Обратимость электрических машин

Обратимость электрических машин вызвана одинаковым устройством преобразователем электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Таким образом, электрические машины взаимозаменяемы: любой электродвигатель может использоваться в качестве генератора и наоборот, электродинамическая головка может использоваться в качестве микрофона и наоборот, и т. п.

Приоритетная функция электрической машины определяет её конструктивные особенности, вследствие которых обратимость становится неравномерной. Так, электрогенератор будет иметь несколько больший КПД, чем используемый в качестве генератора соответствующий по размерам электродвигатель, электродинамический микрофон будет выдавать более качественный звуковой сигнал, чем равная по размерам динамическая головка.

Применение

Данное явление широко используется в электротехнике, например, для электродинамического торможения: двигатель постоянного тока, будучи отключен от питающего его источника, вращаясь по инерции, сразу же переходит в генераторный режим из-за наличия в нём противоэлектродвижущей силы. Если одновременно с отключением от источника двигатель замкнуть на небольшое сопротивление, то под действием противоэлектродвижущей силы в замкнутой цепи якорной обмотки возникнет большой ток, который и создаст в двигателе тормозящий момент, направленный против его вращения, вследствие чего двигатель быстро остановится. Кроме того, генерируемый двигателем ток может подзаряжать аккумуляторы транспортного средства, на котором установлен, либо возвращаться в питающую электросеть, как происходит на некоторых электропоездах и трамваях при торможении или движении под уклон. Такой режим работы транспортного средства называется рекуперативным торможением.

Обратимость иногда используется в электронной технике: например, в некоторых образцах связной аппаратуры динамическая головка в режиме передачи служит микрофоном. Этим достигается улучшение массогабаритных показателей и удешевление изделия. Также известны образцы устройств, в которых светодиод часть времени используется в качестве фотодиода. Таким путём упрощается оптический тракт двунаправленных устройств оптической связи.

Свойством обратимости обладают также гидравлические машины.

Источник

Обратимость электрических машин

Основные положения принципа обратимости электрических машин

Таким образом, мы получим электрический двигатель, который, в отличие от генератора преобразует электрическую энергию в механическую.

По закону Ленца, индуцированный ток всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуцируется ток.

Рис. 1. Простейший генератор переменного тока

Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 3. Генератор дает переменную э.д.с., если концы рамки подключены к кольцам. Если же они подключены к полукольцам (пластинам коллектора), то ток в цепи будет пульсирующим.

На основании упомянутых выше законов и принципа работы простейших электрических машин можем сформулировать следующие основные положения энергопреобразования:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии в индуктивных электрических машинах возможно лишь тогда, когда последняя является энергией переменного тока,

2) для такого энергопреобразования необходим электрический контур с изменяющейся индуктивностью (в нашем случае это поворачивающийся в магнитном поле виток),

4) любая электрическая машина энергетически обратима, т. е. принципиально равноценно может работать и как генератор, и как двигатель,

5) поскольку для проявления закона электромагнитной индукции необходимо лишь относительное перемещение проводника и магнитного поля, то любая электрическая машина кинематически обратима, т. е. у нее может вращаться или якорь или индуктор.

Возможно ли использование двигателя вместо генератора на практике

По закону Э. X. Ленца индуктированный ток в замкнутом электрическом контуре всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуктируется электрический ток. На этом основании всякая индуктивная электрическая машина «энергетически обратима», т. е. может, принципиально, работать как генератором, так и двигателем.

Тем не менее, при необходимо знать, для какого режима работы электричсекая машина предназначается, — для генераторного или двигательного. Это объясняется тем, что на практике к генератору и к двигателю предъявляются определенные требования, которые не всегда совместимы, а потому может оказаться, что электрическая машина, выполненная как генератор, не будет в состоянии удовлетворительно работать в качестве двигателя, и наоборот.

Поэтому всякая машина должна иметь на своем «заводском щитке» указание, для какого режима работы она предназначается выпустившим ее заводом. Кроме того, нужно отметить, что ряд типов электрических машин возник и применяется только в качестве генератора, либо только в качестве двигателя.

Кинематическая обратимость электрической машины

С точки зрения осуществления в электрической машине энергопреобразования важно лишь взаимоотносительное движение ее двух основных органов, вытекает кинематическая обратимость электрической машины.

Это значит, что если ротор электрической машины застопорить, а статору дать возможность вращаться, то он придет во вращение, при этом будет вращаться, при неизменных электрических соединениях, в сторону, обратную той, в которую вращался ротор, превращенный в статор (это следует из законов механики).

Очевидно, что для придания статору возможности вращения его придется снабдить соответствующими подшипниками и, кроме того, скользящими электрическими контактами, чтобы сохранить подачу электрической энергии к статору, если таковая имела место до переделки. Очевидно, что при кинематическом обращении внутрироторной электрической машины получим внешнероторную электрическую машину, и наоборот.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Обратимые машины

Давайте разберемся в наших машинах получше. Одно из свойств всех машин нам уже известно. Если в машине есть трение, то неизбежны потери энергии. Наилучшей машиной была бы машина вообще без трения. Предположим, что мы имеем дело с теми же идеальными машинами, что и при изучении закона сохранения энергии, т. е. машинами, которым совсем не надо преодолевать трения.

А теперь обсудим аналог движения без трения — «лишенный трения» перенос тепла. Если мы приложим горячее тело к телу, обладающему более низкой температурой, то возникнет тепловой поток. Тепло течет от горячего тела к холодному, и, чтобы повернуть поток вспять, нужно слегка изменить температуру какого-нибудь одного тела. Но машина, лишенная трения, будет под действием сколь угодно малой силы послушно двигаться туда, куда ей приказывают, а когда сила будет действовать в другую сторону, охотно последует за ней. Аналогом машины без трения может служить устройство, в котором бесконечно малые изменения температуры могут повернуть тепловой поток вспять. Если разность температур конечна, то это невозможно. Но если тепло течет между двумя телами практически при одинаковой температуре и достаточно бесконечно малого изменения температуры, чтобы поток повернул в любом направлении, то поток считается обратимым (фиг. 44.4). Если нагреть слегка левую половину тела, тепло потечет вправо; если чуть-чуть охладить левую половину, тепло устремится влево. Итак, оказалось, что идеальной машиной является так называемая обратимая машина, в которой любой процесс обратим в том смысле, что малейшие изменения условий работы могут заставить машину работать в обратном направлении. Это означает, что машина не должна ни в каком месте иметь трения; в такой машине не должно быть также места, где тепло резервуара или пар котла прямо соприкасались бы с какими-то более холодными или более горячими частями.

Займемся идеальной машиной, в которой обратимы все процессы. Чтобы показать, что создание такой машины в принципе возможно, мы просто приведем пример рабочего цикла, причем нас не интересует возможность его практической реализации, достаточно того, что с точки зрения Карно он обратим.

Предположим, что в цилиндре, оборудованном поршнем без трения, имеется газ. Это не обязательно идеальный газ. Содержимое цилиндра вообще не обязано быть газом. Но для определенности будем считать, что в цилиндре идеальный газ. Предположим еще, что имеются две тепловые подушки Т₁ и Т₂— два очень больших тела, поддерживаемых при определенных температурах Т₁ и Т₂ (фиг. 44.5). Будем считать, что Т₁ больше Т₂— Для начала нагреем газ и, положив цилиндр на подушку T₁, позволим газу расшириться. Пусть по мере притока тепла в газ поршень очень медленно выдвигается из цилиндра. Тогда можно поручиться, что температура газа не будет сильно отклоняться от Т₁. Если выдернуть поршень очень быстро, температура в цилиндре может упасть значительно ниже Т₁ и процесс уже нельзя будет считать полностью обратимым. Если же мы будем медленно вытаскивать поршень, температура газа останется близкой к температуре Т₁. С другой стороны, если поршень медленно вдвигать обратно в цилиндр, температура станет лишь чуть-чуть повыше температуры Т₁ и тепло потечет вспять. Вы видите, что такое изотермическое (при постоянной температуре) расширение может быть обратимым процессом, если только производить его медленно и осторожно.

Чтобы лучше понять, что происходит, нарисуем кривую зависимости давления газа от его объема (фиг. 44.6). Когда газ расширяется, его давление падает. Кривая 1 показывает, как изменяются объем и давление, если в цилиндре поддерживается постоянная температура Т₁. Для идеального газа эта кривая описывается уравнением PV=NkT₁. Во время изотермического расширения по мере увеличения объема давление падает, пока мы не остановимся в точке b. За это время газ заберет из резервуара тепло Q₁; ведь мы уже знаем, что если бы газ расширялся, не соприкасаясь с резервуаром, он бы остыл. Итак, мы закончили расширение в точке b. Давайте теперь снимем цилиндр с резервуара и продолжим расширение. Но теперь теплу уже неоткуда взяться. И снова мы медленно выдвигаем поршень, так что нет причины, почему бы процесс мог быть необратимым. Конечно, мы опять предполагаем, что трения нет. Газ продолжает расширяться, и температура падает, потому что связь с источниками тепла прервана.

Будем расширять газ так, чтобы расширение описывалось кривой 2 до тех пор, пока мы не достигнем точки с, где температура упадет до Т₂. Такое расширение без притока тепла называется адиабатическим. Мы уже знаем, что в случае идеального газа кривая 2 имеет вид PV γ =const, где γ — постоянная, большая единицы; поэтому адиабатическая кривая падает круче изотермической. Если температура газа в цилиндре достигла Т₂, то, положив цилиндр на вторую тепловую подушку, мы не рискуем вызвать температурных изменений. Теперь можно медленно сжать газ, продвигаясь по кривой 3, причем цилиндр соприкасается с резервуаром при температуре Т₂ (см. фиг. 44.5, шаг 2). Поскольку цилиндр соприкасается с резервуаром, его температура не может повыситься, но газу придется отдать резервуару тепло Q₂ при температуре Т₂. Продвинувшись по кривой 3 до точки d, мы снова снимем цилиндр с тепловой подушки при температуре Т₂ и продолжаем сжимать газ. На этот раз мы не станем отбирать у газа тепло. При этом поднимется температура, а давление пойдет по кривой 4. Если мы тщательно проделаем все этапы, то вернемся к исходной точке а при температуре Т₁ можем повторить цикл.

По этой диаграмме судя, газ совершил полный цикл, отняв за это время тепло Q₁ при температуре T₁ и отдав тепло Q₂ при температуре Т₂. Этот цикл обратим, и поэтому мы можем шаг за шагом проделать весь путь в обратном направлении. Мы могли бы пойти назад, а не вперед, могли бы начать движение из точки а при температуре T₁, двигаться по кривой 4, затем поглотить тепло Q₂ при температуре Т₂ (для этого надо все время выдвигать поршень) и т. д., пока цикл не будет завершен. Если мы совершали цикл в одном направлении, то заставили газ работать, если же нам захотелось повернуть назад, то придется поработать самим.

Между прочим, легко сосчитать полную работу. Полная работа, совершаемая при расширении, равна произведению давления на изменение объема: ∫PdV. На нашей диаграмме мы откладывали Р вертикально, а V горизонтально. Если обозначать вертикальное расстояние буквой у, а горизонтальное буквой х, то мы получим интеграл ∫ydx, а это — площадь под кривой. Таким образом, площадь под каждой из пронумерованных кривых измеряет работу, совершенную либо газом, либо нами за соответствующий этап цикла. Легко понять, что чистый выход работы равен площади внутри кривых.

Раз уж мы привели пример одной обратимой машины, то можно предположить, что возможно существование и других таких же устройств. Пусть обратимая машина А забирает Q₁ при T₁, совершает работу W и возвращает какое-то количество тепла при температуре Т₂. Предположим, что у нас есть еще одна машина В — творение рук человека, уже сконструированная, а может быть, еще и не изобретенная. Можно взять паровую машину, колесо с резиновыми спицами — словом, что угодно. Мы даже не интересуемся, обратима ли эта машина. Важно только, чтобы она забирала тепло Q₁ при температуре T₁ и возвращала часть этого тепла при более низкой температуре Т₂. Предположим, что машина В совершает некую работу W′. Теперь покажем, что W′ не может быть больше W; нет такой машины, которая работала бы лучше, чем обратимая. Но почему? Предположим, что W′ больше W. Тогда мы можем забрать тепло Q₁ при температуре Т₁ и отдать его машине В. Эта машина совершит работу W′ и отдаст какое-то количество тепла (неважно какое) резервуару с температурой Т₂. После этого мы можем распорядиться какой-то частью работы W′, которую мы считаем больше W. Прибережем пока часть работы W, а остаток W′—W употребим с пользой для себя (фиг. 44.7). Обладая работой W, можно запустить машину А в обратном направлении, ведь это — обратимая машина. При этом она поглотит какое-то количество тепла из резервуара с температурой Т₂, но зато вернет тепло Q₁ резервуару при температуре Т₁. Каков чистый результат этого двойного цикла? Мы вернули все к исходному состоянию и совершили дополнительную работу W′—W. Дело свелось к тому, что мы извлекли энергию из резервуара с температурой Т₂! Тепло Q₁ взятое из резервуара с температурой Т₁, было аккуратно возвращено. Раз это тепло все равно возвращается, то в качестве резервуара с температурой Т₁ можно взять что-нибудь поменьше океана и заключить это устройство внутрь составной машины А +В. Чистым результатом цикла такой машины будет изъятие из резервуара при температуре Т₂ тепла W′—W и превращение его в работу. Но извлечение полезной работы из резервуара при неизменной температуре без других изменений запрещается постулатом Карно. Этого нельзя сделать. Таким образом, не существует таких машин, которые извлекли бы некоторое количество тепла из резервуара при температуре Т₁, возвратили бы какую-то его часть при температуре Т₂ и совершили большую работу, чем обратимая машина, работающая при тех же самых температурных условиях.

Предположим теперь, что машина В тоже обратима. Тогда, конечно, не только W′ не больше W, но и W не больше W′. Чтобы доказать это, надо просто обратить предыдущие аргументы. Итак, если обе машины обратимы, то они должны производить одинаковую работу, и мы пришли к блестящему выводу Карно: если машина обратима, то безразлично, как она умудряется превращать тепло в работу. Произведенная машиной работа, если только машина поглощает определенное количество тепла при температуре Т₁ и возвращает какую-то его часть при температуре Т₂, не зависит от устройства машины. Так уж устроен мир, и от частных свойств машины это не зависит.

Если бы мы нашли закон, определяющий работу, совершаемую при изъятии тепла Q₁ при температуре Т₁ и возвращении части этого тепла при температуре Т₂, то эта величина была бы универсальной постоянной, не зависящей от свойств вещества. Конечно, если нам известны свойства какого-нибудь вещества, мы можем вычислить интересующую нас величину. После этого мы будем вправе заявить, что все остальные вещества, если с их помощью построить обратимую машину, произведут точно такую же работу. Такова основная идея, ключ, с помощью которого мы можем найти последующие соотношения. Например, мы хотим узнать, насколько резина сжимается при нагревании и насколько она остывает, когда мы позволяем ей сжаться. Предположим, что мы взяли резину в качестве рабочего вещества обратимой машины и совершили обратимый цикл. Чистый результат, полная произведенная работа,— это универсальная функция, великая функция, не зависящая от свойств вещества. Таким образом, мы убеждаемся, что есть нечто, ограничивающее в известном роде разнообразие свойств вещества. Мы не можем сделать эти свойства какими захотим, не можем изобрести вещество, которое, будучи использованным в тепловой машине, произвело бы за обратимый цикл работу больше допустимой. Этот принцип, это ограничение,— единственное реальное правило, которое можно вывести из термодинамики.

Источник

Машины постоянного тока

Машины постоянного тока

Содержание:

Принцип действия и обратимость. Поместив замкнутый проводник в магнитное поле, в нем при его перемещении в поле возникает электрический ток (эффект генератора).

И наоборот, тот же проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие электромагнитной силы (эффект двигателя). Эти два явления имеют место в машине постоянного тока, являющейся обратимой. она состоит из двух основных частей, разделенных зазором:

— создающий магнитное поле индуктор (возбуждение);
— якорь, назначением которого является получение электрического тока (генератора) или питание своих проводников электрическим током с целью получения электромагнитных сил (двигатель).

Устройство. Рассмотрим простой вариант двухполюсной машины (рисунок 1)

Рисунок 1 Двухполюсная машина

— Индуктор (на статоре) является неподвижной частью. Иногда — это постоянные магниты в машинах малой мощности. Но обычно — это электромагнит из двух последовательно соединенных катушек, питаемых постоянным током и создающих два полюса: северный и южный (рисунок 2). Магнитное поле в зазоре максимально по оси полюсов. Оно равно нулю в направлении, перпендикулярном этой оси, называемой нейтралью.

Рисунок 1 Двухполюсная машина

— Якорь (ротор) является вращающейся частью. Это ферримагнитный шихтованный цилиндр с пазами, в которые уложена обмотка, замкнутая на саму себя. На вал посажен коллектор из токопроводящих ламелей, изолированных между собой. Ток передается в проводники якоря в двигателе или во внешние цепи в генераторе благодаря двум угольным щеткам, скользящим по коллектору.

Роль коллектора. Она изменяет направление тока (коммутация) в проводниках при пересечении нейтрали, обеспечивая, таким образом, действие сил в одном направлении (рисунок 3). Коллектор является вращающимся инвертором тока (в случае двигателя).

Рисунок 3 Роль коллектора

Примечание.
— Коллектор и щетки являются уязвимым узлом машины постоянного тока.
— Двухполюсная машина содержит две параллельные ветви обмотки, одна из которых представляет собой состав проводников между щетками. Через каждую ветвь проходит половина якорного тока.

Условное обозначение и принятые соглашения (рисунок 4). Заводская табличка содержит номинальные значения якорных и индукторных величин, способ возбуждения, номинальную скорость и полезную механическую мощность на валу.

Рисунок 4 Условное обозначение

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Обратимая машина

Обратимая машина совершает цикл сама по себе, без постороннего воздействия. Необратимая требует для возвращения в исходное состояние внешнего воздействия. Можно думать, что результатом цикла грузоподъемной машины может быть возвращение грузов в первоначальное состояние и перемещение какого-то третьего грузика Др на некоторую высоту h вверх. Было бы замечательно, если бы удалось построить такую машину. Эта машина могла бы цикл за циклом поднимать грузик Др вверх, а мы по своему усмотрению использовали бы это. Например, всякий раз по окончании цикла мы могли бы прикреплять поднятый грузик к веревочке, переброшенной через блок, и опускать его, заставляя вращаться какой-то маховик. Тем самым было бы осуществлено вечное движение маховика. К маховику мы могли бы присоединить динамо-машину и вечно получать электричество. Вечное движение маховика можно было бы использовать для приведения в движение станков, трамваев, для подъема воды в водонапорную башню. Да мало ли для каких полезных дел можно использовать вечное движение. [1]

Для обратимых машин в графах 5 и 7 в числителе указаны данные для турбинного режима, а в знаменателе для насосного. [2]

Для обратимой машины соотношения между A, Qi и Q % при работе по обратному циклу сохраняются. На каждый джоуль работы мы получаем больше семи джоулей тепла. [3]

Любые две обратимые машины О и О, работающие на опускании одно и того же груза Р с высоты Яр, поднимают груз Q на одну и ту же высоту. [6]

Рассмотрим две обратимые машины Мг и М2 ( рис. 106.1), холодильник одной из которых служит одновременно нагревателем для другой. Предположим, что вторая машина отбирает от резервуара с температурой &. [7]

Круахан выбор обратимых машин мощностью 100 Мет при напоре 366 м означал удвоение наивысшего напора, достигнутого в то время для одноступенчатых обратимых радиально-осевых турбин. [8]

Установка с обратимыми машинами обеспечивает питание аппаратуры однофазным переменным током частотой 50 Гц, напряжением 220 В, стабилизированным с точностью 2 % от номинального значения. [9]

Таким образом, обратимая машина за счет опускания определенного груза с заданной высоты поднимает заданный груз на максимальную высоту. [12]

Основываясь на понятии обратимой машины и принципе невозможности вечного движения, можно установить две общие теоремы, относящиеся к любым грузоподъемным машинам, независимо от того, как эти машины устроены. [15]

Источник