Принцип роботи електродвигуна. Принцип роботи електродвигуна змінного струму. Фізика, 9 клас

Сьогодні уявити собі людську цивілізацію і високотехнологічне суспільство без електрики неможливо. Одним з основних апаратів, які забезпечують роботу електричних приладів, є двигун. Ця машина знайшла саме широке поширення: від промисловості (вентилятори, дробарки, компресори) до побутового використання (пральні машини, дрилі та інше). Але в чому полягає принцип роботи електродвигуна?

Призначення

Принцип роботи електродвигуна і його основні цілі полягають у передачі робочим органам необхідної для здійснення технологічних процесів механічної енергії. Сам двигун виробляє її за рахунок споживаної з мережі електроенергії. По суті кажучи, принцип роботи електродвигуна полягає в перетворенні електричний енергії в механічну. Кількість вироблюваної їм механічної енергії за одну одиницю часу називається потужністю.

Види двигунів

Залежно від характеристик мережі живлення можна виділити два основних типи двигуна: на постійному і на змінному струмі. Найбільш поширеними машинами постійного струму є мотори з послідовним, незалежним і змішаним збудженням. Прикладами двигунів на змінному струмі можуть виступити синхронні і асинхронні машини. Незважаючи на удавану різноманітність, будову та принцип роботи електродвигуна будь-якого призначення засновані на взаємодії провідника зі струмом і магнітним полем або ж постійного магніту (феромагнітного об`єкта) з магнітним полем.

Рамка зі струмом - прообраз двигуна

Основним моментом у такому питанні, як принцип роботи електродвигуна, можна назвати появу крутного моменту. Розглянути таке явище можна на прикладі рамки зі струмом, яка складається з двох провідників і магніту. До провідникам ток підводиться через контактні кільця, які закріплені на осі обертової рамки. У відповідності зі знаменитим правилом лівої руки на рамку будуть діяти сили, які створять крутний момент відносно осі. Вона під дією цієї сумарної сили буде обертатися у напрямку проти годинникової стрілки. Відомо, що цей момент обертання прямо пропорційний магнітної індукції (B), силі струму (I), площі рамки (S) і залежить від кута між лініями поля і віссю останньої. Однак під дією моменту, що змінюється по своєму напрямку, рамка буде здійснювати коливальні рухи. Що ж зробити для освіти постійного напрямку? Тут є два варіанти:

• змінювати напрямок електричного струму в рамці і положення провідників щодо полюсів магніта;
• змінювати напрямок самого поля, притому що рамка обертається в незмінну сторону.

Перший варіант використовується для двигунів постійного струму. А другий - це принцип роботи електродвигуна змінного струму.

Зміна напряму струму щодо магніту

Для того щоб змінити напрям руху заряджених частинок у провіднику рамки зі струмом, необхідно пристрій, який би задавало цей напрямок в залежності від розташування провідників. Така конструкція реалізована завдяки використанню ковзають контактів, які служать для підведення до рамки струму. При заміні одним кільцем двох, коли рамка повертається на половину обороту, напрямок струму змінюється на протилежне, а крутний момент його зберігає. Важливо врахувати, що одне кільце зібрано з двох половинок, які ізольовані один від одного.

Конструкція машини постійного струму

Вищенаведений приклад - це принцип роботи електродвигуна постійного струму. Реальна машина, природно, має більш складну конструкцію, де використовуються десятки рамок, що утворюють обмотку якоря. Провідники цієї обмотки розміщені в спеціальних пазах в циліндричному феромагнітному осерді. Кінці обмоток приєднані до ізольованих кільцям, які утворюють колектор. Обмотка, колектор і сердечник - це якір, що обертається в підшипниках на корпусі самого двигуна. Магнітне поле збудження створюється полюсами постійних магнітів, які розташовані в корпусі. Обмотка підключається до мережі живлення, і її можна включати як незалежно від ланцюга якоря, так і послідовно. У першому випадку електродвигун матиме незалежне збудження, у другому - послідовне. Також існує конструкція зі змішаним збудженням, коли використовуються відразу два типи підключення обмотки.

Синхронна машина

Принцип роботи синхронного електродвигуна полягає в необхідності створення обертового магнітного поля. Потім потрібно помістити в це поле обтічні незмінним у напрямку струмом провідники. Принцип роботи синхронного електродвигуна, який отримав досить широке поширення в промисловості, заснований на вищенаведеному прикладі з рамкою зі струмом. Обертове поле, створюване магнітом, утворюється за допомогою системи обмоток, які підключені до мережі живлення. Зазвичай використовують трифазні обмотки, однак принцип роботи однофазного електродвигуна змінного струму не буде відрізнятися від трифазного, хіба що кількістю самих фаз, що несуттєво при розгляді конструктивних особливостей. Обмотки укладають у пази статора з деяким зрушенням по колу. Це робиться для створення обертового магнітного поля в утвореному повітряному проміжку.

Синхронізм

Дуже важливим моментом є синхронна робота електродвигуна вищенаведеної конструкції. При взаємодії магнітного поля зі струмом в обмотці ротора утворюється сам процес обертання двигуна, який буде синхронним по відношенню до обертання магнітного поля, освіченій на статорі. Синхронізм буде зберігатися до досягнення максимального моменту, який викликаний опором. При збільшенні навантаження машина може вийти з синхронізму.

Асинхронний двигун

Принцип роботи електродвигуна асинхронного полягає в наявності обертового магнітного поля і замкнутих рамок (контурів) на роторі - крутиться частини. Магнітне поле утворюється так само, як і у синхронного двигуна - за допомогою розташованих у пазах статора обмоток, які підключені до мережі змінної напруги. Обмотки ротора складаються з десятка замкнутих контурів-рамок і мають зазвичай два типи виконання: фазное і короткозамкненими. Принцип роботи електродвигуна змінного струму в обох варіантах однаковий, змінюється тільки конструктивне виконання. У разі короткозамкнутого ротора (також відомого під назвою «біляча клітка») обмотка заливається розплавленим алюмінієм в пази. При виготовленні обмотки фазной кінці кожної фази виводять назовні за допомогою ковзних кілець-контактів, так як це дозволить включити в ланцюг додаткові резистори, які необхідні для регулювання частоти обертання двигуна.

Тягова машина

Принцип роботи тягового електродвигуна аналогічний мотору на постійному струмі. Від живильної мережі струм подають на підвищувальний трансформатор. Далі трифазний змінний струм передається на спеціальні тягові підстанції. Там знаходиться випрямляч. Він перетворює змінний струм в постійний. За схемою він проводиться однією своєю полярністю до контактних проводів, другий - безпосередньо до рейок. Необхідно пам`ятати, що багато тягові механізми працюють на частоті, відмінній від сталої промислової (50 Гц). Тому використовують Частотники для електродвигуна, принцип роботи якого полягає в перетворенні частот і контролюванні даної характеристики.

З порушеного пантограф напруга подається в камери, де знаходяться пускові реостати контактори. За допомогою контролерів реостати підключаються до тяговим електродвигунів, які розташовані на осях візків. Від них струм надходить через шини на рейки, а потім повертається до тягової підстанції, таким чином замикаючи електричний ланцюг.