов, к широкому использованию учебных пособий в виде рамок или контуров с кольцами и коллектором (см. т. II, § 50, 7, рис. 377, 389 и 390), а также к применению объяснительных картин. При рисовании на доске необходимо отказаться от чертежей в косоугольной проекции и давать условные изображения в виде разрезов, подобных показанному на рисунке 242. Поскольку учащиеся не имеют представления об электродвижущей силе, постольку, в целях упрощения изложения при рассмотрении явления электромагнитной индукции и последующих вопросов, приходится говорить об индуцированном в проводниках электрическом токе, а не об индуцированной электродвижущей силе, что является с научной точки зрения не совсем правильным.

Затруднения при изучении явления индукции возникают также по той причине, что демонстрационный гальванометр, применяемый в школе, оказывается недостаточно чувствительным. Поэтому явление приходится показывать в сильно осложнённом виде, возбуждая ток в катушке, а не в прямом проводнике.

Далеко не простым делом является создание у учащихся сколько-нибудь правильного представления о переменном электрическом токе не только как о токе, периодически изменяющем своё направление, но и о непрерывном изменении его величин в течение каждого полупериода. Желательно, чтобы учащиеся получили представление о графике переменного тока и могли дать соответствующие объяснения. Это оказывается возможным только в том случае, когда на построение всевозможных графиков преподаватель в течение всего курса обращал достаточное внимание.

3. Электромагнитная индукция. Изложение этого вопроса не только в школе, но и в учебниках является неудовлетворительным. Вследствие методического несовершенства аппаратуры на опытах удаётся обнаружить только возникновение индукционного тока, но не обосновать существующую связь между направлениями поля, механического движения и направлением тока. Подробное изложение методики эксперимента, ведущей к упрощению изложения вопроса и позволяющей ввести правило правой руки, а также описание соответствующих приборов даны в т. II, § 50, 2 и 5. Здесь же по отношению к эксперименту ограничимся следующими указаниями:

1) Индукционная катушка, имеющаяся обычно в школе, должна быть признана негодной с методической точки зрения. Следует применять специально изготовленную катушку, на которой ясно видны учащимся направление обмотки и у которой провода окрашены в различные цвета (см. т. II, рис. 40).

2) Внутри демонстрационного гальванометра надо, в случае надобности, сделать пересоединение проводов, ведущих к его клеммам, чтобы отклонение стрелки происходило по току (см. т. II, § 45, рис. 323).

3) При демонстрации пользоваться не прямым, а U-образным магнитом, так как картина поля у последнего проще, чем у первого (см. т. II, рис. 399 и 401).

4) Следует перемещать катушку, надвигая её на магнит, но не наоборот. В противном случае возникнут затруднения при введении правила правой руки .

Только при соблюдении указанных условий может быть сравнительно просто установлена на опыте связь, выражаемая правилом правой руки.

Явление индукции изучается в следующем виде:

1) Индукционный ток возникает при движении проводника поперёк силовых линий поля, но отнюдь не вдоль их (рис. 244).

2) Явление индукции наблюдается не только при движении перемещении катушки около полюсов проводника по отношению к полю, но и поля по отношению к проводнику, т. е. при относительном движении поля и проводника.

3) Четыре возможных случая движения проводника около магнитных полюсов сводятся к двум основным случаям относительного перемещения проводника поперёк силовых линий поля (рис. 245).

4) Направление индукционного тока в зависимости от направлений поля и перемещения определяется правилом правой руки.

Желательно рассмотреть правило Ленца, что рациональнее выполнить позднее - при постановке опыта, обнаруживающего сопротивление якоря динамомашины при её нагрузке.

Получение индукций электромагнитом можно не демонстрировать, так как это не вносит чего-либо принципиально нового. Демонстрация возникновения тока во вторичной катушке при перерывах тока в первичной служит введением к рассмотрению вопроса о трансформаторе и поэтому должна быть проведена в начале следующей темы.

При изучении правила правой руки следует, руководствуясь положениями, приведёнными в § 101, 3, провести тренировочные занятия со всем классом.

Зарисовки преподавателя на доске и учащихся в тетрадях должны соответствовать всем возможным случаям движения катушки относительно полюсов (рис. 244 и 245).

Вопрос об этих рисунках подробно рассмотрен в т. IV, § 68, 1 (рис. 303-308).

4. Получение переменного тока вращением рамки . Для основного опыта, служащего для обнаружения возникновения переменного тока при поворотах рамки в магнитном поле, служит катушка, описанная в т. II, § 50, 6 (рис. 393). Суждение об изменении направления тока при прохождении рамки через нейтральное положение производится на основании отклонения стрелки демонстрационного гальванометра. Объяснение наблюдаемому явлению даётся на основании правила правой руки при помощи демонстрационного контура с кольцами (рис. 246 и см. т. II, рис. 389) и заранее изготовленных картинок, подобных рисунку 242. У этого контура, как и при изучении движения проводника, для упрощения объяснений необходима окраска его отдельных частей в различные цвета.

Учащихся следует ознакомить с основными отличиями переменного тока от постоянного:

1) Переменный ток через одинаковые промежутки времени меняет своё. направление на обратное.

2) Сила переменного тока в течение такого промежутка времени непрерывно возрастает до некоторой наибольшей величины и затем так же уменьшается до нуля.

3) Время, в течение которого переменный ток течёт как в том, так и обратном направлении, называется периодом переменного тока. Желательно дать график переменного тока (см. т. IV, рис. 306).

В заключение надо рассмотреть устройство магнитоэлектрической машины с кольцами и показать её действие, накаливая электрическую лампочку (см. т. II, § 50, 8 и рис. 394). При этом даются объяснения, с какой целью тело якоря делается из железа, а обмотка - из значительного числа витков.

Упомянув о замене магнитов электромагнитами, такую машину можно рассматривать как прообраз современных машин переменного тока (альтернаторов), употребляемых в технике. Название машин переменного тока динамомашинами неправильно .

5. Выпрямляющее действие коллектора. Динамомашина . Выпрямляющее действие коллектора выясняют, пользуясь контуром с коллектором и прибегая к заранее изготовленным рисункам вроде изображённых на рисунке 247 . Затем демонстрируют действие магнито-электрической машины с коллектором (см. т. II, рис. 394), накаливая лампочку и показывая при помощи демонстрационного гальванометра, что машина даёт прямой ток. Полезно рассказать также об устройстве карманного фонарика с магнито-электрической машиной (см. т. II, рис. 395, II). Указав, что в технических машинах вместо магнитов применяют для усиления действия электромагниты, учащихся знакомят с динамоэлектрическим принципом, состоящим в том, что ток для питания индуктора берётся от якоря динамомашины, что составляет её характерное свойство.

Учащиеся легко усматривают тождество в устройствах динамомашины и мотора постоянного тока. Поэтому вопрос об обратимости динамомашины, что показывается на опыте, не представляет затруднений.

6. Динамомашина как преобразователь механической энергии в электрическую . Важнейшее принципиальное значение имеет опыт, показывающий, что потребляемая динамомашиной механическая мощность зависит от электрической, даваемой динамомашиной. Такое явление обнаруживается по изменению скорости падающего груза, который приводит в действие динамомашину (см. т. II, § 50, 3) при её электрической нагрузке, по сравнению с работой вхолостую. В связи с этим опытом и явлением обратимости динамомашины, как было указано в разделе 3, должно быть выяснено правило Ленца. На основании сопоставления правил правой и левой руки и рисунков вполне возможно подвести учащихся к выводу, что индуктивный ток всегда имеет такое направление, что создаёт силу, противодействующую производимому движению. Далее вводится понятие о к.п.д. динамомашины и указывается его высокая величина для наиболее совершенных машин. Введение к.п.д. производят, отправляясь от закона сохранения энергии и тем самым подчёркивая всеобщность последнего.

В заключение рассматривается значение изобретения механического генератора электрической энергии, которое сделало возможным получение сильных токов и позволило ввести широкое использование электрической энергии в технике и быту.

7. Исторические сведения . Рассмотрение значения изобретения механического генератора электрической энергии должно сопровождаться сообщением соответствующих исторических сведений. К числу их принадлежат: 1) история открытия электромагнитной индукции М. Фарадеем; 2) биография М. Фарадея (§§ 9 и 10); 3) краткие сведения об изобретении динамомашины и 4) история открытия обратимости динамомашины. Изучение биографии М. Фарадея имеет весьма большое воспитательное значение.

Кроме рассказа о Фарадее, учащихся надо ознакомить с жизнью и важнейшими открытиями русского учёного Эмилия Христиановича Ленца, посвятившего всю свою жизнь в основном изучению мгнито-электрических явлений. Наиболее важным следует считать открытие им закона, устанавливающего направление индуцированного тока (правило Ленца) и тем самым связывающего в одно целое явления движения проводника в магнитном поле и явления электромагнитной индукции (см. раздел 6). Это открытие имело огромное принципиальное значение и, дополненное ещё рядом других работ Ленца по электромагнетизму, являясь первой определяющей для мировой науки работой по теории электромагнитных машин. Поэтому осведомление учащихся об академикё Ленце только как об учёном, открывшем закон Джоуля-Ленца, является недостаточным.

8. Задачи. Задачи применяются с той же целью и такого же типа, как и в теме «движение проводника». Особые интерес и пользу представляют задачи-вопросы о переменном токе, предлагающие предсказать, как будут происходить: тепловые действия, электролиз сернокислой меди и подкислённой воды и притяжение электромагнитом железа (см. т. II, § 51, 2 и рис. 406).

9. Учебные пособия . Кроме казанных выше контуров с кольцами и коллектором, следует применить объяснительную картину: «Устройство генератора постоянного тока. Полезна демонстрация диапозитивов с изображением употребляющихся в технике машин (генераторов) постоянного и переменного токов. Ещё лучше показать соответствующие фрагменты из кинофильма: «Превращение механической энергии в электрическую».

Исключительно сильное впечатление на учащихся производит демонстрация действующей модели паросиловой электростанции.

10. Внеклассные занятия . Как было указано в § 49, 3, желательна организация вечера, посвящённого М. Фарадею, или выпуск соответствующей стенгазеты. Для кружковых занятий тема открывает широкиё возможности для изучения переменного тока на ряде опытов (см. т. II, § 51, 2 и т III, § 2,7).

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции - паровой турбиной, .

Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле. В обмотке якоря . и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса

Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;

2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,

3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.

Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.

Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в "машине постоянного тока" мы имеем двустадийное преобразование энергии.

Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой "изменяющееся электрическое сопротивление", преобразуется в энергию постоянного тока.

В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя - в энергию механическую.

Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет "скользящий электрический контакт", который в обычной "коллекторной машине постоянного тока" состоит из "электромашинной щетки" и "электромашинного коллектора", а в «униполярной электрической машине постоянного тока" из "электромашинной щетки" и "электромашинных контактных колец".

Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или "изменяющейся электрической индуктивности", или "изменяющейся электрической емкости", то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем "индуктивную машину", во втором - "емкостную машину".

Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование "электрическая машина", являющееся, по существу, более широким понятием.

Принцип действия электрического генератора.

Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.

Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)

При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, - к нам.

Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.

При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, - сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.

Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.

Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию - вращать его якорь каким-либо двигателем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.

При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;

2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.

Принцип действия электрического двигателя.

Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.

Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.

При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,- сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.

Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.

Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.

При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.

При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;

2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин

Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.

Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах

Для выяснения этого положения рассмотрим работу при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.

Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.

Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E > U - генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.

Тема 3. Магнитное поле.

Лекция №30.

1. Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

Вихревые токи (токи Фуко), использование в автомобилях.

Индуктивность контура. Самоиндукция.

Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, враща­ющейся в однородном магнитном поле.

Пусть рамка вращается в однородном магнитном поле (B = const ) равномерно с угловой скоростью w = const . Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S , в любой момент времени t, согласно определению, будет равен

где a = wt - угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 было a = 0 ).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции:

Э.д.с. индукции изменяется во времени по гармоническому закону.

При sin wt = l э.д.с . индукции достигает максимума, т. е.

Теперь выражение для э.д.с. индукции можно записать в виде

Вывод. Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.

Замечания.

1. Из формулы для э.д.с. индукции вытекает, что находится в прямой

зависимости от величин w, B и S.

2. В Украине принята стандартная частота тока n = w/(2p) = 50 Гц , поэтому возможно

лишь увеличение двух остальных величии.

3. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах

пропу­скают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают

сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью m.

4. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым

увеличивается S .

5. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим.

Если по рамке, помещенной в магнитное доле, пропускать электрический ток, то на

нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом

принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для

превращения электрической энергии в механическую.

Электродвигатели в современных автомобилях.

Рамка в магнитном поле – это физическая идеализация для обоснования принципа действия электрических двигателей, широко применяющихся в современном автомобилестроении.

Первое, на что следует указать, это, так называемые, гибридные автомобили . Их действенность предполагает электрическую тягу при малых скоростях движения и включение двигателей внутреннего сгорания в интенсивных динамических режимах.

Итак, при низких оборотах, например, при движении в городских условиях, автомобиль приводится в движение электрическим двигателем постоянного тока за счёт питания от мощных аккумуляторных батарей. При переходе к скоростным режимам, например, на загородных магистралях, имеет место переключение от электродвигателя на тягу от двигателя внутреннего сгорания. Автоматически, при работе последнего происходит подзарядка аккумуляторной батареи. Таким образом, гибридный автомобиль работает в режие рекуперации затраченной электрической энергии.

Испытания гибридных автомобилей показали существенный рост их экономичности и динамики в целом.

Второе направление в создании перспективных транспортных средств заключается в разработках, так называемых, электромобилей. Последние работают исключительно на тяге от электродвигателей постоянного тока и, в условиях современного состояния научно-технического прогресса, предназначены, в основном, для передвижения в городских условиях на небольшие расстояния.

Сегодня всем нам знакомы бытовые электрогенераторы. В зависимости от потребляемого топлива, назначения и типа используемого двигателя, это могут быть бензиновые, газовые, дизельные и даже ветряные электрические генераторы . Эти устройства прочно вошли в нашу жизнь, и мы привыкли использовать их на даче и в походе, на стройке и в гараже. Множество типов электрогенераторов и электроприборов выполняет за нас работу. Портативные ручные электрогенераторы встраиваются в фонарики, солнечные батареи питают удаленные приборы и датчики, космические спутники и оборудование альпинистов. Но так было не всегда. Начало 19 века разразилось целой чередой открытий, связанных с электричеством и магнетизмом.

После открытия и исследования электромагнитной индукции и проведенного расчета, стала очевидной возможность создать электрогенератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый самодельный магнитный генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма простой установкой. Посмотрите на его чертеж: вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока , производимого гальваническим элементом.

По-иному выглядела установка другого электрического генератора: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь . На контактах колец возникал то «плюс», то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки.

Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора электрогенератора. Ток от такого магнитного генератора тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Электрогенераторы постоянного и переменного тока очень похожи по своему устройству на электродвигатели. Кроме того, если вращать якорь электромотора постоянного тока, на его обмотках появляется разница потенциалов – мотор начинает давать электрический ток , становясь электрогенератором. Однако по техническим соображениям электрические генераторы тока строят несколько иначе, чем электродвигатели.

Возьмем, к примеру, электрогенератор переменного тока крупной тепловой электростанции

Его статор имеет внутри обмотку, в которой и возникает электрический ток. Ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами: северным и южным. Если намагнитить ротор, пропустив в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника, и затем начать его вращать, в обмотке статора появится переменный ток .

Для возбуждения и работы ротора обычно применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот электрогенератор надевают прямо на вал ротора. Есть и иной вариант конструкции – вместо генератора-возбудителя действует полупроводниковый выпрямитель тока. Он отбирает ничтожную часть мощности самого электрогенератора, выпрямляет переменный ток, и полученным током питает обмотку ротора.

В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока равной 50 периодам в секунду – 50 Гц. Это означает, что в течение секунды ток должен 50 раз течь в одну сторону и 50 раз – в другую. Соответственно, и ротор должен делать ровно 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту. С такой скоростью и находятся в работе электрогенераторы тепловых станций: их приводят в движение газотурбинные блоки, специально рассчитанные на такой ход.

Это происходит так же часто, как и в электрогенераторе тепловой электростанции, где скорость вращения газотурбинной установки составляет 3000 оборотов в минуту. Таким образом, частота в 50 периодов сохраняется и здесь.

Просто о сложном – Электрогенераторы для производства электроэнергии

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Электрогенераторы – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Электрогенераторы.
• Ссылки на материалы и источники – Электрогенераторы для производства электроэнергии.

>> Генерирование электрической энергии

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

§ 37 ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию . К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи 1 , солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.

1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.

Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы , в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.

Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.

Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит , создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф m = BS) через каждый виток (см. § 31).

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,

размещены в назах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшсим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно бьию бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля , порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Генератор – устройство превращающее энергию различного вида в электрическую. Генераторы вырабатывают электрический ток. Примеры генераторов: гальванические элементы, электростатические машины, солнечные батареи и др. В зависимости от характеристик применяются генераторы различных типов.

Например, с помощью электростатических машин можно создать очень высокое напряжение, но при этом сила тока будет очень невелика. А с помощью гальванических элементов можно создать приемлемую силу тока, но они могут работать лишь непродолжительное время.

Структура генератора

Рассмотрим индукционный электромеханический генератор переменного тока. Генераторов такого типа много, но любой из них имеет общие основные детали.

• Постоянный или электромагнит. С помощью него создается магнитное поле.
• Обмотка. В ней индуцируется переменная ЭДС.

Амплитуда ЭДС наводится в каждом витке обмотки. Так как витки соединены последовательно значения ЭДС будут складываться. ЭДС в рамке будет пропорциональна числу витков в обмотке. Для получения большого значения магнитного потока в генераторах делают специальную систему из двух сердечников.

В пазах одного сердечника размещаются обмотки, которые создают магнитное поле, а в пазах другого, обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников вращается, его называют ротором. Второй неподвижен и называется статором. Зазор между сердечниками стараются сделать как можно меньшим, чтобы увеличить поток вектора магнитной индукции.

На рисунке представлена модель простейшего генератора.

Принцип действия генератора

В генераторе, модель которого представлена на рисунке, магнитное поле создается постоянным магнитом, а проволочная рамка вращается внутри него. В принципе, можно оставить рамку неподвижной и вращать магнит. От этого ничего бы не изменилось .

В промышленных генераторах именно так и делается. Вращается электромагнит, а обмотки, в которых появляется ЭДС остаются неподвижными. Это связано с тем, что для того, чтобы подвести ток к ротору или снять с обмоток ротора, необходимо использовать скользящие контакты. Для этого используются щетки и контактные кольца. Сила тока, которая заставит вращаться ротор, много меньше, чем та, которую мы снимем с обмоток.

Поэтому удобнее подводить ток к ротору, а снимать ток со статора. В генераторах малой мощности, для создания магнитного поля используют вращающийся постоянный магнит, тогда подводить ток к ротору вообще необязательно. И использовать щетки и кольца не нужно.

При вращении ротора, в обмотках статора возникает ЭДС. Это происходит потому, что возникает вихревое электрическое поле . Современные генераторы это очень большие машины. Причем при таких размерах (несколько метров), некоторые важнейшие внутренние части изготавливаются с точность до миллиметра.

Трансформаторы

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Для преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

Условное обозначение трансформатора:

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N 1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e 1 = N 1 e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N 2 витков. В ней индуцируется ЭДС e 2 = N 2 e.

Следовательно: e 1 /e 2 = N 1 / N 2 .

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u 1 |≈|e 1 |.

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно: |u 2 |=|e 2 |.

Мгновенные значения ЭДС e 1 , e 2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E 1 и E 2 . А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

E 1 /E 2 ≈U 1 /U 2 ≈N 1 / N 2 = K

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула: U 1 /U 2 ≈ I 2 /I 1 .

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.