Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

13
Рис. 11. Современный электрический утюг
В электрических обогревателях могут быть реализованы два механизма передачи тепла – инфракрасное излучение и конвекционный нагрев. В первом случае окружающие предметы нагреваются быстро, но все, что находится в тени, остается холодным. Второй вариант действует медленно, но верно – воздух по мере прогрева перемешивается и передает тепло всему, что есть в помещении. Такой электронагреватель изображен на рис. 12. На практике применяются оба механизма, как по отдельности, так и совместно.
Рис. 12. Электронагреватель
Инфракрасные обогреватели также называют рефлекторами, поскольку они для направленного излучения тепла снабжены параболическими отражателями. Среди конвекционных нагревателей центральное место занимают масляные радиаторы. Они похожи на радиаторы водяного отопления, но содержат внутри ТЭНы и минеральное масло в качестве теплоносителя. Их максимальная температура около 100
°
С, что безопасно для людей и окружающих предметов. Система регулирования температуры в таких устройствах бывает двух типов: простейшая поддерживает заданную мощность, а более совершенная – температуру воздуха в помещении.
Для полноценного отопления помещения без нагрева воздуха не обойтись.
Конвекционные обогреватели создают существенный

14 температурный градиент – в непрогретой комнате температура в районе пола и потолка отличается на 10 ˚С и более. А всем известно, что замерзшие ноги
– верный путь к простуде. Для перемешивания воздуха используются специальные малошумящие вентиляторы, иногда совмещенные с люстрами.
Впрочем, такая проблема актуальна лишь при высоких потолках и в частных жилищах имеет место редко. На практике для ускоренного достижения комфортной температуры используют тепловентиляторы, то есть нагревательные элементы с обдувом. Нагревательные элементы могут быть разными, но лучшими для применения дома считаются керамические. Они наиболее долговечны и безопасны. Нагревательные спирали, закрепленные на керамических или слюдяных каркасах, используются реже.
Для отопления подсобных помещений и гаражей применяются более мощные тепловентиляторы, называемые тепловыми пушками. Они могут быть трехфазными и однофазными и иметь мощность в десятки киловатт. В качестве нагревательных элементов в них используются ТЭНы. Тепловая пушка изображена на рис. 13.
Рис. 13. Тепловая пушка
Интересной разновидностью тепловентилятора является тепловая завеса. Она располагается в дверном проеме сверху или сбоку и потоком горячего воздуха отсекает холод улицы. В частных домах и, тем более, квартирах используется редко. Обычно тепловая завеса нужна там, где часто открывают дверь, например в магазинах.

15
Кондиционеры поддерживают заданные параметры воздуха в помещении, но реально они почти всегда используются лишь для его охлаждения в жаркий период года. По принципу работы они делятся на компрессионные и испарительные. Компрессионные устроены по принципу холодильника. Хладагент сжимается компрессором до жидкого состояния и за счет повышения давления нагревается до 90–95 ˚С. После прохождения по тонкой длинной трубке охладителя он становится всего на 20–30 ˚С теплее окружающего воздуха. Далее хладагент поступает в испаритель – емкость с достаточно большой поверхностью, где он переходит из жидкого состояния в газообразное. Этот переход сопровождается поглощением тепла. В результате испаритель охлаждается и поглощает тепло из проходящего через него воздуха.
Конструктивных вариантов исполнения известно множество. Самый популярный из них – сплит-система, в которой компрессор, охладитель и другие элементы выносятся на улицу в отдельном блоке. Внутри помещения остается лишь охладитель со своим вентилятором и блок управления. Такая система работает почти бесшумно. Она изображена на рис. 14.
Рис. 14. Кондиционер
Менее распространены кондиционеры испарительного типа. В них охлаждение воздуха происходит при обдуве пропитанного водой воздушного

16 фильтра. Эффективность работы такого кондиционера зависит от влажности воздуха – если она высока, то охлаждение будет слабым.
Электрические водонагревательные приборы бывают двух типов – накопительные и проточные. Они изображены на рис. 15.
Рис. 15. Водонагреватели накопительного и проточного типов
Накопительный водонагреватель представляет собой бак, оборудованный нагревательным элементом и терморегулятором, чаще всего биметаллическим. Из-за достаточно большого объема воды он требует времени на ее нагрев, зато весь объем можно израсходовать быстро.
В проточном водонагревателе вода проходит через нагревательный элемент мощностью несколько киловатт и не требует времени на подготовку.
Они удобны для мытья рук, посуды и некоторых других целей, не требующих сильного потока. Некоторые образцы могут даже подавать горячую воду в душ. Регулирование температуры в проточных водонагревателях осуществляется изменением напора воды.

17 железным сердечником. Электромагнит с сердечником подковообразной формы и двумя обмотками показан на рис. 16.
Рис. 16. Электромагнит
Когда по обмоткам пропускают ток, сердечник приобретает свойства магнита, а при отключении тока утрачивает их. Эта конструкция практически полностью повторяет предложенную англичанином Сте́рдженом в 1825 году и считающуюся первым в мире электромагнитом.
Электромагниты широко применяются в технике. Они приводят в действие пускатели в электрических цепях и другие коммутационные устройства, выполняют простую механическую работу. Всем знакомы кодовые замки или двери подъездов, оборудованных домофонами.
Первый магнит работал от постоянного тока, направление которого не имело значения. Это и в наше время самый распространенный тип электромагнита. Он называется нейтральным. Есть поляризованные электромагниты, принимающие одно из двух фиксированных положений. На рис. 17 изображен постоянный магнит, расположенный в зазоре магнитопровода.
Такая конструкция называется поляризованным электромагнитом.
Магнитопровод электромагнита пост.

18
Рис. 17. Поляризованный электромагнит
Взаимодействие постоянного магнита с индуцированным магнитным полем зависит от полярности протекающего по обмоткам тока. Магнит переместится к одному из полюсов, а после выключения тока останется там за счет собственного магнетизма. Если, к примеру, такой электромагнит использовать в электрическом замке, то он может сколько угодно оставаться в любом из двух положений. Поляризованные электромагниты применяются во всевозможных системах дистанционного управления.
Все вышеописанные конструкции предполагают питание постоянным током. А что будет, если на катушку электромагнита подать переменное напряжение? Для притяжения железа направление тока в обмотке не имеет значения, но пульсации магнитного потока создают определенные сложности. Предположим, что электромагнит работает в составе реле, то есть притягивает якорь. Если реле миниатюрное, то якорь имеет малую инерцию и пульсирующий магнитный поток приведет к его ощутимой вибрации, хорошо слышимой. Более массивные реле, например электромагнитные пускатели, имеют достаточно тяжелые якоря, которые не способны вибрировать с частотой 100 Гц. Такие электромагниты широко применяются в электротехнике. Иногда в их конструкцию вводят некоторые усложнения, вроде экранирующих витков, которые сглаживают пульсации магнитного потока. Применяется и более простая конструкция – выпрямительный мост и сглаживающие реактивные элементы.
Еще электромагниты различаются по способу включения, режиму работы и быстродействию. При параллельном включении обмотка имеет много витков тонкого провода, а при последовательном – мало витков толстого провода. Режим работы может быть длительным, кратковременным магнит
Магнитопровод электромагнита

19 или прерывистым. Скорость срабатывания может быть нормальной, повышенной и замедленной.
Коллекторный электродвигатель
Принцип работы коллекторного электродвигателя поясняется рис. 18.
Рис. 18. К пояснению принципа работы коллекторного двигателя
Как известно, магниты притягиваются разными полюсами, а отталкиваются одинаковыми. Если между двумя неподвижными магнитами поместить один подвижный, как это показано на рис. 18а, то он сориентируется соответствующим образом. Если в качестве подвижного магнита использовать систему из нескольких электромагнитов, изображенную на рис. 18б, то можно поочередно подавать ток на их обмотки таким образом, что система начнет вращаться.
Для выполнения таких переключений используется щеточно- коллекторный узел, изображенный на рис. 18в. Коллектор представляет собой набор медных пластин, закрепленных на валу через изолятор. К пластинам припаяны провода обмоток. Медно-графитовые щетки касаются тех пластин, которые обеспечивают поворот ротора. После поворота щетки касаются уже других пластин, снова происходит поворот и процесс повторяется снова и снова. щетка щетка в) щеточно- коллекторный узел б) конструкция двигателя а) взаимодействие постоянных магнитов
L
2
L
2
L
1
L
1
L
2
L
2
L
1
L
1
N
N
S
S
N
N
L
1 1
N

20
Постоянные магниты используются только в маломощных электродвигателях, а в большинстве случаев постоянное магнитное поле создается электромагнитами. При этом обмотка возбуждения электромагнита подключается так же, как и в рассмотренных ранее генераторах – независимо от основного источника тока, параллельно ему или последовательно.
Смешанный вариант в электродвигателях практически не применяется.
При независимом возбуждении обмотки электромагнитов питаются от отдельного источника.
Этот способ характерен для мощных электродвигателей. В машинах меньшей мощности обмотку возбуждения подключают к основному источнику питания двигателя через реостат, как и питание якоря. Это позволяет регулировать скорость вращения и крутящий момент. В современных электродвигателях вместо реостатов используют электронные схемы с широтно-импульсной модуляцией.
Часто возникает необходимость изменить направление вращения ротора электродвигателя на противоположное. Для этого достаточно изменить полярность напряжения либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Изменение направления тока одновременно в двух обмотках не приведет к какому-либо результату. Отсюда вытекает важное следствие – коллекторный двигатель может работать от любого рода тока, в частности от обычного переменного. Однако на практике переменный ток создает целый ряд дополнительных сложностей.
Во-первых, из-за частого перемагничивания сердечники обмоток возбуждения нагреваются токами
Фуко, что требует принятия соответствующих конструктивных решений. Во-вторых, образующиеся при коммутации импульсы ЭДС самоиндукции могут привести к электрическому пробою. Чтобы избежать этого, число секций увеличивают, а обмотки укорачивают. При этом увеличивается и число пластин коллектора, что предполагает конструктивные изменения всего щеточно-коллекторного узла.
В целом коллекторные двигатели переменного тока находят применение в маломощных устройствах, таких как стиральные машины,

21 кофемолки, электроинструмент. Мощные двигатели данного типа применяются крайне редко, когда нет альтернативы.
Главный недостаток коллекторных двигателей состоит в том, что механическая коммутация в щеточно-коллекторном узле приводит к быстрому износу щеток и обгоранию медных пластин.
Бесколлекторный электродвигатель
С появлением надежных и дешевых электронных ключей естественным образом возникла идея заменить механическую коммутацию на электронную и тем самым значительно увеличить срок службы двигателя. В результате появились бесколлекторные двигатели.
Рис. 19. Бесколлекторный двигатель
Ротор изображенного на рис. 19 двигателя представляет собой постоянный магнит, а на катушки электромагнитов статора питание подается таким образом, чтобы они создавали вращающееся магнитное поле.
Магнитный ротор этим полем будет вращаться. Такие простые конструкции называются бесколлекторными. Их недостаток – отсутствие плавности вращения ротора из-за импульсных питающих напряжений.
Современные технологии позволяют с помощью широтно-импульсной модуляции сформировать импульсы таким образом, что магнитный поток будет близок к синусоидальному.
Такая более совершенная конструкция бесколлекторного двигателя носит название вентильной, так как импульсные напряжения формируются

22 электронными ключами – вентилями. Сегодня вентильные электродвигатели считаются самыми современными двигателями постоянного тока, хотя и довольно дорогими.
Шаговый электродвигатель
Во многих производственных процессах необходимо поворачивать обрабатываемую деталь на заданный угол. Такие задачи решаются с помощью шаговых двигателей. Их название говорит о том, что ротор вращается не постоянно, а дискретно, с заданным углом, или шагом. В простейшем случае такой двигатель содержит несколько статорных обмоток и ротор в виде постоянного магнита.
Рассмотренный выше бесколлекторный двигатель при поочередном питании противоположных обмоток будет работать как шаговый с шагом 90 градусов. Этот шаг может быть уменьшен вдвое, если импульсы питающего напряжения подавать еще и одновременно на противоположные пары обмоток. Для дальнейшего уменьшения шага число полюсов статора и ротора увеличивают. Однако существуют технологические ограничения, не позволяющие реализовать таким способом двигатель с шагом несколько градусов. Тогда применяют зубчатые роторы и статоры, питающие токи которых изменяются ступенчато. В современном промышленном оборудовании двигатели такого рода могут выполнять полный оборот за 200 или 400 шагов.
Синхронный электродвигатель
При подаче на пары противоположных обмоток того же бесколлекторного двигателя переменного синусоидального напряжения со сдвигом фаз 90˚ внутри статора образуется вращающееся магнитное поле.
Ротор в виде постоянного магнита будет вращаться вместе с этим полем. На практике обычно используют не две, а три пары обмоток, на которые подают трехфазное напряжение. Ротор тоже имеет несколько пар полюсов, а вместо магнитов часто применяют электромагниты, обмотки которых питаются с