Устройство для преобразования механической энергии в электрическую

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину — по формулеУстройство для преобразования механической энергии в электрическую

где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу, равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность, затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

Читайте также:  Сорт яблони подснежник фото и описание сорта

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Устройство для преобразования механической энергии в электрическую

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 — щетки. 2 контактные кольца, 3 стальной сердечник; 4 —рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством — коллектором. Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Устройство для преобразования механической энергии в электрическую

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

В настоящее время остро стоит проблема получения электроэнергии в труднодоступных местах.

Поэтому становится особенно актуальной необходимость создания преобразователя механической энергии в электрическую.

Новизна устройства заключается в принципе действия прибора: когда мы вращаем ручку генератора данного устройства, образуется переменный ток, поступающий на диодный мост, который преобразует его в постоянный ток. После этого ток поступает на конденсатор и заряжает его. Когда конденсатор зарядится, мы замыкаем контакты на кнопке, и спираль устройства начинает нагреваться. Это устройство можно использовать в безопасном поджоге пиротехники и в полевых условиях.

Гипотеза: данное устройство сможет помочь людям получать электроэнергию в труднодоступных местах, преимущественно в полевых условиях, когда срочно возникает необходимость в получении источника энергии.

Цели и задачи:

создание принципиально нового устройства преобразования энергии.

Выбранная цель повлекла за собой формулировку конкретных задач. Содержание задач, поставленных перед нами, было определено этапами работы над устройством:

  1. Изучение библиографических источников по данной проблеме.
  2. Подбор материалов и сборка устройства.
  3. Апробация устройства.

Схема устройства

Устройство для преобразования механической энергии в электрическую

1. Г- генератор переменного тока.

2. Д1- диодный мост.

3. С1- конденсатор полярный (электролитический)-15000МКФна 63 вольта.

Последовательность сборки аппарата

Устройство собрано на ламинированном ДСП с размерами 34×12×34 (Рис.2).

Под генератор были размечены точки, после просверливания была проведена зенковка, также было и с остальными точками. По бокам была приклеена кромка.

Электрические машины, которые предназначены для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами.

Читайте также:  Ветро влагозащита axton a

Устройство, которое вырабатывает переменный ток, называют генератором переменного тока.

Принципиальная основа генератора переменного тока

Конструкция генераторов электрического тока в настоящее время основывается на использовании явления электромагнитной индукции.

В генераторах энергия механического движения трансформируется в энергию электрического тока, так сторонние электродвижущие силы (ЭДС) обладают механической природой.

ЭДС можно получить двумя способами:

  1. если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
  2. вращаться станет магнитное поле, а катушка будет неподвижна.

Допустим, что переменный ток получают при вращении катушки в стационарном магнитном поле. Для упрощения будем полагать, что в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящая рамка (один виток). При этом:

  • площадь рамки составляет $Delta S$,
  • скорость ее вращения $omega$,
  • угол между нормалью к плоскости рамки $vec n$ и вектором магнитной индукции $vec B$ составляет $alpha$.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:

$Ф’=BDelta S cos (alpha) (1).$

В каждый момент времени $t$ положение витка по отношению к вектору магнитной индукции задается при помощи угла $alpha = omega t$. В этом случае выражение (1) можно представить как:

$Ф’=BDelta S cos (omega t) (2).$

В соответствии с законом электромагнитной индукции в нашем витке появляется ЭДС индукции, равная:

$epsilon_i’=-frac

=BDelta S omega sin (omega t) (3).$

При вращении катушки, имеющей $N$ витков магнитный поток равен:

что увеличивает амплитуду ЭДС в $N$ раз, соответственно:

$epsilon_i=NBDelta S omega sin (omega t) (4).$

Амплитуда ЭДС получается равной:

$epsilon_m=NBDelta omega (5).$

Величину $epsilon_m$ называют еще амплитудой напряжения, которое создает генератор переменного тока, рассматриваемого вида.

Выражение (5) часто записывают в виде:

$epsilon_i= epsilon_m sin (omega t (6).$

Выражение (6) указывает на то, что ЭДС изменяется периодически по гармоническому закону (закону синуса).

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Реализация принципа генерации переменного тока

На сегодняшний момент создано и применяют большое число генераторов переменного тока различных конструкций. Например, технический переменный ток получают при помощи генератора, в котором:

  1. ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
  2. Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
  3. Данные кольца укреплены на оси машины с помощью прижимных проводников (щеток), изготавливаемых из меди или графита. Щетки включают в замкнутую цепь тока, не нарушая вращение обмотки.

Для увеличения ЭДС, из формулы (6) следует, что нужно увеличить магнитный поток. С этой целью стараются сделать сопротивление магнитной цепи наименьшим. Поэтому магнитную систему конструируют из пары железных сердечников:

  • наружного стационарного сердечника в виде кольца и
  • внутреннего, совершающего вращение цилиндра.

Воздушный зазор между сердечниками стараются сделать минимальным.

Генератор, обычно обладает двумя обмотками:

  • одной, расположенной в пазах, на внутренней стороне неподвижного сердечника (статора);
  • второй, находящейся на внутренней стороне (в пазах) вращающегося сердечника (ротора).
Читайте также:  Уход за жемчугом в золоте

Одна обмотка генерирует магнитный поток, вторая является рабочей, в ней создается переменная ЭДС.

Обратим внимание на один из них – генератор трехфазного тока, который создал М.О. Доливо-Добровольский в 1890 году.

Этот генератор имеет три одинаковые катушки. Их оси находятся в одной плоскости, которая параллельна магнитному полю, при этом углы между осями катушек составляют $120^0 C$. Токи индукции возбуждаются сразу во всех трёх катушках одномоментно, сдвиг фаз этих токов составляет $120^0$. Токи с несколькими фазами дают возможность получать в нагрузке вращающиеся магнитные поля. В этих магнитных полях совершают вращения магниты или замкнутые контуры. Получаемые таким образом токи удобно использовать для трансформации электрической энергии в механическую в электрических двигателях.

Генератор постоянного тока

Для получения постоянного (прямого) тока, переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, с помощью коллектора подлежит выпрямлению.

Коллектор – вращающийся переключатель.

Самый простой генератор постоянного тока:

  • может иметь обмотку, которая содержит один виток;
  • в состав его коллектора входят два изолированных полуцилиндра из меди, расположенных на оси машины, к этим цилиндрам присоединяют обмоточные концы;
  • пара щеток, прижимаемых к пластинам коллектора, реализуют подключение обмотки в цепь тока.

Поясним принципы работы коллектора. Напряжение между концами обмотки коллектора изменяется по гармоническому закону (закон синуса) (6) (рис.1(а)). При каждой половине оборота коллектор коммутирует (осуществляет переключение) концы обмотки. В результате на щетках возникает напряжение, которое можно изобразить кривой рис.1 (б). Данный генератор выдает пульсации тока, у которого постоянно направление, но величина изменяется.

Рисунок 1. Принципы работы коллектора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поскольку коллектор совершает вращение, то соединяемую с ним обмотку делают вращающейся. Она располагается на внутреннем сердечнике из железа, который находится на оси генератора. Чтобы получить постоянный ток обмотку делят на несколько секций и используют многопластинчатые коллекторы.

В современных генераторах большой мощности используют электромагниты.

Свойства генератора постоянного тока значительным образом зависят от того, каким образом осуществляется соединение обмотки возбуждения с якорем. В зависимости от способа соединения генераторы делят на:

  • шунтовые генераторы, в которых реализуется параллельное возбуждение;
  • сериесные генераторы, с последовательным соединением;
  • компаундные генераторы, в которых используется смешанное возбуждение.

В генераторах первого типа обмотка возбуждения соединяется с якорем параллельно. Ток, питающий электромагнит составляет от 1% до 5% тока якоря. При этом сопротивление обмотки возбуждения существенно меньше сопротивления якоря.

В сериесных генераторах обмотка возбуждения соединена с якорем при помощи последовательного соединения. Так как ток проходит по обмотке возбуждения полностью, для уменьшения потерь напряжения необходимо, чтобы сопротивление обмотки было много меньше, чем сопротивление якоря.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь