Магнитные цепи в технике
Магнитные потоки и их применение в электротехнике. Разветвление магнитного потока. Превращения механической энергии в электрическую (генераторы), электрической энергии в механическую (электродвигатели). Вращающееся магнитное поле. Применение реле.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.05.2011 |
| Размер файла | 18,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Магнитные цепи
магнитный поток энергия электрический реле
Магнитные потоки широко используются в современной электротехнике. Действие электромагнитов, мощных генераторов электрического тока, электродвигателей, трансформаторов и многих измерительных приборов основано на существовании в них магнитного потока.
Для усиления магнитного потока почти всегда применяют ферромагнитные материалы. Изготовляя из этих материалов тела различной формы и размеров, оказывается возможным создавать магнитные потоки нужной величины и направлять их в желаемом направлении. Совокупность тел, внутри которых проходят замкнутые линии магнитной индукции, называют магнитной цепью.
Рассмотрим сначала простую, или неразветвленную магнитную цепь (рис.1). Будем считать, что она составлена из двух частей: ярма с сечением S из материала с магнитной проницаемостью 1 . Выделим далее среднюю линию индукции и применим к ней теорему о магнитном напряжении:
Hl + H1 l1 = Ni ,
где H - напряженность поля внутри ярма, H1- напряженность поля внутри зазора, l -длина ярма, измеренная вдоль средней линии индукции , l1 -длина зазора, N- число витков обмотки, а i - сила тока в ней.
Рис 1.
Так как линии индукции непрерывны, то значение магнитного потока Ф внутри ярма и внутри зазора одинаковы. Далее, пользуясь соотношениями
= B S , B = 0 ,
напряженность поля можно выразить через поток:
H = / 0 S , H1 = / 1 0 S .
Подставляя эти выражения в первую формулу находим из нее поток Ф:
___________Ni__________ .
= l / 0 S + l1 / 1 0 S
Полученная формула подобна закону Ома для замкнутой электрической цепи, изображенной на рис.1. При этом величина играет роль электродвижущей силы, и поэтому по аналогии она получила название магнитодвижущей силы.
m = Ni ( 1.1 )
Единица магнитодвижущей силы в системе СИ есть ампер. Сумма
R m = l / 0 S + l 1 / 1 0 S (1.2 )
входит в формулу так же , как и полное сопротивление электрической цепи в закон Ома, и поэтому ее называют полным магнитным сопротивлением цепи. Величины
rm = l / 0 S , rm = l 1 / 1 0 S ( 1.3)
дают магнитные сопротивления участков цепи. Магнитное сопротивление зависит от длины магнитопровода l и его сечения S , так же как и электрическое сопротивление, но роль удельной электропроводности играет магнитная проницаемость 0 .
Пользуясь этими понятиями, мы можем представить полученные результаты следующим образом:
= m / Rm . (1.4 )
Иными словами, в неразветвленной магнитной цепи магнитный поток равен частному от деления магнитодвижущей силы на полное магнитное сопротивление.
Из формулы (1.4) видно, что магнитное сопротивление в системе СИ измеряется в амперах на вебер (А/Вб).
Сравнивая (1.2) и (1.3), мы так же видим, что полное сопротивление нашей цепи равно сумме сопротивлений ее частей :
R m = r m + r m 1 .
Этот результат, очевидно, справедлив и в том случае, если цепь составлена из какого угодно числа частей, если только магнитный поток проходит целиком последовательно через эти части: при последовательном соединении магнитопроводов их магнитные сопротивления складываются.
На рис 2. изображен опыт, показывающий влияние магнитного сопротивления. П-образный железный сердечник намагничивается обмоткой 1 , включенной последовательно с амперметром А и реостатом в цепь переменного тока. В обмотке 2 наводится э.д.с. индукции, и показания вольтметра V пропорциональны величине магнитного потока в сердечнике . Если, сохраняя неизменной силу тока в обмотке 1 , замкнуть сердечник железной пластиной, то магнитное сопротивление цепи уменьшается и показание вольтметра увеличивается.
Рис 2
Разветвление магнитного потока
Наряду с простой магнитной цепью на практике приходится встречаться с более сложными цепями, в которых происходит разветвление магнитного потока. Пример такой магнитной цепи показан на рис. 3.
Рассмотрим замкнутый контур абдеа (рис.3.), входящий в состав нашей цепи, и обозначим длину участка бд через l1 , его сечение - через S1 и напряженность поля в нем - через H1 , а соответствующие величины для участка деаб - через l2 , S2 и H2. Так же, как и раньше, H1 и H2 можно выразить через потоки Ф1 и Ф2 в рассматриваемых участках:
H1 = 1 / 0 S1 , H2 = 2 / 0 S2 ,
где 1 и 2 - магнитные проницаемости материала на участках бд и деаб . Поэтому
___ l 1___ ___l2___
1 * 1 0 S1 + 2 * 2 0 S2 = N 1 i 1 .
но
l1 / 1 0 S1 = r m 1 , l2/ 2 0 S2= r m 2
магнитные сопротивления участков цепи бд и деаб , а
N 1 i 1 = m1
магнитодвижущая сила этой цепи, и предыдущая формула принимает простой вид:
1 r m1 + 2 r m2 = m 1.
рис.3.
В выделенный замкнутый контур могут входить не два участка с различными потоками, ав какое угодно их число, и в каждом из этих участков может быть своя намагничивающая обмотка. Поэтому в общем случае
k r mk = mk . ( 2.1)
Эта формула имеет тот же вид, что и второе правило Кирхгофа для разветвляющихся токов , причем вместо силы тока i входит магнитный поток Ф, а роль электрического сопротивления r и э.д.с. играют магнитное сопротивление rm и магнитодвижущая сила m .
При пользовании формулой (2.1) нужно, очевидно, учитывать правило знаков для m и Ф . Магнитодвижущая сила считается положительной, если соответствующая обмотка создает поток, направление которого совпадает с выбранным направлением обхода контура. Положительное значение потока Ф означает, что направление потока совпадает с выбранным направлением обхода.
Рассмотрим теперь какой - либо узел разветвления магнитной цепи ( рис .4.) , в котором сходятся три или более магнитопровода .
Рис.4.
Так как линии индукции непрерывны , то общее число этих линий, идущих к узлу разветвления, равно числу линий, уходящих от узла разветвления. Или: сумма всех потоков, направленных к месту разветвления, равняется сумме всех потоков, уходящих от него. Приписывая этим потокам разные знаки, имеем для каждого узла разветвления:
k= 0. ( 2.2 )
Эта формула имеет тот же вид, что и первое правило Кирхгофа.
Таким образом, задача вычисления потоков в любой магнитной цепи оказывается аналогичной задаче вычисления токов в электрической цепи, причем каждой магнитной цепи можно сопоставить соответствующую ей электрическую цепь (рис.3.).
Генераторы переменного тока
Наиболее важно применение магнитного потока в электрических машинах, предназначенных для превращения механической энергии в электрическую (генераторы) или электрической энергии в механическую (электродвигатели).
Все современные мощные генераторы электрического тока основаны на явлении электромагнитной индукции при движении проводников в магнитном поле. Остановимся сначала на генераторах переменного тока.
Рис.5.разъясняет принцип получения технического переменного тока. Электродвижущая сила возникает вследствие вращения проволочной обмотки. Концы обмотки подведены к двум изолированным медным кольцам (контактные кольца), укрепленным на оси машины, и при помощи прижимных проводников из меди или графита (щетки) могут быть включены в замкнутую цепь тока без нарушения вращения обмотки.
Рис.5.
Если - угол , составленный нормалью n к плоскости витка и вектором индукции поля B , то поток сквозь виток равен
= B S cos = 0 cos ,
где S- площадь витка, а Ф0- максимальное значение потока при = 0. При равномерном вращении витка с угловой скоростью угол = t+0, и поэтому э.д.с. одного витка
= - d / dt = 0 sin ( t +0) = 0 sin ( t + 0 ) (3.1)
Если имеется не один, а N витков проволоки, то амплитуда э.д.с. 0 будет в N раз больше. Если Ф0 выражено в Вб, а - в рад/с, то 0 выражено в вольтах.
Из (3.1) видно, что для повышения э.д.с. необходимо увеличивать магнитный поток Ф0 , а для этого сопротивление магнитной цепи машины выгодно сделать возможно меньшим. Поэтому магнитную систему генераторов делают из двух железных сердечников: наружного кольцеобразного неподвижного сердечника и внутреннего вращающегося цилиндрического сердечника, а воздушный зазор между ними доводят до минимальных размеров. Машина имеет, как правило, две обмотки, одна из которых размещается в пазах неподвижного сердечника (статора) с внутренней его стороны, а другая расположена в пазах вращающегося сердечника( ротора). Одна обмотка используется для создания магнитного потока, а другая служит рабочей обмоткой, в которой индуцируется переменная э.д.с.
Генераторы постоянного тока
В генераторах постоянного или прямого тока переменная э.д.с., возникающая во вращающейся обмотке, выпрямляется при помощи коллектора, который представляет собой вращающейся переключатель.
Простейший генератор прямого тока изображен на рис.6. Он имеет обмотку из одного витка, а его коллектор состоит из двух медных изолированных полуцилиндров, насаженных на ось машины, к которым присоединены концы обмотки. К пластинам коллектора прижимаются две щетки, осуществляющие включение обмотки в цепь тока. Рис.7 поясняет действие коллектора. Кривая а
Рис.6. Рис.7.
представляет напряжение между концами обмотки, которое изменяется в соответствии с (3.1) по закону синуса. Через каждую половину оборота коллектора переключает (коммутирует) концы обмотки, и поэтому на щетках получается напряжение, изображаемое кривой б . Такой простейший генератор, следовательно, дает пульсирующий ток, направление которого хотя и остается постоянным, но сила изменяется.
Так как коллектор вращается, то и рабочую обмотку, соединенную с ним, делают всегда вращающейся. Ее располагают на внутреннем железном сердечнике, насаженном на ось машины. Для получения постоянного тока без пульсаций обмотку разделяют на много секций и применяют коллекторы из многих пластин.
Электродвигатель постоянного тока
Если в машине постоянного тока, создать ток от внешнего источника, то ее якорь приходит во вращение. Поэтому коллекторные машины могут служить как генераторами, так и двигателями, т.е. они обратимы.
Для лучшего уяснения превращения энергии в генераторах и двигателях рассмотрим силы, действующие на якорь. На рис.8 схематически изображена машина постоянного тока, работающая в качестве генератора (а) и в качестве двигателя (б).
Рис.8.
В случае генератора направление тока индукции в якоре определяется законом Ленца: у северного полюса ток направлен от чертежа к читателю, а у южного полюса - от читателя за чертеж. На проволоки якоря действуют электродинамические силы, которые пропорциональны току якоря. Они стремятся вызвать вращение якоря по часовой стрелке, т.е. в сторону, противоположную вращению генератора. Для поддержания вращения якоря необходимо действие внешних сил, равных по величине и противоположных по направлению, которые создаются двигателем, вращающим генератор. Поэтому двигатель непрерывно производит механическую работу против электродинамических сил, которая тем больше, чем сильнее ток, отбираемый от генератора, и мы имеем, следовательно, превращение механической работы двигателя в электрическую энергию.
При работе машины в качестве электродвигателя внешнего двигателя нет и на обмотку якоря действуют только электродинамические силы, под действием которых якорь приходит во вращение. В этом случае работу совершают электродинамические силы, и мы имеем превращение электрической энергии источника, питающего двигатель, в механическую работу. Из рис. 8 видно, что при одинаковом направлении вращения генератора и электродвигателя направления токов в якоре противоположны.
При вращении якоря двигателя его обмотка пересекает линии индукции магнитного поля, и поэтому в ней возникает э.д.с. индукции . Эта э.д.с., как разъяснялось выше , стремится создать ток, противоположный току якоря , и поэтому она получила название противоэлектродвижущей силы . Сила тока в якоре зависит как от напряжения U на якоре , так и от противоэлектродвижущей силы ( закон Ома для участка цепи с э.д.с.):
U-
iя = rя ,
где rя - сопротивление якоря.
Противоэлектродвижущая сила уменьшает ток якоря. При работе двигателя без нагрузки (холостой ход) скорость вращения якоря велика и противоэлектродвижущая сила лишь немного меньше напряжения U . Поэтому ток холостого хода мал. При увеличении нагрузки скорость якоря уменьшается и противоэлектродвижущая сила падает. В соответствии с этим ток, потребляемый двигателем, увеличивается, и тем больше, чем сильнее нагрузка.
Это обстоятельство приходится учитывать при пуске двигателя. В момент пуска якорь не вращается вовсе и противоэлектродвижущая сила равна нулю. Поэтому в первые моменты после пуска ток якоря может оказаться настолько большим, что вызовет порчу обмотки и пластин коллектора. Для устранения этого явления при пуске мощных двигателей всегда употребляют так называемые пусковые реостаты, которые включают последовательно с двигателем и выводят постепенно, по мере роста числа оборотов двигателя.
Синхронные двигатели
Генераторы переменного тока могут быть использованы и в качестве электродвигателей, т.е. они, так же как и машины постоянного тока, обладают обратимостью.
Для разъяснения способа действия таких двигателей обратимся к рис.9, на котором показана часть машины с внешними полюсами. Ее электромагниты SNS… питаются, как в генераторе, от внешнего источника постоянного тока, например от вспомогательного генератора, насаженного на общую ось машины, а ротор присоединяется к сети переменного тока. Пусть один из полюсов ротора находится в положении а и ток в обмотке ротора создает на этом полюсе южного намагничивания. Полюс ротора будет отталкиваться от южного полюса S и притягиваться к северному полюсу N и ротор начнет поворачиваться по часовой стрелке. Допустим теперь, что в положении ротора б (рис.9) сила тока обращается в нуль, а а в более позднем положении в ток в обмотке ротора изменяет направление. Тогда рассматриваемый полюс ротора в положении в перемагнитится и будет уже отталкиваться от северного полюса статора N и притягиваться к южному S. Поэтому ротор будет продолжать вращаться по часовой стрелке до тех пор, пока в его обмотке существует переменный ток.
Из сказанного ясно, что вращение ротора будет происходить только при строго определенной скорости вращения. Эта скорость должна быть такой, чтобы время, необходимое для прохождения каждым полюсом ротора расстояние между двумя соседними одноименными полюсами статора, точно равнялось периоду переменного тока.
Рис.9
Или, как принято говорить, ротор должен вращаться синхронно с изменением переменного тока. Поэтому и двигатель такого типа получили название синхронных двигателей.
Синхронные двигатели обладают тем неудобством, что они не запускаются сами; для их пуска необходимо раскрутить ротор до синхронной скорости с помощью постороннего двигателя или какого-нибудь иного приема. Точно так же, если вследствие значительной перегрузки скорость ротора уменьшается (двигатель выйдет из синхронизма), то двигатель остановится. Тем не менее синхронные двигатели находят себе применение, в особенности в тех случаях, когда необходимо иметь строго постоянное число оборотов .
Наряду с синхронными двигателями имеются и другие типы электродвигателей переменного тока. Однако широкое внедрение в технику двигателей переменного тока сделалось возможным лишь после того, как М. О. Доливо-Добровольским были разработаны так называемые системы многофазных токов, к рассмотрению которых нам и следует обратиться.
Двухфазный ток
Рассмотрим генератор (рис.10), подобный обычному генератору переменного тока, но содержащий две независимые обмотки: одну состоящую из катушек 1и 3, и другую - из катушек 2 и 4 , повернутую относительно первой на угол /2. При вращении ротора в каждой обмотке будет наводиться переменная э.д.с., но максимум э.д.с. 2 в обмотке 2-4 будет достигаться позднее, чем максимум э.д.с. 1 в обмотке 1-3 ,на время в четверть периода обращения ротора, и э.д.с. 2 будет обращаться в нуль с таким же опозданием. Иными словами, между колебаниями э.д.с. в обеих обмотках будет существовать разность фаз в 90, или /2.
Рис.10
Если обозначить максимальное значение э.д.с. в каждой обмотке через 0 (амплитуда э.д.с. ), а угловую скорость вращения ротора - через , то закон изменения э.д.с. в обеих катушках будет иметь вид
1 = 0 sin t , 2 = 0 sin ( t - 90 ) . (7.1)
Каждую из двух обмоток генератора, которые мы будем обозначать в дальнейшем О1 и О2 , мы можем соединить с нагрузочными сопротивлениями r1 и r2 (рис.11) , и тогда получатся две цепи, в каждой из которых будет переменный ток . Однако оба эти тока будут согласованны , между ними так же будет существовать определенная разность фаз. Два таких тока называются двухфазной системой токов или просто двухфазным током.
На рис.11 , а показаны четыре провода, соединяющие генератор с нагрузкой. Однако число проводов можно уменьшить. Так как для электрических явлени важны только разности потенциалов, то один провод каждой цепи можно сделать общим, и тогда мы получим трехпроводную цепь двухфазного тока, показанную на рис.11,б.
Рис.11
Напряжения между концами обмоток О1 и О2 называются фазными напряжениями, токи в О1 и О2 - фазными токами. Этими же названиями обозначают напряжения и токи в нагрузочных сопротивлениях r 1 и r 2. Напряжения же между проводами 1,2 и 3 называют линейными напряжениями, а токи в этих проводах - линейными токами. Если генератор разомкнут (r 1 = r 2 =), то фазные напряжения равны э.д.с. в каждой обмотке. Если принять потенциал провода 1 за нуль, то потенциал провода 2, или линейное напряжение между проводами 1 и 2 равно
U12 = 0 sin t ,
а линейное напряжение между 1 и 3 равно
U13 = 0 sin ( t - 90 ).
Линейное же напряжение между проводами 2 и 3 есть разность потенциалов проводов 2 и 3:
U23 = 0 sin t - 0 sin ( t-90 )= 20 sin 45 cos (t-45 ) =
= 2 0 sin (t + 45 ) (5.1)
Таким образом, в трехпроводной системе двухфазного тока мы можем получить три, обычных (однофазных) тока одинаковой частоты , но с разностью фаз 90 и 45 и с двумя разными амплитудами э.д.с. , 0 и 0 2.
Подобным образом мы можем себе представить не два, а три, четыре и вообще n переменных согласованных токов, получаемых в одном генераторе с n обмотками, обладающих определенной разностью фаз, или систему многофазных токов. Однако широкое практическое применение получил только трехфазный ток.
Трехфазный ток
Схема устройства генератора трехфазного тока показана на рис.12. Генератор
имеет три обмотки, смещенные относительно друг друга на 1/3 окружности. При вращении ротора мы получим в каждой из обмоток, обозначаемые в дальнейшем через О1 , О2 и О3, переменные э.д.с. 1, 2 и 3, между которыми будет разность фаз 120 и 240. Поэтому, если колебания э.д.с. в обмотке О1 выражаются формулой
1 = 0 sin t ,
то для э.д.с. в других обмотках мы имеем
2 = 0 sin ( t- 120 ) ,
3 = 0 sin ( t 240 ) .
Изменение во времени э.д.с. в трех обмотках графически представлено на рис.13.
рис.12
Каждую из обмоток мы можем замкнуть на нагрузочные сопротивления r 1, r2, r3 ( рис. 14) и получить три однофазных переменных тока, между которыми будет строго постоянная разность фаз, равная соответственно 120 и 240. Такие три согласованных переменных тока и называются системой трехфазных токов или, коротко, трехфазным током.
Рис.13 Рис.14
Число проводов, соединяющих генератор с нагрузкой, так же как и при двухфазном токе, можно уменьшить, если объединить по одному проводу в каждой цепи. Тогда мы получим соединение генератора, показанное на рис.15, называемое соединением звездой. Оно подобно соединению трех одинаковых источников тока, показанному на рис.16.
Рис.15 Рис.16
Предположим, что генератор разомкнут (r1 = r2 = r3 = ), и найти связь между фазным напряжением ( существующим в каждой из обмоток О1, О2, О3) и линейными напряжениями (между проводами 1, 2, 3). Очевидно, что линейное напряжение между проводом 0 и любым из других проводов равно фазному напряжению и его амплитуда есть 0 . Линейное напряжение между любой парой проводов 1, 2 и 3 будет другим. Вычислим, например, напряжение между проводами 1 и 3. Оно равно разности потенциалов между свободными концами обмоток О1 и О2:
= 0 sin t - 0 sin ( t -120 ) = 2 0 sin 60 cos ( t- 60 ) .
Но sin 60 = 3/2, cos ( t - 60 ) = sin ( t + 30 ), и поэтому
= 0 3 sin ( t + 30 ).
Мы имеем, следовательно, линейное напряжение, изменяющееся с той же частотой , что и фазное. Но с амплитудой в 3 раз больше фазного. Таким образом, при соединении генератора звездой мы можем получить в линии два напряжения, а именно фазное 0 и 03 .
Допустим теперь, что генератор нагружен на сопротивления, также соединенные звездой (рис.15) , причем r1 = r2 = r3 ( симметричная нагрузка). В этом случае в каждом из проводов 1,2 и 3 амплитуда токов i0 будет одинакова и токи в них будут изменяться по закону
i1 = i0 sin t , i2 = i0 sin ( t - 120 ), i3 = i0 sin ( t - 240 )
В проводе 0, являющемся общим, сила тока будет равна сумме всех линейных токов :
i = i1 + i2 + i3 = i0 sin t + i0 sin ( t - 120)+ i0 sin ( t - 240 ).
Но sin ( t - 120)+ sin ( t - 240 ) = 2 sin ( t - 180 ) cos 60 =
= sin ( t - 180 ) = - sin t .
Поэтому i = i1 + i2 + i3 = 0 .
Таким образом, при симметричной нагрузке сила тока в проводе 0 равна нулю, отчего этот провод называют нулевым. В случае симметричной нагрузки (или даже приблизительно симметричной) нулевой провод можно удалить вовсе линия будет работать исправно.
Возможно и другое соединение обмоток генератора, показанное на рис. 17 (соединение треугольником). Ему соответствует соединение трех источников тока, изображенное на рис.18.
На первый взгляд может показаться, что в этом случае обмотки замкнуты сами на себя ( накоротко). Это действительно так и было бы, если бы мы имели три источника постоянного тока. На самом же деле мы имеем переменные э.д.с., обладающие разностью фаз, что существенно изменяет дело. Действительно, полная э.д.с. треугольника равна
= 1 + 2 + 3 = 0 sin t + 0 sin ( t-120 ) + 0 sin ( t- 240 ).
Но мы уже вычислили выше эту сумму и видели, что она равна нулю. Таким образом, полная э.д.с. треугольника равна нулю, и если генератор не нагружен, то не только не получается короткого замыкания, но в его обмотках вовсе нет тока.
Из рис.17 ясно без расчетов, что при соединении треугольником линейные напряжения равны фазными напряжениями; при разомкнутом генераторе амплитуда линейных напряжений равна амплитуде э.д.с. в одной обмотке 0.
Необходимо отметить, что на рис.15 и рис.17 предполагалось, что и генератор и нагрузки соединены одинаково- либо звездой, либо треугольником. Разумеется, можно употреблять и комбинированные схемы , соединяя, например, генератор вездой , а потребителей энергии - треугольником или, наоборот, генератор - треугольником, а потребителей - звездой.
рис.17 рис.18
Вращающееся магнитное поле
Представим себе вращающийся постоянный магнит. Вместе с магнитом будет перемещаться и создаваемое им магнитное поле, и мы получим, вращающееся магнитное поле.
Если в такое поле поместить стрелку, то она будет стремиться установиться вдоль линий поля и поэтому придет во вращение в ту же сторону, в которую вращается поле.
Подобно магнитной стрелке будет вести себя замкнутый виток проволоки. Вследствие движения поля относительно витка в проволоке возникнет индукционный ток, который будет направлен ток, который будет направлен так, как показано на рис.19. На этот ток со стороны магнитного поля будут действовать силы, стремящиеся вращать виток вместе с полем, и виток придет во вращение.
Таким же образом будут вести себя массивные металлические диск и цилиндр, так как в них так же будут наводиться индукционные токи, которые будут замыкаться в толще металла диска или цилиндра (так называемые вихревые токи), однако, так же как и токи в проволоках, они будут взаимодействовать с магнитным полем. Возникающие при этом силы, согласно закону Ленца, будут направлены так, чтобы уменьшить скорость вращения диска относительно поля, отчего диск (или цилиндр) придет во вращение в том же направлении, как и поле.
Вращающееся магнитное поле можно получить и с помощью переменных токов. Рассмотрим сначала получение вращающегося поля при помощи двухфазного тока. Пусть имеются две катушки 1 и 2 (рис.20), повернутые друг относительно друга на угол 90, питаемые двухфазным током. Это значит, что если ток в катушке 1 меняется по закону 1= sin t, то ток в 2 будет sin (t-90). Катушка 1 создает переменное магнитное поле Hx, изменяющееся по закону
Hx = H0 sin t .
Катушка 2 создает магнитное поле Н , направленное перпендикулярно к полю Нх и отстающее от него по фазе на 90:
Н =Н0 sin ( t -90) = - H0 cos t .
Абсолютная величина результирующего поля
H = Hx + H = H0
остается постоянной во времени. Направление же этого поля изменяется. Будем характеризовать это направление углом ( рис.20), составленным вектором Н и осью Y . Тогда
tg = Hx / Hy = - tg t ,
или
= - t .
рис.19 рис.20
Мы видим, что вектор Н результирующего поля равномерно поворачивается против часовой стрелки с угловой скоростью , т.е. мы имеем вращающееся магнитное поле , подобно полю вращающегося постоянного магнита.
В рассмотренном примере мы получили поле, вращающееся против часовой стрелки. Легко видеть, что если бы мы пересоединили концы одной из катушек 1 или 2, то мы изменили бы знак одного из полей Нх или Ну и при этом получили бы = + t ,т.е. вращение по часовой стрелке.
Для получения вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного тока нужны три катушки (или их число, краткое трем) соответственно трем переменным токам в системе трехфазных токов. Катушки 1, 2, 3 должны быть повернуты относительно друг друга на углы 120 , как показано на рис.21.
Рис.21
В этом случае мы имеем три переменных магнитных поля Н1, Н2 и Н3, которые составляют друг с другом, так же как и катушки, углы в 120. Колебания этих полей выражаются формулами:
Н1 = Н0 sin t ,
H2 = H0 sin ( t - 120 ) , (9.3)
H3 = H0 sin ( t - 240 ).
Нетрудно показать, что эти три поля, складываясь, дают результирующее поле, вращающееся с угловой скоростью . Абсолютное значение результирующего поля остается постоянным и равным 3/2 Н0.
Если поменять местами концы любой пары проводов, присоединенных к катушкам поля (или к зажимам генератора), то направление вращения поля изменяется на обратное.
Вращающееся магнитное поле используют в асинхронных двигателях переменного тока. В двигателях трехфазного тока три обмотки, создающие вращающееся магнитное поле, размещены в пазах статора. Они соединяются либо по схеме треугольника, либо по схеме звезды и включаются в сеть трехфазного тока.
Ротор двигателя представляет собой железный сердечник, в пазах которого помещается обмотка. В двигателях небольшой мощности эта обмотка замыкается сама на себя накоротко. Обмотка ротора часто выполняется в виде толстых стержней, замкнутых на концах медными кольцами, так что вся обмотка имеет вид «беличьего колеса».
Вследствие возникновения вращающегося поля в обмотке ротора возникает индукционный ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит к силам, поворачивающим ротор.
Асинхронный двигатель трехфазного тока отличается большой простотой устройства. Он обладает также хорошими механическими характеристиками. Поэтому этот двигатель получил весьма широкое распространение . 1
Реле и их применение в технике
В современной технике применяются такие устройства, как реле- приборы, которые при включении или выключении в их цепи очень малого электрического тока замыкают или размыкают цепь с гораздо большим током, приводящим в движение какой - либо мотор или механизм. Типы и конструкции реле очень разнообразны.
Рис.22
Реле, схема которого изображена на рис.22, устроено следующим образом . Управляющий ток (малый) проходит по обмотке электромагнита 1 . Железный сердечник электромагнита притягивает железную пластину 2-2, замыкая в точке 2 цепь рабочего тока (большого). Пластина 2-2 закреплена в точке 2, около которой она может вращаться, и оттягивает вверх пружиной 3, разрывающей контакт в точке 2, когда электромагнит не работает. Пружина закреплена на пластине 4. Можно регулировать ее натяжение, от которого зависит, при каком наименьшем управляющем токе реле может «сработать».
Чувствительность современных реле очень велика. Существуют реле, которые «срабатывают», т.е. воздействуют на рабочий ток, уже от управляющего тока в десятитысячные и даже стотысячные доли ампера. Такие реле не могут замыкать очень больших токов, и потому иногда применяют несколько реле, работающих последовательно. Первое реле- очень чувствительное - замыкает ток от 0,1 до 1 А в цепи второго реле, которое уже включает или выключает рабочий ток, иногда огромной силы. 2
Список литературы
Калашников С.Г. Электричество- 4 изд., М. 1977г.
Ландсберг Г.С. Учебник физики
Том II. Электричество и магнетизм- 10изд., М. 1995г.
3. Большой энциклопедический словарь. Физика (1984г.)
Размещено на http://www.allbest.ru/
Подобные документы
Магнитное поле - одна из форм более общего электромагнитного поля. Магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Постоянные магниты. Электромашинные генераторы и электродвигатели. Магнитоэлектрические приборы. Электрические наручные часы.
реферат [14,3 K], добавлен 10.05.2004Процесс формирования и появления магнитного поля. Магнитные свойства веществ. Взаимодействие двух магнитов и явление электромагнитной индукции. Токи Фуко — вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении магнитного потока.
презентация [401,5 K], добавлен 17.11.2010Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Магнитные свойства веществ. Условия создания и проявление магнитного поля. Закон Ампера и единицы измерения магнитного поля.
презентация [293,1 K], добавлен 16.11.2011История открытия магнитного поля. Источники магнитного поля, понятие вектора магнитной индукции. Правило левой руки как метод определения направления силы Ампера. Межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли. Действие магнитного поля на ток.
презентация [3,9 M], добавлен 22.04.2010История магнита и магнитного компаса. Применение магнитов. Жидкий магнит. Магнитное поле Земли и последствие его возмущений. Электромагнетизм. Магнитное поле в веществе (магнетики). Наблюдение зависимости намагничивания железа от температуры.
реферат [55,5 K], добавлен 01.03.2006Проявления магнитного поля, параметры, его характеризующие. Особенности ферромагнитных (магнитомягких и магнитотвердых) материалов. Законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей постоянного тока, принцип их расчета, их аналогия с электрическими цепями.
контрольная работа [122,4 K], добавлен 10.10.2010Виды механической энергии. Кинетическая и потенциальная энергии, их превращение друг в друга. Сущность закона сохранения механической энергии. Переход механической энергии от одного тела к другому. Примеры действия законов сохранения, превращения энергии.
презентация [712,0 K], добавлен 04.05.2014Природа и характеристики магнитного поля. Магнитные свойства различных веществ и источники магнитного поля. Устройство электромагнитов, их классификация, применение и примеры использования. Соленоид и его применение. Расчет намагничивающего устройства.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 17.01.2011Анализ механической работы силы над точкой, телом или системой. Характеристика кинетической и потенциальной энергии. Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой. Исследование закона сохранения и превращения энергии в механических процессах.
презентация [136,8 K], добавлен 25.11.2015Анализ источников магнитного поля, основные методы его расчета. Связь основных величин, характеризующих магнитное поле. Интегральная и дифференциальная формы закона полного тока. Принцип непрерывности магнитного потока. Алгоритм расчёта поля катушки.
дипломная работа [168,7 K], добавлен 18.07.2012
