Содержание
Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока
Устройство
и принцип действия магнитоэлектрического
измерительного механизма
Основными узлами
магнитоэлектрического измерительного
механизма являются магнитная система
и подвижная часть. В зависимости от
взаимного расположения постоянного
магнита и катушки подвижной системы
различают приборы с внешним магнитом
и приборы с внутрирамочным магнитом.
Магнитная система
прибора с внешним магнитом состоит из
постоянного магнита, магнитопровода,
полюсных наконечников и неподвижного
сердечника. Магнит выполняется чаще
всего из железоникельалюминиевых
сплавов, и является источником магнитного
потока.
В воздушном зазоре располагается
рамка. Она свободно охватывает сердечник
и жёстко крепится на полуосях, поворот
которых вызывает перемещение стрелки
по шкале. Рамка имеет обмотку из медного
или алюминиевого изолированного провода.
Применяются бескаркасные и каркасные
рамки.
В магнитоэлектрических
приборах используется магнитоиндукционное
успокоение, но без применения специальных
успокоителей. При движении рамки в поле
постоянного магнита момент успокоения
создаётся за счёт взаимодействия
вихревых токов, возникающих в цепи
обмотки рамки, с полем магнита.
Чувствительность
магнитоэлектрического прибора не
зависит от угла отклонения и постоянна
по всей шкале, т.е. магнитоэлектрические
приборы имеют равномерную шкалу. Это
позволяет выпускать их комбинированными
и многопредельными. Они относятся к
числу наиболее точных приборов.
Большим достоинством
является высокая чувствительность и
малое собственное потребление мощности,
могут применяться с различного рода
преобразователями переменного тока в
постоянный и для измерений в цепях
переменного тока. К недостаткам следует
отнести несколько более сложную и
дорогую конструкцию, невысокую
перегрузочную способность.
Магнитоэлектрические
амперметры и вольтметры
Измерительные
механизмы магнитоэлектрических
амперметров и вольтметров принципиально
не различаются между собой. В зависимости
от назначения прибора меняется его
измерительная цепь. В амперметрах ИМ
включается в цепь непосредственно или
при помощи шунта.
Расширение пределов
измерения амперметра достигается
включением шунта параллельно прибору.
Rш=,
Iш=I-Iим.
Шунты изготавливаются
из манганинаЮ имеющего температурный
коэффициент сопротивления близкий к
нулю.
Для расширения
пределов измерения вольтметров применяют
добавочные сопротивления (резисторы).
Добавочные резисторы включаются в цепь
последовательно с ИМ. Iим=.
Добавочные резисторы изготавливаются
из манганина и представляют собой обычно
катушки из манганиновой проволоки,
намотанные бифилярно.
Магнитоэлектрические
логометры
В логометрах
противодействующий момент создаётся
не механическим путём, а электрическим.
Для этого в магнитоэлектрическом
логометре подвижная часть выполняется
в виде двух жёстко скреплённых между
собой рамок, по обмоткам которых протекают
токи I1
и I2.
Ток к обмоткам подводится с помощью
безмоментных токоподводов, выполняемых
в виде тонких неупругих ленточек.
Направления токов
в обмотках выбираются так, чтобы моменты
М1 и М2, создаваемые рамками, действовали
навтречу друг другу. Один из моментов
может считаться вращающим, а второй –
протеводействующим. Кроме того, хотя
бы один из моментов должен зависеть от
угла поворота.
Уравнение преобразования
для логометра имеет следующий вид :
α=F(.
Логометр измеряет отношение токов в
обмотках.
Магнитоэлектрические
омметры
В конструкциях
омметров используются измерительные
механизмы с механическим противодействующим
моментом («обычные») и логометрические
измерительные механизмы.
Общий недостаток
«обычных» приборов – зависимость
показаний от напряжения источника
питания, что требует подстройки «нуля»
перед каждым измерением.
А вот показания
омметра на основе логометрического ИМ
не зависят от напряжения источника
питания, что является его достоинством.
Магнитоэлектрические
приборы с преобразователями
Использование
преобразователя переменного тока в
постоянный, позволяет выполнять измерения
магнито- электрическим прибором в
цепях переменного тока. В зависимости
от вида используемого преобразователя
различают выпрямительные и термоэлектрические
приборы.
В амперметре
выпрямительной системы измеряемый ток
i(t)
выпрямляется и проходит через обмотку
катушки магнитоэлектрического ИМ.
Все приборы
выпрямительной системы градуируются
в действующих значениях токов (напряжений)
синусоидальной формы и не предназначены
для измерений в цепях с токами произвольной
формы.
В амперметре
термоэлектрической системы измеряемый
ток, it)
проходит через нагреватель
термопреобразователя (ТП). При его
нагреве на свободных концах термопары
возникает термоЭДС, вызывающая постоянный
ток через обмотку катушки магнитоэлектрического
ИМ.
Схемы вольтметров
выпрямительной и термоэлектрической
систем отличаются от схем амперметров
наличием добавочного сопротивления,
включённого последовательно в цепь
измеряемого i(t)
и выполняющего функцию преобразователя
измеряемого напряжения в ток.
Обычно приборы
выпрямительной и термоэлектрической
систем делают многопредельными и
комбинированными, что позволяет
использовать их для измерения как
переменных, так и постоянных токов и
напряжений.
В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.
В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел.
Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали.
В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.
Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.
Электродвигатели большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.
Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:
- с параллельным возбуждением;
- последовательным;
- смешанным.
Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).
Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.
Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.
Двигатели переменного тока — в чем отличие?
Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.
Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.
Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.
Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».
Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.
Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи
Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.
Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого используется конденсатор.
Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.
Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования
Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики
В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.
В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.
Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.
Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.
Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.