Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

23 помощью щеток и контактных колец. Такая конструкция представлена на рис. 20.
Рис. 20. Ротор с контактными кольцами
Так как ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора, такой двигатель называется синхронным.
Синхронные электродвигатели, особенно с постоянными магнитами, являются обратимыми электрическими машинами, то есть способны работать в качестве электрогенераторов. Для двигателей с электромагнитами это тоже возможно, но нужно решить вопрос возбуждения. Обратимость электрической машины позволяет реализовать рекуперацию энергии в электротранспорте. При этом в режиме торможения двигатель становится генератором и заряжает аккумулятор. Еще более ценно применение таких электрических машин на гидроэлектростанциях. Когда количество воды в водохранилище ограничено, а периодически в системе имеется избыток электроэнергии, вода закачивается обратно и расходуется потом в моменты пиковой нагрузки.
Асинхронный электродвигатель
Более простыми, дешевыми и поэтому распространенными, чем синхронные, являются асинхронные электродвигатели. Статор такого двигателя устроен так же, как синхронного – уложенная в пазы магнитопровода обмотка при подаче на нее трехфазного напряжения создает вращающееся магнитное поле. Ротор имеет принципиальные отличия.
Конструктивно он выполнен следующим образом. В пазы магнитопровода,

24 набранного из листов трансформаторного железа, заливается алюминий, образуя проводники. С торцов эти проводники замыкаются кольцами и получается конструкция, известная как «беличье колесо». Она и является главной частью ротора, так как алюминий очень хорошо проводит ток.
Внешний вид ротора и система его проводников показаны на рис. 21.
Рис. 21. Ротор асинхронного электродвигателя и система «беличье колесо»
Вращающееся магнитное поле наводит в проводниках электродвижущую силу (ЭДС), а так как они короткозамкнуты, по ним течет ток. Этот ток, в свою очередь, создает собственное магнитное поле. В результате ротор приобретает магнитные свойства и начинает вращаться. Так как ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, то по мере уменьшения разности скоростей ротора и магнитного поля статора ЭДС тоже уменьшается. Если ротор раскрутить до синхронной скорости, то он полностью утратит свои магнитные свойства. Таким образом, условием наличия магнитных свойств ротора является отставание его от поля статора, которое называется скольжением и составляет несколько процентов. Так как ротор вращается медленнее магнитного поля, такие двигатели назвали асинхронными.
В пусковом режиме асинхронные двигатели потребляют ток в 5–7 раз больше номинального, что крайне нежелательно. Для двигателей большой мощности такие перегрузки часто считаются недопустимыми из-за ограниченной мощности силового трансформатора. Есть и другие причины

25 ограничивать пусковой ток, обусловленные необходимостью плавного разгона оборудования. В таких случаях применяют электродвигатели с фазным ротором.
Ранее мы рассмотрели ротор с контактными кольцами, на которые подается постоянное напряжение для возбуждения магнитного поля. Фазный ротор асинхронного двигателя имеет такую же конструкцию, но его обмотки через контактные кольца и щетки замыкаются через реостаты. Так же, как в
«беличьем колесе», при этом наводится ЭДС и образуется магнитное поле.
Разница лишь в возможности регулирования тока.
Из всех типов электродвигателей наибольшую мощность могут развивать синхронные двигатели. Это связано с двойным преобразованием магнитного поля в асинхронных двигателях – сначала индуцируются токи в проводниках беличьего колеса, потом эти токи создают собственное магнитное поле. Разумеется, ротор мощного синхронного двигателя должен содержать не постоянные магниты, а электромагниты.
Подать сразу напряжение на обмотки статора и ротора нельзя, нужно сначала разогнать ротор до так называемой «подсинхронной» скорости.
Делается это с помощью контактных колец, щеток и схемы управления.
Обмотки полюсов ротора сначала включаются так, чтобы двигатель разгонялся в асинхронном режиме. Если мощность не слишком велика, их просто закорачивают. После достижения номинальной для асинхронного режима скорости на обмотки ротора подают ток, и двигатель начинает работать в синхронном режиме. Известна также конструкция, когда в роторе есть короткозамкнутая обмотка, обеспечивающая разгон. Как вы помните, на синхронной скорости она не работает.
Конденсаторный электродвигатель
Вращающееся магнитное поле, обеспечивающее вращение ротора асинхронного двигателя, может быть получено с помощью конденсатора.
Реактивные элементы – конденсаторы и катушки индуктивности – создают

26 сдвиг фазы в цепи переменного тока. В принципе, могут использоваться и те, и другие, но конденсаторный вариант компактнее и дешевле.
Двигатель с ротором в виде беличьего колеса должен иметь как минимум две обмотки, как это показано на рис. 22.
Рис. 22. Конденсаторный асинхронный двигатель
Одна из них включается в сеть непосредственно, а другая – через фазосдвигающий конденсатор. Образующееся при этом поле статора, строго говоря, скорее эллиптическое, чем круговое, причем отклонение от круга зависит от нагрузки. Учитывая значительную перегрузку двигателя в момент включения, часто параллельно фазосдвигающему конденсатору устанавливают еще один – пусковой, подключаемый кратковременно специальной кнопкой.
Народные умельцы нередко питают подобным образом от однофазной сети стандартный трехфазный двигатель. Из трех его выводов два включаются в сеть непосредственно, а третий – через конденсатор.
Переключением второго конца конденсатора к одному из вышеупомянутых выводов меняется направление вращения. Мощность при этом снижается, как минимум, на 30 %.
1.3. Источники радиоволн и света
Излучение радиоволн
Радио, телевидение, мобильная связь и многое другое основаны на излучении и приеме высокочастотного электромагнитного поля, называемого
Фазосдвигающий конденсатор двигателя

27 радиоволнами. Катушка провода с протекающим по нему переменным током не создает в пространстве существенного электромагнитного поля, так как по сравнению с длиной волны она мала и излучает взаимно компенсирующие поля. Для эффективного излучения нужно, чтобы длина проводника была одного порядка с длиной волны.
Первый успешный опыт по излучению радиоволн был проведен в 1888 году Генрихом Герцем. Излучающая система, получившая название
«вибратор Герца», представляла собой два одинаковых отрезка провода с шарами на концах. Она изображена на рис. 23.
Рис. 23. Вибратор Герца
В зазоре между проводниками с помощью простейшей электромеханической системы создавалось искрение. Подобные антенны широко применяются и в наши дни. Они называются симметричными вибраторами или диполями. В идеале суммарная длина проводников должна быть равна половине длины волны.
Многие антенны работают по описанному принципу, хотя внешне это не всегда различимо. Например, самая распространенная телевизионная антенна типа «волновой канал», показанная рис. 24, включает основной излучатель и дополнительные элементы, улучшающие ее направленные свойства.

28
Рис. 24. Антенна типа «волновой канал»
Первые радиопередатчики были искровыми, как конструкция Герца, но вскоре для излучения антенной радиоволн стали применять ламповые генераторы синусоидальных колебаний. По технологическим причинам частота колебаний сначала была невысокой – десятки или сотни килогерц, но прогресс не заставил себя долго ждать. В начале 20-го века был преодолен рубеж в 1 МГц, а современные системы спутниковой радиосвязи и навигации работают на частотах выше 10 ГГц. В процессе повышения частоты радиосигналов выяснились интересные свойства волн разной длины.
Сверхдлинные волны, частота которых менее 30 кГц, для радиосвязи не используются. Длинные – частотой от 30 до 300 кГц – долгое время были основными в радиовещании. Они хорошо огибают землю и, особенно, морское пространство. Средние волны имеют частоту от 300 кГц до 3 МГц.
Они при прохождении по земной поверхности быстро ослабевают, зато отражаются от ионосферы, но лишь от ее слоя, существующего ночью. По этой причине удаленные средневолновые радиостанции днем не слышно.
Короткие волны – частотой от 3 до 30 МГц – считаются самыми интересными, поскольку хорошо отражаются от ионосферы и днем, и ночью.
Их используют профессиональные радисты и любители для связи на большие расстояния. Ультракороткие волны частотой выше 30 МГц проходят ионосферу насквозь, а землю не огибают. Для УКВ-радиосвязи применяют антенны, расположенные на вышках, чтобы кривизна земной поверхности и местные предметы не преграждали их путь. Можно сказать, что

29 ультракороткие волны распространяются, как луч света. Сверхвысокие частоты используются для многоканальной наземной и спутниковой радиосвязи.
Источники света
Разновидностью электромагнитных колебаний является световое излучение. Длина волны его видимой части, то есть собственно свет, находится в пределах от 445 до 665 нанометров. Несколько большую длину волны имеет инфракрасное излучение, ощущаемое нами как тепло. С другой стороны видимого спектра находится ультрафиолетовое излучение.
Известно два основных механизма излучения света – излучение нагретых тел и люминесценция. Первый механизм известен с доисторических времен, когда для освещения использовали огонь. Второй механизм излучения света основан на свойстве некоторых материалов, называемых люминофорами, испускать кванты света при различных воздействиях на них. Такими воздействиями могут быть радиоактивное облучение, химические процессы, электрический ток и другие. На описанных двух механизмах работают все источники света.
Лампы накаливания по праву считаются самыми популярными источниками света. В них проводник, размещенный в колбе без доступа воздуха, нагревается постоянным или переменным током. В первых лампах этот проводник был угольным, сейчас применяют спираль из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Ее вид приведен на рис. 25.
Рис. 25. Спираль лампы накаливания
Воздух из колбы может быть как просто откачан, так и заменен инертным газом или парами галогенов.

30
Излучаемая световая энергия пропорциональна температуре нити накала в четвертой степени, поэтому лампу делают так, чтобы нить нагревалась до максимально возможной температуры – примерно до 2700 ˚С.
Из-за высокой температуры вольфрам частично испаряется и оседает на внутренней поверхности колбы. При этом нить накала истончается, а стекло темнеет. Примерно через тысячу часов работы лампа перегорает. Это один из ее основных недостатков. Второй, столь же важный, заключается в низкой энергоэффективности – около 90 % подводимой электроэнергии переходит в тепло.
Но у лампы накаливания есть и свои плюсы. Она проста в эксплуатации, не требует для работы дополнительных устройств и мало стоит. Важно и то, что такие источники света выпускаются промышленностью в огромном ассортименте.
Лампы малой мощности, как правило, изготавливаются вакуумированными, а в более мощных воздух замещают так называемым буферным газом. В качестве такого газа обычно используют аргон или криптон. Подобное заполнение препятствует испарению вольфрама, что позволяет повысить температуру нити накала и, следовательно, энергоэффективность лампы. Кроме того, при этом заметно увеличивается срок службы.
Увеличение срока службы примерно в два раза достигается при введении в колбу паров йода или брома. Эти вещества соединяются с испарившимся вольфрамом, образуя легкоплавкие соединения, которые испаряются и с внутренней поверхности колбы, препятствуя созданию пленки.
Значительно большей энергоэффективностью обладают газоразрядные лампы, в которых под действием приложенного напряжения происходит ионизация инертного газа, вызывающая его свечение. Часто кроме газа в лампе находится небольшое количество ртути или натрия, которые вызывают более интенсивное свечение, чем газы, причем в определенном спектре.

31
Ртуть создает невидимое ультрафиолетовое излучение, а натрий – видимое желтое.
Конструктивно газоразрядная лампа состоит из колбы или трубки, внутри которой находятся газ и один из вышеупомянутых металлов. На концах трубки имеются электроды. Условия возникновения газового разряда и его форма зависят от приложенного напряжения и давления. При низком давлении – всего в несколько мм рт. ст. – разряд равномерно заполняет все пространство внутри лампы, даже если она имеет длину более метра.
Напряжение при этом должно обеспечить электрический пробой газового промежутка. Как правило, сетевого напряжения для этого недостаточно, и применяются специальные схемы, формирующие первичный высоковольтный импульс. После пробоя и ионизации газа внутри лампы высокое напряжение уже не требуется.
По сравнению с лампами накаливания, газоразрядные имеют одну неприятную особенность – по мере нарастания процесса ионизации газа его сопротивление снижается. По этой причине в таких лампах необходимо принимать меры по ограничению тока. Но зато они примерно в 5 раз экономичнее.
Газоразрядные лампы бывают низкого, высокого и сверхвысокого давления. Лампы низкого давления вам хорошо знакомы. В обиходе их называют лампами дневного света. Трубка, являющаяся корпусом лампы, может иметь длину до полутора метров. Внутри, как было сказано ранее, находятся инертный газ под низким давлением и небольшое количество ртути. Корпус лампы имеет белый цвет из-за слоя люминофора на внутренней поверхности. Так как ртуть дает ультрафиолетовое свечение, то люминофор нужен для его преобразования в видимый свет. Этот химический состав под действием ультрафиолетовых лучей сам начинает светиться.
Спектр свечения зависит от вида люминофора, он может быть холодно- белым или желтоватым. В современных лампах такого типа применяют три люминофора, светящиеся красным, синим и зеленым цветами. Их

32 соотношение позволяет сформировать любой цвет излучения. Вид люминесцентной лампы низкого давления приведен на рис. 26.
Рис. 26. Люминесцентная лампа низкого давления
Для пробоя газового промежутка требуется импульс напряжением около полутора киловольт, а также устройство, ограничивающее ток лампы в рабочем режиме.
Схема, реализующая все это, называется пускорегулирующей аппаратурой. Схема включения лампы представлена на рис. 27.
Рис. 27. Схема включения люминесцентной лампы
Дроссель
1
Спиральный электрод
Стартер
1
Лампа