Как преобразовать механическую энергию в электрическую

9.2. Преобразование энергий. Правило Ленца Преобразование механической энергии в электрическую

Если проводник пересекает магнитное поле, то в нем индуктируется ЭДС электромагнитной индукции. При замыкании проводника в цепи появится индуктированный ток. Таким образом, механическая энергия, затраченная на перемещение проводника в магнитном поле, преобразуется в электрическую энергию тока в этом проводнике.

Подобное преобразование механической энергии в электрическую имеет место в электрических генераторах. Направление индуктированного тока в проводнике определяется по правилу правой руки (рис. 9.3). Индуктированный ток взаимодействует с магнитным полем, в результате чего на проводник с током /действует электромагнитная сила /, направление которой определяется по правилу левой руки. Как видно (рис. 9.3), эта сила направлена против скорости перемещения проводника V, которая является причиной возникновения индуктированного тока.

Это и легло в основу правила Ленца, согласно которому индуктированный ток всегда противодействует причине, вызвавшей его (т. е. сила F, вызванная индуктированным током I, противодействует перемещению проводника со скоростью V, которое и является причиной, вызвавшей этот ток).

Затраченная на перемещение проводника механическая мощность компенсируется мощностью электромагнитных сил FV, т. е.

Уравнение (9.4) устанавливает количественную сторону преобразования механической энергии в электрическую. Таков баланс мощностей при преобразовании механической энергии в электрическую.

Самоиндукция. Эдс самоиндукции и взаимной индукции. Вихревые токи.

Явление и ЭДС самоиндукции

Если по катушке с числом витков W (рис. 9.8а) проходит ток I, то этот ток создает в катушке магнитный поток Ф, величина которого пропорциональна току. Очевидно, пропорционально этому току и потокосцепление

Следовательно, отношение для данной катушки — величина постоянная. Эта постоянная величина обозначается буквой L и называется индуктивностью катушки:

Таким образом, индуктивность L является параметром определенной рамки, а также параметром любого проводника и контура.

Единицей индуктивности L является генри:

Магнитныйпоток, созданный в катушке (рис. 9.8а) с числом витков W током I, будет равен согласно (8.1)

Когда потокосцепление

Индуктивность катушки определяется выражением

Таким образом, индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков катушки и зависит от габаритов и материала щгнитопровода этой катушки.

Шзменять индуктивность катушки можно изменением магнитной проницаемости магнитопровода μ_а = μ_оμ_г: при разомкнутом магнитопроводе катушки сердечник можно вставлять или вынимать из катушки, а при замкнутом сердечнике из ферромагнитного материала можно изменять ток катушки (рис. 8.4).

Если по катушке с индуктивностью L (рис. 9.86) пропустить переменный ток i, то он создает в катушке переменный магнитный поток, который индуктирует в витках катушки ЭДС самоиндукции е_L_.

Явленление наведения ЭДС самоиндукции в проводнике, контуре или катушке, вызванное изменением тока в самом проводнике, контуре или катушке, называется явлением самоиндукции.

ЭДС самоиндукции в катушке можно определить, используя выражения (9.8) и (9.9):

Таким образом, ЭДС самоиндукции e_L в проводнике, контур_е или катушке пропорциональна скорости изменения тока в это_м проводнике, контуре или катушке, взятой со знаком «минус», т. Е

Знак «минус» отражает здесь правило Ленца, которое в данном случае можно так: индуктированный в катушке ток, вызванный ЭДС самоиндукции, сформулировать противодействует изменению тока, вызвавшего эту ЭДС.

Так, например, если ток I катушки увеличивается;, то ЭДС самоиндукции (индуктированный ток) противодействует этому увеличению; если же ток I катушки уменьшается, то индуктированный ток противодействует его уменьшению.

Из формулы (9.11) видно, что индуктивность L как параметр проводника, контура и катушки характеризует их с точки зрения наведения в них ЭДС самоиндукции, т, е. чем больше индуктивность L, тем больше ЭДС самоиндукции в них при неизменной скорости изменения тока.

Если по катушке с индуктивностью L проходит ток I, то в магнитном поле этой катушки накапливается энергия, величина которой определяется:

Явление и ЭДС взаимоиндукции

Если две или несколько катушек расположить так, что магнитный поток одной из них пронизывает витки остальных, то такие катушки называют магнитосвязанными.

Если по одной из магнитосвязанных катушек, например первой W1 (рис. 9.9а), пропустить ток i₁ то он создает в этой катушке магнитный поток Ф1 пропорциональный i₁ часть которого Ф_1,2 пронизывает витки второй катушки W₂, создавая потокосцепле-ние ψ_1,2 = Ф_1,2W₂, пропорциональное i₁ Часть магнитного потока Ф1 рассеивается Ф_р.

Если по второй катушке W₂ (рис. 9.9а) проходит ток i₂, то он создает в ней магнитный поток Ф₂, пропорциональный i₂, часть которого Ф₂,₁ пронизывает витки первой катушки W₁ создавая по-токосцепление ψ_1,2=Ф_2,1W₁ пропорциональное i₂.

Следовательно, для двух магнитосвязанных катушек отношение:

Есть величина постоянная, обозначается буквой М и называется

взаимной индуктивностью этих катушек.

Взаимная индуктивность М — это параметр магнитосвязанных

проводников, контуров или катушек.

Взаимная индуктивность М измеряется в генри

Если на магнитопроводе неразветвленной магнитной цепи (риc. 9.96) расположены две катушки W₁ и W₂, то при отсутствии рассеивания (магнитный поток каждой катушки полностью замыкается в магнитопроводе и пронизывает другую катушку) взаимная индуктивность этих катушек определяется выражением

Где L — общая длина магнитопровода; S — сечение магнитопровода ;

(согласно выражению (8.1)).

Таким образом, взаимная индуктивность двух магнитосвязанных катушек пропорциональна произведению числа витков этих катушек и зависит от габаритов и материала магнитопровода, на котором расположены эти катушки.

Каждая из рассмотренных магнитосвязанных катущек (рис. 9.96) обладает индуктивностью (см. (9.10))

Произведение этих индуктивностей будет равно

Следовательно, при отсутствии рассеяния величина взаимной индуктивности

В общем случае

Коэффициент К называют коэффициентом связи двух магнитосвязанных катушек

Коэффициент связи К показывает, какая часть созданного катушками магнитного потока пронизывает одновременно обе магнитосвязанные катушки.

Коэффициент связи может изменяться от нуля до единицы, т. е. O≤K≤1. При отсутствии рассеяния магнитного потока К=1, а при отсутствии магнитной связи К= 0.

Если по одной из магнитосвязанных катушек (рис. 9.96), например первой, пропустить переменный ток ц, то он создает в ней переменный магнитный поток Ф₁ часть которого Ф_1,2 пронизывает витки второй катушки W₂ и индуктирует в них ЭДС взаимоиндукции е_M₂.

Явление наведения ЭДС взаимоиндукции в одной из магнитосвязанных катушек, вызванное изменением тока в другой катушке, называется явлением взаимоиндукции.

ЭДС взаимоиндукции во второй катушке будет равна

То есть ЭДС взаимоиндукции в одной из магнитосвязанных катушек пропорциональна скорости изменения тока в другой катушке со знаком «минус».

Знак «минус» отражает правило Ленца.

Взаимная индуктивность М как параметр взаимосвязанных проводников, контуров и катушек характеризует явление взаимоиндукции с точки зрения наведения ЭДС взаимоиндукции в одном

элементе (катушке 2), вызванное изменением тока в другом элементе (катушке 1), магнитосвязанном с ним.

Явление взаимоиндукции лежит в основе работы электрических трансформаторов.

Приложенное к первичной обмотке трансформатора напряжение U₁ уравновешивается падением напряжения на обмотке i₁R₁

ЭДС самоиндукции этой обмоткии

и ЭДС взаимоиндукии в той же обмотке(см. рис.9.96).

Применяя второй закон Кирхгофа (для мгновенных значений), можно записать для первичной обмотки

Тогда

По аналогии можно записать выражение для определения напряжения U₂ на вторичной обмотке, к которой подключается потребитель:

Перед ЭДС взаимоиндукции в (9.20) и (9.21) может стоять знак «минус», если имеет место встречное включение, т. е. e_L и е_м в обмотке направлены в разные стороны.

Как видно, в обмотках трансформатора имеет место явление электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимоиндукции. Чем же отличаются эти явления?

Природа всех этих явлений одинакова — переменный магнитный поток индуктирует в проводнике, контуре или катушке переменную ЭДС. Если происхождение этого потока произвольно, то индуктирует ЭДС электромагнитной индукции е. Если этот магнитный поток создан током, проходящим по самому проводку, контуру или катушке, то он индуктирует ЭДС самоиндукции e_L. Если магнитный поток создан током, проходящим по _Од Н ному элементу цепи (например, первому контуру) магнитосвязанному с другим элементом цепи (например, вторым контуром), то он наводит во втором контуре ЭДС взаимоиндукции е_м

Преобразование механической энергии в электрическую

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

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:

если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
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 $\alpha$.

Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:

$Ф’=B\Delta S cos (\alpha) (1).$

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:

$Ф’=B\Delta S cos (\omega t) (2).$

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

$\epsilon_i’=-\frac

=B\Delta S \omega sin (\omega t) (3).$

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

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

$\epsilon_i=NB\Delta S \omega sin (\omega t) (4).$

Амплитуда ЭДС получается равной:

$\epsilon_m=NB\Delta \omega (5).$

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).

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:

ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
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).

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.

Машина для превращения механической энергии в электрическую

Генератор тока или, говоря иначе, машина для превращения механической энергии в электрическую, крайне полезен на электростанциях, стройках, промышленных сооружениях и т.д. С его помощью можно обеспечить аварийное автономное питание больниц, школ, торговых объектов.

Чтобы лучше понимать, что собой представляют генераторы, стоит разобраться, каким они обладают устройством, принципом действия и по какому принципу классифицируются.

Что такое генератор переменного тока и кто его изобрел?

Генератор переменного того – это установка, призванная преобразовывать энергию механического характера в электричество (переменный ток). Основу данного преобразования составляет состоящая из проволоки катушка, которая совершает обороты, находясь непосредственно в магнитном поле.

Для информации! Большинство машин для превращения механической энергии в электрическую, производимых в настоящее время, используют для этого вращение самого магнитного поля, а не катушки, как это было ранее. Как показала практика, подобный механизм действия более эффективен.

Изобретателем данной электрической установки принято считать ученого и изобретателя Николу Теслу. Первый однофазный синхронный генератор был представлен научному сообществу аж в 1832 г. Устройство могло генерировать исключительно постоянный ток, однако использовалось оно недолго, поскольку инженеры быстро поняли, что с практической точки зрения переменный ток намного лучше.

Для информации! Машины для превращения механической энергии именно в переменный ток было намного легче обслуживать. Плюс, выработать переменный ток намного проще, нежели постоянный.

Можно сказать, что именно благодаря переменному току стало возможным последующее создание столь значимых для человечества устройств, как магнитофон и радиоприемник.

Превращение механической энергии в электрическую

В основе работы абсолютно любого генератора лежит принцип магнитной индукции. Если говорить о конструкции простейшего генератора, вырабатывающего переменный ток, то ее допустимо представить как катушку, совершающую непрерывные вращения в магнитном поле.

Как уже говорилось ранее, в настоящее время популярен вариант конструкции, при котором сама катушка не двигается, а поле ее пересекает – в этот момент и происходит вырабатывание тока. Именно этот принцип выработки переменного тока объединяет сейчас большую часть генераторных установок.

Базовые принципы

Машины для превращения кинетической энергии в электрическую используют для этого вращение магнитного поля. Ниже представлены несколько важных положений, призванных дать более четкое понимание принципов вышеуказанного процесса:

• Функционирует установка за счет движения поля катушки, состоящего из токопроводящего материала. В качестве такого материала в большинстве случаев выступает медная проволока.

• За счет образования явления, которое принято называть электромагнитной индукцией, непосредственно в самой катушке происходит возникновение ЭДС (электродвижущей силы).

• Начало формирования токов происходит в период, когда проводники пересекают магнитные линии поля. Максимальная величина электродвижущей силы формируется в момент, когда проводники пересекают полюса.

• Чтобы иметь более четкое представление о происходящих процессах в системе, стоит ознакомиться с правилом «правой руки». Согласно ему нужно расположить руку так, чтобы мысленно силовые линии проходили через ладонь. При этом большой палец, расположенный от ладони под углом в 90 градусов, будет играть роль указателя, по которому понятно направления движения проводника. Оставшиеся 4 пальца также будут играть роль указателя – по ним станет ясно, в каком направлении происходит движение ЭДС.

В целом, система преобразования энергии достаточно проста, нужно лишь визуализировать весь процесс и все сразу станет ясно.

Устройство и конструкция генератора

Чтобы визуализировать процессы, происходящие в аппаратах, призванных заниматься преобразованием одного вида энергии в другой, не помешает также ознакомиться с тем, из каких компонентов они состоят. Список основных составляющих генератора:

• защитная рама – служит основанием для размещения статора. Также рама выполняет защитную функцию, ограждая все элементы системы от негативного влияния внешних факторов;

• стальной статор, именно к нему крепится обмотка;

• ротор – основной движимый элемент системы, к его сердечнику производится крепление обмотки;

• элемент коммутаций – необходим для «вывода» электрической энергии из системы после ее формирования внутри нее.

Поскольку генераторы бывают разных типов, каждый из них обладает индивидуальными конструктивными особенностями. Но при этом, имеет 2 элемента, которыми гарантированно будет снабжена любая машина для превращения одного вида энергии в другую:

• ротор – осуществляет вращательные движения, формирует электрический ток;

• статор – неподвижный системный элемент, изготавливается из множества железных пластин со специальными пазами по всему периметру. Именно в этих пазах устанавливается обмотка, имеющая вид проволоки. Статор также напрямую участвует в формировании тока.

Чтобы в принципе было возможным при вращении ротора внутри статора формирование магнитной индукции, требуется наличие между данными системными составляющими хотя бы небольшой дистанции. Конструктивно генераторы подразделяются на те, что имеют:

Для первого типа генератора является характерным наличие магнитного поля, носящего статический характер. Для второго же характерно магнитное поле, совершающее в процессе работы вращательные движения.

Принцип работы генератора

Закон Фарадея об ЭДС является определяющим для машин, преобразующих кинетическую энергию. Именно этому ученому удалось отрыть природу возникновения тока в металлическом контуре. Опытным путем Фарадей доказал, что ток возникает во время того, как происходят вращательные движения магнитов вокруг контуров.

Генераторы работают ровно по этому же принципу. Металлические рамки вращаются между 2-мя разно полюсными магнитами. Чтобы иметь возможность вследствие работы механизма получать электрический заряд и далее пускать его по проводникам, на осях рамок устанавливаются токосъемные кольца.

При перемещении проводника в магнитном поле получается ситуация, при которой силовые линии начинают пересекать проводник. Это приводит к тому, что в нем инициируется движение электронов. Как следствие, можно наблюдать формирование электродвижущей силы. Если дополнительно присоединить к проводникам нагрузку, то в них появится ток, который далее можно реализовывать в нужных направлениях.

Назначение генератора

Машины для превращения механической энергии в переменный ток эксплуатируются человеком достаточно давно. Подобные аппараты широко применяются на промышленных предприятиях и при реализации бытовых нужд населения.

На производствах аппараты являются наиболее дешевым вариантом получения электроэнергии. Благодаря им можно быстро возводить здания (поднимать тяжелые предметы и людей на большую высоту) в тех местах, куда нет возможности провести централизованное электричество.

Для информации! Генераторы особенно полезны в местах, где в силу ряда причин регулярно случаются перебои в подаче электроэнергии. Благодаря этим машинам можно не бояться, что во время важной медицинской операции оборудование перестанет работать или в торговом центре из-за отключения холодильников испортятся тонны мяса и молока.

С целью получения автономного источника энергии генераторы нередко приобретают владельцы загородных дач и коттеджей. Ввиду того, что отдельные модели электроустановок могут иметь очень компактные размеры, они легко помещаются в автомобиль, что позволяет даже брать их в походы и экспедиции.

Классификация и виды

Ввиду большого количества сфер применения, различают множество видов машин для превращения энергии из одного типа в другой. Ниже представлена классификация генераторов по принципу действия, режиму функционирования, схеме подключения и по виду используемого топлива. На каждом виде стоит остановиться подробнее.

Классификация по принципу работы

По принципу работу генераторы разделяются на синхронные и асинхронные. Синхронный генератор состоит из двух частей – статичной (статор) и подвижной (ротор). При работе подвижной части происходит индуцирование ЭДС. Возбуждение магнитного потока изначально происходит от стороннего возбудителя, как правило, соединенного с рабочим механизмом цепью или ремнем.

Для синхронных генераторов характерно запитывание обмотки выпрямленным током. Основная электрическая цепь состоит из двух взаимосвязанных элементов – регулировочного реостата и обмотки возбуждения.

Важно! Основополагающей особенностью таких установок является то, что частота тока, который они формируют, находится в прямой зависимости от того, насколько активно работает подвижная часть – иными словами, насколько быстро вращается ротор.

Асинхронные генераторы работают иначе, их режим работы принято называть «тормозящим». Подобный механизм работы предполагает вращение ротора лишь в одну сторону – ту, которая будет совпадать с направлением движения магнитного поля. Однако скорость вращения ротора будет немного выше.

Главное достоинство подобных устройств заключается в том, что они практически не подвержены коротким замыканиям и надежно защищены от негативного влияния множества внешних факторов.

Классификация по режимам работы

По режимам работы генераторы классифицируются на основные и резервные. Первые предназначены для функционирования в постоянном режиме. Такие установки требуются в местах, где необходимо снабжать объект электричеством круглосуточно (к таким местам можно отнести промышленные установки).

Резервные же агрегаты включаются в случае, когда на какой-либо объект перестало подаваться электричество, подаваемое централизованными электросетями. Такие аппараты чаще всего начинают работать автоматически при срабатывании реле, регистрирующих отсутствие в сети электричества (именно такие устанавливаются в медицинских учреждениях).

Классификация по схемам подключения

Существует три варианта включения генераторов:

1. Ручное. Человек при необходимости производит самостоятельных запуск генератора.

2. Автоматическое. Чтобы было возможно автоматическое включение генератора, требуется установить специальный блок. В случае отключение электричества блок без участия человека запустит генератор и будет контролировать стабильность показателей его работы.

3. Синхронная работа. Подобная схема включения, как правило, используется инженерами только на крупных энергетических предприятиях (станциях), в которых все генераторные установки функционируют в рамках единой сети. В данной сети на всех генерирующих аппаратах установлены единые настройки функционирования.

Каждый из указанных выше видов включения применяется для разных ситуаций и в разных местах.

Классификация по типу топлива

В качестве силы, заставляющей ротор вращаться, может выступать энергия, вырабатываемая вследствие сгорания топлива. В связи с этим сегодня популярны генераторы, работающие на газе, дизельном топливе и бензине.

К преимуществам первых можно отнести безопасность для окружающей среды и экономичность. К преимуществам вторых – стабильность работы и долговечность. Бензиновые же генераторы отличаются малыми габаритами и простотой в обслуживании.

Возможности бытовых электрогенераторов

Чтобы аппаратами было удобно пользоваться, производители наделяют их множеством полезных функций и обеспечивают:

• защитой от перегрузок, временами случающимися в сетях из-за каких-либо сбоев в цепи или подачи тока слишком высокого напряжения;

• возможностью обеспечивать контроль параметров работы установки, в которой имеется генератор (осуществляется это за счет внедрения дисплеев, демонстрирующих параметры системы в реальном времени);

• возможностью произведения автоматического запуска аппарата в случае отключения электроэнергии;

• внедрением защитных установок, призванных отключать устройство от сети в случае нарушения целостности изоляции.

Если к генератору подключить нагрузку, величина которой будет существенно уступать той, что прописана в паспорте, то установка станет забирать существенную часть топлива впустую, никак не используя его ресурс.

Особенности установки

Перед тем, как приобрести машину для превращения кинетической энергии в электрическую, ее будущий владелец должен озаботиться подготовкой места под установку.

Вне зависимости от того, где планируется размещать генератор (на улице или внутри помещения), стоять он должен на ровной, очищенной от любых загрязнений поверхности. Неровная площадка послужит причиной преждевременного износа ключевых деталей аппарата, ввиду чего ему довольно скоро потребуется ремонт.

Помимо этого при работе генератора в помещении необходимо наличие вентиляции. Также желательно, чтобы в это помещение вела дверь открытого типа (в виде решетки).

Внимание! Производить соединение аппарата с электрической сетью надлежит четко по инструкции, помещенной производителем в коробку с генератором и в соответствии со всеми мерами безопасности. В противном случае можно в лучшем случае, повредить агрегат, а в худшем – нанести вред собственному здоровью.

Применение генераторов на практике

Генераторы переменного тока активно используются практически во всех сферах жизни человека, в которых требуется наличие электроэнергии. Принципы, по которым производится ее добыча, в общем виде отличаются лишь тем, каким образом вал производится в движение. Электрогенераторы применяются на тепловых станциях, гидростанциях и даже на атомных станциях.

Автомобильный генератор – ярчайший пример преобразовательной машины. Ротор внутри него приводится в действие работающим двигателем, а уже от генератора происходит запитывание всей электрической части автомобиля. Подобный механизм позволяет сильно экономить энергию, не сажая каждый раз аккумуляторную батарею.

Безусловно, многие могут сказать, что автомобильный генератор дает постоянный ток. Однако становится он таковым лишь за счет наличия в конструкции механизма выпрямителя.

Как видно, сейчас существует множество машин, призванных вырабатывать переменный ток. Многие из них оснащаются разными видами защиты от коротких замыканий, перегрузок и прочего. Аппараты, превращающие механическую энергию в электрическую, нашли широкое применение во всем мире.

Преобразователи энергии в виде электрических машин

Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.

Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.

Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:

Силовые преобразователи, которые генерируют механическую работу с использованием электрической энергии, называются электрическими двигателями. Электродвигатели — это электрические машины.
Силовые преобразователи, которые используют электроэнергию постоянного тока и напряжения и преобразуют эту энергию в электрическую энергию переменного тока и напряжения, называются инверторами. Инверторы относятся к статическим преобразователям мощности и используют полупроводниковые силовые переключатели.
Электрические генераторы преобразуют механическую работу в электрическую энергию. Они также принадлежат к электрическим машинам.
Силовые трансформаторы преобразуют электрическую энергию из одной системы переменного напряжения в электрическую энергию другой системы переменного напряжения, при этом две системы переменного тока имеют одинаковую частоту.

Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.

Вращающиеся преобразователи мощности

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.

Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.

Электрические машины

Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.

Электрические машины состоят из токовых цепей, изготовленных из изолированных проводников и магнитопроводов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Машины производят механическую работу за счет действия электромагнитных сил на проводники и ферромагнетики, соединенные магнитным полем. Проводники и ферромагнитные элементы принадлежат либо движущейся части машины (ротору), либо неподвижной части (статору). Вращение движущейся части машины способствует изменению магнитного поля. В свою очередь, в проводниках индуцируется электродвижущая сила, которая вырабатывает электрическую энергию. Аналогично, электрический ток в проводниках машины , называемых обмотками, взаимодействует с магнитным полем и создает силы, которые возбуждают движение ротора.

Статические преобразователи мощности

В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.

В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.

Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.

Роль электромеханического преобразования энергии

Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.

Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.

Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.

На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.

Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы

Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии

Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.

Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:

Закон электромагнитной индукции Фарадея, который определяет взаимосвязь между изменяющимся магнитным потоком и индуцированной электродвижущей силой.
Закон Ампера, который описывает магнитное поле проводников, несущих электрический ток
Закон Лоренца, определяющий силу, действующую на движущиеся заряды в магнитном и электрическом полях
Законы Кирхгофа, которые дают соотношения между напряжениями и токами в токовых цепях, а также между потоками и магнитодвижущими силами в магнитных цепях

Процесс электромеханического преобразования энергии

Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.

Три наиболее важных типа электрических машин:

машины постоянного тока;
асинхронные;
синхронные.

Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.

Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.

Вращающиеся электрические машины

Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.

Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.

Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.

Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.

Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.

Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.

Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.

Реверсивные машины

Электрические машины в основном реверсивны.

Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.

Потери при преобразовании энергии

Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.

В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.

В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.