Принцип действия электрической машины и трансформатора

Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

На рисунке показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле между полюсами помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем возникнет э.д.с.

e = Blv,

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник (Тл);

l — активная длина проводника, т. е. его часть, находящаяся в магнитном поле (м);

v —скорость движения проводника относительно поля (м/с).

Это выражение называют законом электромагнитной индукции. ЭДС электромагнитной индукции пропорциональна магнитной индукции поля, длине провода и скорости его движения.

Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля.

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на первом рисунке.

В результате взаимодействия тока i (А) в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила

Fэм = Bil,

направление которой, определяется по правилу левой руки.

При равномерном движении проводника к нему должна быть извне приложена механическая сила F, равная F_ЭМ, т. е.

F = F_ЭМ

Если умножить обе части равенства сил на скорость v, то получим равенство мощностей

F∙v = F_ЭМ ∙v

F∙v = e∙i

Отсюда видим, что механическая мощность Fv в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность ei. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений

u = e – i∙r,

где u — напряжение на зажимах внешнего сопротивления;

ir — падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление r.

Умножив это уравнение на i, получим:

u∙i = e∙i – i²r,

где ui — электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности ei, полученной в результате преобразования механической мощности);

i²r — электрические потери в проводнике.

Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение u так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на первом рисунке направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится э.д.с. е, направленная против тока i и против напряжения u, в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение u должно уравновесить э.д.с. е и падение напряжения в проводнике ir, т. е.

u = e + ir

От уравнения напряжений, умножив его на i, перейдем к уравнению мощностей

ui = ei + i²r

В этом уравнении i²r — электрические потери в проводнике, ei — та часть подведенной электрической мощности ui, которая преобразуется в механическую мощность F_ЭМ v.

ei = Blvi = F_ЭМ v

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.

Таким образом наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения.

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению

Машины постоянного тока.