Развитие источников электричества - генераторов
Антонио Пачинотти указывал и на то обстоятельство, что если в его машине электромагнитное возбуждающее поле создавать постоянными магнитами и принудительно вращать якорь, то ее можно превратить в генератор. Принцип обратимости электрических машин впервые сформулировал русский физик и электротехник Эмилий Христианович Ленц.
Как уже отмечалось, первые электрические генераторы были генераторами переменного тока, но в практических применениях электротехники (минная электротехника, электрохимия, телеграфия, зарождающееся электрическое освещение) использовался постоянный ток. Соединение генератора переменного тока с "выпрямителем" - барабанным коммутатором - впервые осуществили братья Пиксии. В указанных генераторах на вращающейся части - якоре - располагались постоянные магниты. Более целесообразным оказалось сделать магниты неподвижными, а вращать обмотки. При этом проще было выполнить и коммутатор, вращающаяся часть которого закреплялась на валу вместе с якорем. Первый такой магнитоэлектрический генератор построил Якоби в 1842 г., занимаясь усовершенствованием методов электрического взрыва мин. Конструкция Якоби совершенствовалась другими учеными и в 1856 году в Париже была организована электропромышленная компания "Альянс", начавшая серийный выпуск генераторов для питания дуговых ламп на маяках. Этот генератор так и назывался - Альянс. На чугунной станине по окружности располагались постоянные магниты (40 и более) радиально по отношению к вращающемуся паровой машиной валу. На валу устанавливались диски с большим числом катушек и коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга. Токосъем осуществлялся с помощью роликов. Меняя соединения обмоток якоря можно было вырабатывать большой ток низкого напряжения (гальванопластика), либо малый ток высокого напряжения. По сути это тот же принцип собирания одной большой машины из нескольких малых ( принцип Якоби).
|
|
|
Создание генератора в 10 л.с. нагляднее показало недостатки магнитоэлектрических машин. Старение с течением времени, вибрация во время работы, размагничивающее действие магнитного поля, создаваемого током якоря, приводили к быстрому размагничиванию постоянных магнитов, мощность машины уменьшалась. Якорь выполнялся в виде сплошного стержня, который сильно нагревался, разрушалась изоляция обмоток. В дальнейшем от постоянных магнитов отказались, заменив их на электромагниты, питающиеся от независимого источника тока.
Ферромагнетизм
Замена постоянных магнитов, создающих магнитное поле в электрической машине, на электромагниты возможна при использовании так называемых ферромагнетиков.
|
|
|
Ферромагнетиками называют вещества, способные к сильному намагничиванию. Магнитная проницаемость большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется сотнями и тысячами единиц. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между индукцией (В) и напряженностью поля (m0Н) . Эта зависимость была установлена в классических работах русского физика Александра Григорьевича Столетова на примере мягкого (отоженного) железа. (рис.1.2) Эта зависимость определяет намагничение материала (магнитный момент единицы объема) I = B - m0H. Как и индукция намагничение сначала быстро возрастает, но затем рост замедляется и наступает магнитное насыщение (намагничение перестает зависеть от напряженности поля). Соответственно, магнитная проницаемость материала (магнетика) возрастает с увеличением напряженности поля до максимальной величины, а затем асимптотически уменьшается, стремясь к единице.
Рисунок 1.2 - характеристики ферромагнетиков
Эти особенности намагничивания ферромагнетиков показывают эффективность их использования для получения сильных магнитных полей. Именно с этой целью они и используются в электрических машинах: магнитное поле создается обмоткой возбуждения (ток возбуждения протекает по обмотке, намотанной на железный сердечник). Такая система, по сравнению с постоянными магнитами, не подвергается старению, не теряет своих свойств при вибрации, позволяет принять меры против размагничивания токами якоря.
|
|
|
Ферромагнетики являются анизотропными - вид кривой намагничения зависит от направления поля относительно кристаллов вещества. В результате при уменьшении внешнего магнитного поля после намагничивания уменьшение индукции отличается от ее изменения при увеличении поля. В магнетике сохраняется остаточная индукция. Это явление получило название магнитного гистерезиса, а петлеобразная зависимость индукции от напряженности - петлей гистерезиса. Магнитный гистерезис и полезен и вреден. При намагничении магнетика совершается определенная работа (ему сообщается энергия), при размагничивании эта энергия возвращается. Если магнетик обладает гистерезисом, то энергии возвращается меньше (остаточная энергия пропорциональна площади петли гистерезиса). Эта энергия затрачивается на совершение работы против коэрцитивных сил и, в конечном счете, превращается в тепло. При цикличном перемагничивании ферромагнетики нагреваются, что необходимо учитывать при их использовании.
|
|
|
Остаточное намагничение можно также использовать для создания магнитного поля в электрической машине без применения для этой цели внешнего источника тока: попробовать питать обмотку возбуждения током, вырабатываемым самой машиной. Это возможно, так как остаточное намагничивание создаст в обмотке якоря, при его вращении, небольшую ЭДС (полная аналогия с работой машины при использовании постоянных магнитов). Нужно только так подсоединить обмотку возбуждения к якорю, чтобы эта ЭДС создавала ток, увеличивающий намагничение ферромагнетика. Идея самовозбуждения можно сказать витала в воздухе, об ее открытии только в Лондонском Королевском обществе в 1867 г. независимо друг от друга и с разницей в пару часов (на одном заседании) объявили немец Вильгельм Сименс (он зачитал письмо своего брата Вернера Сименса) и англичанин Чарльз Уитстон. Впоследствии оказалось, что и они не были первыми. Патент на самовозбуждение был выдан английским инженерам Варлей за два месяца до этого заседания. Потом оказалось, что за полгода до братьев Варлей о самовозбуждении была публикация в журнале "ENGINEER". И это еще не все! Научные общества разных стран утверждают о приоритете своих соотечественников, называя 1838 г. и ранее.
Но приоритет приоритетом, а первые машины, использующие принцип самовозбуждения, начал выпускать Вернер Сименс - глава известной уже фирмы. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектрическим, а сам генератор с самовозбуждением динамомашиной.
Революционным шагом в машиностроении, положившем начало промышленной электротехнике, было объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря. Такой генератор осуществил в фирме "Альянс Зеноб Т. Грамм. Практически от повторил конструкцию Пачинотти, но обмотка на якоре Грамма была непрерывной замкнутой сама на себя. От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Так как принцип обратимости был уже хорошо известен, то машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Она получила очень широкое распространение.
Грамм создал машину постоянного тока современного типа. В дальнейшем шли усовершенствования именно этой конструкции. В 1873 году кольцевой якорь заменили барабанным (в кольцевом "внутренняя" половина витков обмотки не работает) - главный инженер фирмы "Сименс" Фридрих Гефнер-Альтенек. Американец Хайрем Максим (все знают пулемет его системы) вновь (после Пачинотти) ввел зубчатый якорь. Эдисон Томас Альва получил патент на шихтованный якорь: сплошной сердечник он заменил составленным из большого числа тонких дисков, разделенных между собой листами тонкой бумаги. Такая конструкция уменьшала потери в якоре при перемагничивании.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 260; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!