1. Опишите и объясните принцип преобразования механической энергии в электрическую и наоборот с помощью электрических машин (явление электромагнитной индукции).

В основе работы любой электрической машины лежит закон электромагнитной индукции. Этот принцип позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно.

Закон звучит так:

Если внешней силой F воздействовать на помещённый в магнитное поле проводник и перемещать его перпендикулярно вектору индукции магнитного поля со скоростью U, то в проводнике будет наводиться ЭДС величиной

Рисунок 1 - К понятиям об «элементарном генераторе» (а) и «элементарном двигателе» (б)

Для определения направления этой ЭДС можно пользоваться правилом правой руки.

Правило правой руки: линии индукции магнитного поля входят в ладонь, большой палец отогнут в сторону движения проводника. Вытянутые четыре пальца покажут направление ЭДС.

Если концы проводника замкнуть на нагрузку, то по ней потечёт ток в направлении действия ЭДС. Такую систему можно рассматривать как элементарный генератор.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии провести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис.1. б, то на проводнике будет действовать только электромагнитная сила . Под действием этой силы проводник начинает двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индукция ЭДС с направлением, противоположенным напряжения U. Такое устройство называют элементарным двигателем.

Для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения; при работе электрической машины, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, при протекании по нему электрического тока; взаимное преобразование механической и электрической энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, это свойство электрических машин называют обратимостью.

2. Опишите и объясните устройство коллекторной машины постоянного тока. Укажите преимущества и недостатки двигателя постоянного тока по сравнению с асинхронным двигателем.

Основные части машины – статор и якорь.

Статор - состоит из станины и главных полюсов. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов. Кроме того, через неё замыкается магнитный поток главных полюсов.

Станину и полюса изготавливают из стали. Станина - из трубы (цельная), из листовой стали (сварная), и разъёмная – для крупных машин.

Главные полюсы – для создания в машине магнитного поля возбуждения. Есть и другие составляющие магнитного поля.

Состоит из сердечника и полюсной катушки. Сторона полюса, обращённая к якорю, имеет полюсный наконечник. Его форма задаёт распределение магнитного поля в зазоре.

Сердечник выполняют шихтованным, то есть из отдельных стальных пластин толщиной 1-2 мм, скреплённых вместе. Это делается для предотвращения протекания вихревых токов.

Обмотка полюса может быть каркасной и бескаркасной в машинах малой мощности.

Якорь - состоит из вала, сердечника с обмоткой и коллектора.

Сердечник шихтованный, листы стали изолированы специальным лаком (ток в проводниках якоря переменный). На поверхности якоря прорезаны продольные пазы, в которые укладывается обмотка.

Обмотка выполняется медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы после укладки обмотки закрывают специальными клиньями.

Коллектор - механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот. Он состоит из пластин, соединенных с проводниками обмотки ротора и щёток, наложенных на коллекторные пластины. Коллекторы выполняются двух видов – на пластмассе и с конусными шайбами.

Щётки обеспечивают контакт с коллектором. Располагаются в щёткодержателях. Часто щётки делают из графита.

Давление пружины на щётку должно быть отрегулировано. Если оно недостаточное, то щётка может искрить. Если оно чрезмерное, то щётка сотрётся и коллектор перегреется.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) в сравнении с асинхронным двигателем (АД).

Недостатки:

- выше по стоимости;

- менее надежен.

Преимущества:

- частота вращения у АД ограничена сверху - 3000 мин^-1, при частоте 50 Гц. ДПТ теоретически может развивать любую частоту вращения;

- механическая характеристика у него значительно лучше (жестче), чем у АД;

- возможности регулирования частоты вращения лучше, чем у АД.