تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.إن حدوث فرق جهد عند طرفي موصل يتحرك في مجال مغناطيسي يجعل من الممكن استخدام هذه الظاهرة لإنتاج تيار كهربائي. تعمل مولدات الكهرباء الصناعية على هذا المبدأ في محطات الطاقة الحرارية والنووية والكهرومائية. فيها، يتم استبدال الحركة الانتقالية للموصلات بحركة دورانية أكثر ملاءمة.

من أين تأتي الطاقة لفصل الشحنات وظهور المجالات الكهرومغناطيسية في المولد؟ ففي النهاية، لا يبذل المجال المغناطيسي شغلًا على الشحنات المتحركة، لأن الشغل الذي تبذله القوة يكون دائمًا عموديًا على متجه السرعة ويساوي الصفر. يتم تنفيذ عمل فصل الشحنات في الموصلات المتحركة للمولد الكهرومغناطيسي في محطات الطاقة الحرارية بسبب الطاقة الميكانيكية للبخار الذي يضغط على شفرات التوربينات البخارية. في محطات الطاقة الكهرومائية يتم تنفيذ هذا العمل بسبب الطاقة الميكانيكية للمياه توربينات هيدروليكية دوارة لها عمود مشترك مع المولد. في هذه العملية، يكون المجال المغناطيسي مجرد وسيط يسبب فصل الشحنة. ليست القوة المؤثرة من المجال المغناطيسي هي التي تلعب دور القوة الخارجية، بل القوى التي تدفع دوار المولد إلى الدوران.

يتم تصنيع واستخدام أقوى مولدات الكهرباء في العالم في بلادنا.

مولد MHD.الطريقة الأكثر شيوعًا لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية معقدة للغاية. أولا، يتم حرق الوقود في فرن المراجل البخارية لإنتاج البخار. يتم بعد ذلك توجيه البخار إلى شفرات التوربينات وتشغيلها. وأخيرًا، يقوم المولد الكهروميكانيكي بتحويل الطاقة الميكانيكية الواردة من التوربين إلى طاقة كهربائية. في كل مرحلة من مراحل تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر، تحدث خسائر كبيرة في الطاقة. ونتيجة لذلك فإن كفاءة محطات الطاقة الحرارية عادة لا تتجاوز 35-40%. وهذا يعني أن حوالي 60-65% من الفحم أو النفط أو الغاز يتم حرقها في الأفران دون جدوى.

نظرًا لأن كفاءة أي محرك حراري لا تتجاوز بشكل مثالي

أين درجة حرارة السخان، و هي درجة حرارة الثلاجة، إذن فإن المهمة الأهم في تطوير طرق جديدة لتحويل الطاقة هي زيادة درجة حرارة مائع العمل.

يمكن تحقيق زيادة كبيرة في درجة حرارة مائع العمل في مولدات الكهرباء الديناميكية الغازية المغناطيسية، والتي يتم اختصارها بمولدات MHD.

يظهر الشكل 90 مخطط تصميم مولد MHD. في غرفة الاحتراق، عند حرق الزيت أو الكيروسين أو الغاز الطبيعي، يتم إنشاء درجة حرارة عالية (2000-3000 كلفن)، حيث تتأين منتجات الاحتراق الغازية، وتشكل الإلكترون -أيون البلازما. لزيادة التوصيل الكهربائي للبلازما، يتم إدخال المواد المؤينة بسهولة في غرفة الاحتراق: الكالسيوم والصوديوم والسيزيوم. تتحرك البلازما الساخنة على طول قناة متوسعة يبلغ طولها عدة أمتار، حيث تكون داخلية

أرز. 90. مخطط تصميم مولد MHD

وتتحول الطاقة إلى طاقة حركية وتزداد السرعة إلى 2000 م/ث أو أكثر. مثل الموصل المعدني، تكون البلازما محايدة بشكل عام، ولكن عند التحليق في منطقة مجال مغناطيسي قوي، يتم فصل الجزيئات المكونة لها ذات العلامات المختلفة تحت تأثير القوة، كما هو موضح في الشكل 90. بعد وصول الإلكترونات إلى القطب السفلي، التحرك في دائرة خارجية على طول مقاومة الحمل إلى قطب كهربائي آخر، حيث يتم تحييد الأيونات الموجبة. يمكن استخدام الطاقة المنطلقة في الدائرة الخارجية لتلبية الاحتياجات العملية المختلفة.

في وضع الخمول، عندما تكون الدائرة الخارجية مفتوحة بين الأقطاب الكهربائية، يحدث أكبر فرق محتمل، يساوي المجال الكهرومغناطيسي. اعتمادا على تصميم المولد، يمكن أن تصل إلى عدة مئات أو آلاف فولت.

في مولد MHD، يتم تسخين البلازما فقط بدرجة عالية ولا توجد أجزاء متحركة، مثل شفرات التوربينات، تتعرض في نفس الوقت لضغوط ميكانيكية عالية ودرجات حرارة عالية. إن القدرة على استخدام المواد المقاومة للحرارة وتبريد الأجزاء المعدنية الثابتة الملامسة للبلازما تجعل من الممكن زيادة درجة حرارة سائل العمل، وبالتالي كفاءة التثبيت. بالنسبة لدرجة حرارة البلازما التي تساوي المدخلات والمخرجات، تبلغ قيمة الكفاءة النظرية حوالي 90%. ومع ذلك، في الظروف الحقيقية، تكون درجة حرارة غازات العادم عند الخروج من القناة أكثر من 300 كلفن. ولكن إذا تم استخدام منتجات الاحتراق المستهلكة وغير المؤينة لإنتاج البخار وتشغيل توربينات مولد الآلة الكهربائية التقليدية، عندها ستكون الكفاءة الحقيقية للتثبيت بأكمله 50-60٪. وهذا يعادل ضعف الكفاءة الفعلية لمحطات الطاقة الحرارية تقريبًا. وبالتالي، مع نفس استهلاك الوقود، يمكن لمولدات MHD إنتاج ضعف كمية الكهرباء.

ميزة أخرى لمولدات MHD هي أنها يمكن أن تولد الطاقة الكاملة، والتي تقاس بمئات الملايين من الواط، في غضون ثوان قليلة من بدء التشغيل. لذلك، من المفيد استخدام مولدات MHD كمصادر احتياطية للكهرباء في حالة حدوث زيادة حادة في استهلاك الطاقة في أنظمة الطاقة.

الكفاءة العالية وبساطة التصميم والأبعاد الصغيرة لمولدات MHD ذات الطاقة العالية تتيح لنا أن نأمل أنه بمجرد التغلب على عيبها الرئيسي - عمر الخدمة القصير نسبيًا الناجم عن تآكل جدران الفوهة - سيتم البدء في استخدامها على نطاق واسع لتوليد الكهرباء على المستوى الصناعي.

تم إطلاق أول محطة طاقة صناعية تجريبية بمولد MHD بقدرة 25.000.000 واط في بلدنا في عام 1971.

أسئلة وأجوبة الامتحان في الانضباط

"منشآت الطاقة والمعدات الكهربائية للسفينة" ،

لطلاب السنة الثانية "ملاحة"

الفصل الدراسي الثالث.

1. مبادئ تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية وبالعكس.

تم تصميم الآلات الكهربائية لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (مولدات) والطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (محركات). يعتمد مبدأ تشغيل جميع الآلات الكهربائية علىقانون الحث الكهرومغناطيسيوظهور القوة الكهرومغناطيسية.

عندما يتحرك موصل مستقيم، مغلق من خلال دائرة خارجية أمام الحمل، بسرعة ثابتة في مجال مغناطيسي منتظم، يتم إحداث قوة دافعة كهربية ثابتة في الموصل. مع. الحث الكهرومغناطيسي، وينشأ تيار كهربائي في دائرة مغلقة (الشكل 22، أ) . الاتجاه ه. د.س. في الموصل يتم تحديده بواسطة قاعدة اليد اليمنى (الشكل 22،ج)، ويتم تحديد قيمته بواسطة الصيغة

ه= خطيئة بلفأ،(21)

أين في- الحث المغناطيسي، الذي يميز شدة المجال المغناطيسي؛ ل - الطول النشط للموصل الذي اخترقته خطوط المجال المغناطيسي، م؛ الخامس - سرعة حركة الموصل في مجال مغناطيسي م/ث: أ - الزاوية بين اتجاه سرعة حركة الموصل واتجاه ناقل الحث المغناطيسي.

إذا تحرك الموصل بشكل عمودي على خطوط المجال المغناطيسي، فإن a = 90°، a e. د.س. سيكون الحد الأقصى:

يتزامن اتجاه التيار في الموصل مع اتجاه e. د.س.

تؤثر القوة الكهرومغناطيسية (N) على موصل يحمل تيارًا، وتمنع هذه القوة الموصل من التحرك في مجال مغناطيسي. يتم تحديد اتجاه القوة الكهرومغناطيسية بواسطة قاعدة اليد اليسرى (الشكل 22 د). وللتغلب عليه، هناك حاجة إلى قوة خارجية. لكي يتحرك الموصل بسرعة ثابتة، فمن الضروري نعلق الخارجيةقوة, متساوية في الحجم ومعاكسة للقوة الكهرومغناطيسية.

ويترتب على ما سبق ذلك الطاقة الميكانيكية, يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية تنفق على حركة موصل في المجال المغناطيسي في دائرة الموصل .

في مولدات السفن، يتم إنشاء القوة الخارجية بواسطة المحركات الأولية (الديزل والتوربينات).

تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. عند تمرير تيار كهربائي في اتجاه واحد عبر موصل مستقيم يقع في مجال مغناطيسي منتظم، تنشأ قوة كهرومغناطيسية , تحت تأثيره يتحرك الموصل في مجال مغناطيسي بسرعة خطية الخامس(الشكل 22، ب) يتزامن اتجاه حركة الموصل مع اتجاه عمل القوة الكهرومغناطيسية ويتم تحديده بواسطة قاعدة اليد اليسرى. أثناء حركة الموصل، يتم تحفيز القوة الدافعة الكهربية فيه. , موجهة ضد الجهد U مصدر للكهرباء. يتم إنفاق جزء من هذا الجهد على المقاومة الداخلية للموصل R.

وهكذا يتم تحويل الطاقة الكهربائية الموجودة في الموصل إلى

ميكانيكي ويتم إنفاقه جزئيًا على فقدان حرارة الموصل وعلى هذا المبدأ يعتمد تشغيل المحركات الكهربائية.

2. مبادئ الحصول على التيار المتردد والمباشر.

في الآلات الكهربائية الحقيقية، يتم تصنيع الموصلات هيكليًا على شكل إطارات. لتقليل المقاومة المغناطيسية للآلة، وبالتالي زيادة القيم الإلكترونية. د.س. والكفاءة في المولدات وعزم الدوران والكفاءة في المحركات الكهربائية، يتم وضع الجوانب النشطة للإطار في أخاديد قلب فولاذي أسطواني (حديد التسليح)، والذي، مع الإطار المتصل به، يمكن أن يدور بحرية في مجال مغناطيسي. ولنفس الغرض، يتم إعطاء أقطاب المغناطيس شكلاً خاصًا، حيث يتم دائمًا توجيه خطوط المجال بشكل عمودي على اتجاه حركة الجوانب النشطة للإطار، ويتم الحث المغناطيسي في فجوة الهواء بين القطبين و يتم توزيع عضو الإنتاج بالتساوي (الشكل 23، أ).

إذا تم، بمساعدة قوة خارجية، تدوير المحرك مع الإطار في المجال المغناطيسي للأعمدة، فوفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي في الجوانب النشطة أبوالقرص المضغوط يتم إحداث الإطارات بواسطة e. د.موجهة في اتجاه واحد وقابلة للجمع.

عندما تمر الجوانب النشطة عبر مستوى متعامد مع المجال المغناطيسي، على سبيل المثال. د.س. تغيير اتجاههم. في الإطار، سوف يعمل المجال الكهرومغناطيسي، وهو متغير من حيث الحجم والاتجاه. إذا كانت نهايات الإطار متصلة بهدف خارجي من خلال حلقات الانزلاق، فسوف يتدفق التيار المتردد في الدائرة.

الشكل 23 مبدأ الحصول على التيار المتردد

1- فرش . 2 - حلقات الانزلاق، 3 - نواة الفولاذ؛ 4 -إطار

للتصحيح الحاليالآلة الكهربائية مزودة بجهاز خاص - جامع. يتكون أبسط المجمع من حلقتين نصفيتين معزولتين، يتم ربط نهايتي إطار يدور في مجال مغناطيسي بهما (الشكل 24 أ).

يتم توصيل لوحات المبدل بالدائرة الخارجية باستخدام فرش ثابتة، تنزلق أسطح العمل الخاصة بها بحرية على طول المبدل الدوار. 2. يتم تثبيت الفرش الموجودة على العاكس بحيث تنتقل من نصف حلقة إلى أخرى في الوقت الذي يحدث فيه الانبعاث في الإطار. د.س. يساوي الصفر. عند تدويره بزاوية 90 درجة، عندما يتخذ الإطار وضعًا أفقيًا، يوجد على سبيل المثال موصلاته. د.س. لا يحدث ذلك، لأنها لا تعبر المجال المغناطيسي. التيار في الدائرة هو أيضا صفر.

الشكل 24. مبدأ الحصول على التيار المباشر

عند التحرك بمقدار 90* أخرى، سيتخذ الإطار مرة أخرى وضعًا رأسيًا، وستغير موصلاته أماكنه واتجاهه. d.s والتيار فيها سوف يتغير. بما أن الفرش بلا حراك، ثم إلى الفرشاة 3 (+) لا يزال التيار من الإطار يقترب ثم يتم توجيهه عبر جهاز الاستقبال إلى الفرشاة 1 (-). وهكذا، في الدائرة الخارجية لا يتغير اتجاه التيار.

يظهر الرسم البياني للEMD والتيار المصحح في الشكل. 24.6. التيار المعدل له طابع نابض. يمكن تقليل تموج التيار عن طريق زيادة عدد الإطارات التي تدور في المجال المغناطيسي للآلة، وبالتالي عدد لوحات التجميع.

تنقسم الآلات الكهربائية حسب الغرض إلى نوعين رئيسيين: مولدات كهربائيةو محركات كهربائية. تم تصميم المولدات لتوليد الطاقة الكهربائية، وتم تصميم المحركات الكهربائية لقيادة مجموعات عجلات القاطرات، وتدوير أعمدة المراوح، والضواغط، وما إلى ذلك.

في الآلات الكهربائية تحدث عملية تحويل الطاقة. تقوم المولدات بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. وهذا يعني أنه لكي يعمل المولد، يجب أن يتم تدوير عموده بواسطة نوع من المحرك. في قاطرة الديزل، على سبيل المثال، يتم تشغيل المولد بواسطة محرك ديزل، في محطة توليد الطاقة الحرارية - بواسطة توربين بخاري.

ومن ناحية أخرى، تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. ولذلك، لكي يعمل المحرك، يجب أن يكون متصلاً عن طريق الأسلاك بمصدر للطاقة الكهربائية، أو كما يقولون، متصلاً بالشبكة الكهربائية.

يعتمد مبدأ تشغيل أي آلة كهربائية على استخدام ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وظهور القوى الكهرومغناطيسية أثناء تفاعل الموصلات مع التيار والمجال المغناطيسي.تحدث أثناء تشغيل كل من المولد والمحرك الكهربائي. لذلك، غالبا ما يتحدثون عن أوضاع المولد والمحرك لتشغيل الآلات الكهربائية.

في الآلات الكهربائية الدوارة، يشارك جزأين رئيسيين في عملية تحويل الطاقة: عضو الإنتاج والمحث بلفاته، التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. يقوم المحث بإنشاء مجال مغناطيسي في السيارة. في لف المحرك. وينشأ تيار كهربائي. عندما يتفاعل التيار الموجود في ملف عضو الإنتاج مع المجال المغناطيسي، تتولد قوى كهرومغناطيسية، والتي من خلالها تتحقق عملية تحويل الطاقة في الآلة.

حول تنفيذ عملية تحويل الطاقة في الآلة الكهربائية

الأحكام التالية مستمدة من نظريات الطاقة الكهربائية الأساسية لبوانكاريه وباركهاوزن:

1) لا يمكن التحويل المتبادل المباشر للطاقة الميكانيكية والكهربائية إلا إذا كانت الطاقة الكهربائية هي طاقة التيار الكهربائي المتناوب؛

2) لتنفيذ عملية تحويل الطاقة هذه، من الضروري أن يكون هناك في نظام الدوائر الكهربائية المخصصة لهذا الغرض إما محاثة كهربائية متغيرة أو سعة كهربائية متغيرة،

3) من أجل تحويل طاقة التيار الكهربائي المتناوب إلى طاقة تيار كهربائي مباشر، من الضروري أن يتمتع نظام الدوائر الكهربائية المخصص لهذا الغرض بمقاومة كهربائية متغيرة.

ويترتب على المقام الأول أنه لا يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية في الآلة الكهربائية إلا إلى طاقة تيار كهربائي متناوب أو العكس.

يتم حل التناقض الواضح لهذا البيان مع حقيقة وجود آلات كهربائية ذات تيار مباشر من خلال حقيقة أنه في "آلة التيار المستمر" لدينا تحويل للطاقة على مرحلتين.

وهكذا، في حالة مولد آلة كهربائية ذات تيار مستمر، لدينا آلة يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة تيار متردد، وهذه الأخيرة، بسبب وجود جهاز خاص يمثل “المقاومة الكهربائية المتغيرة”، يتم تحويلها إلى الطاقة الحالية المباشرة.

في حالة محرك الآلة الكهربائية، من الواضح أن العملية تسير في الاتجاه المعاكس: يتم تحويل طاقة التيار الكهربائي المباشرة الموردة إلى محرك الآلة الكهربائية من خلال المقاومة المتغيرة المذكورة أعلاه إلى طاقة تيار كهربائي متناوب، والأخيرة إلى طاقة ميكانيكية.

يتم لعب دور المقاومة الكهربائية المتغيرة المذكورة عن طريق "الاتصال الكهربائي المنزلق"، والذي يتكون في "آلة عاكس التيار المستمر" التقليدية من "فرشاة آلة كهربائية" و"مبدل آلة كهربائية"، وفي "آلة كهربائية أحادية القطب تعمل بالتيار المستمر". آلة" من "فرشاة الآلة الكهربائية" و"مفاتيح تبديل الآلة الكهربائية".

نظرًا لأنه من أجل إنشاء عملية تحويل الطاقة في الآلة الكهربائية، من الضروري أن يكون هناك إما "محاثة كهربائية متغيرة" أو "سعة كهربائية متغيرة"، فيمكن تصنيع الآلة الكهربائية إما على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي أو على مبدأ مبدأ الحث الكهربائي. في الحالة الأولى نحصل على "آلة حثي"، في الحالة الثانية - "آلة سعوية".

الآلات السعوية ليس لها أهمية عملية بعد. الآلات الكهربائية المستخدمة في الصناعة والنقل والحياة اليومية هي آلات حثية، والتي ترسخ وراءها في الممارسة العملية الاسم المختصر "الآلة الكهربائية"، وهو في الأساس مفهوم أوسع.

مبدأ تشغيل المولد الكهربائي.

أبسط مولد كهربائي هو ملف يدور في مجال مغناطيسي (الشكل 1، أ). في هذا المولد، يمثل المنعطف 1 ملف عضو الإنتاج. المحث عبارة عن مغناطيس دائم 2، يدور بينه عضو الإنتاج 3.

أرز. 1. الرسوم التخطيطية لأبسط مولد (أ) ومحرك كهربائي (ب)

عندما يدور الملف بتردد دوران معين n، فإن جوانبه (الموصلات) تتقاطع مع خطوط المجال المغناطيسي للتدفق Ф ويتم إحداث e في كل موصل. د.س. ه. عند قبولها في الشكل. 1، واتجاه دوران عضو الإنتاج هو e. د.س. في موصل يقع تحت القطب الجنوبي، وفقا لقاعدة اليد اليمنى، يتم توجيهه بعيدا عنا، و ه. د.س. في موصل يقع تحت القطب الشمالي - لنا.

إذا قمت بتوصيل مستقبل الطاقة الكهربائية 4 بملف عضو الإنتاج، فسوف يتدفق التيار الكهربائي عبر الدائرة المغلقة في موصلات ملف عضو الإنتاج، وسيتم توجيه التيار بنفس طريقة e. د.س. ه.

دعونا نكتشف لماذا، لتدوير عضو الإنتاج في مجال مغناطيسي، من الضروري استهلاك الطاقة الميكانيكية التي يتم الحصول عليها من محرك ديزل أو توربين (المحرك الأساسي). عندما يمر التيار عبر الموصلات الموجودة في مجال مغناطيسي، تؤثر قوة كهرومغناطيسية F على كل موصل.

عندما يشار في الشكل. 1، وفي اتجاه التيار وفقًا لقاعدة اليد اليسرى، تؤثر القوة F الموجهة إلى اليسار على موصل يقع أسفل القطب الجنوبي، والقوة F الموجهة إلى اليمين تؤثر على موصل يقع تحت القطب الجنوبي. القطب الشمالي. تخلق هذه القوى معًا لحظة كهرومغناطيسية M موجهة في اتجاه عقارب الساعة.

من النظر في الشكل. 1، ولكن من الواضح أن يتم توجيه العزم الكهرومغناطيسي M، الذي يحدث عندما يطلق المولد طاقة كهربائية، في الاتجاه المعاكس لدوران الموصلات، لذلك فهي لحظة فرملة تميل إلى إبطاء دوران عضو توليد المولد.

من أجل منع المرساة من التوقف، من الضروري تطبيق عزم دوران خارجي Mvn على عمود المحرك، مقابل اللحظة M ويساوي حجمها. مع الأخذ بعين الاعتبار الاحتكاك والخسائر الداخلية الأخرى في الماكينة، يجب أن يكون عزم الدوران الخارجي أكبر من عزم الدوران الكهرومغناطيسي M الناتج عن تيار حمل المولد.

وبالتالي، من أجل مواصلة التشغيل العادي للمولد، من الضروري توفير الطاقة الميكانيكية له من الخارج - لتدوير حديد التسليح الخاص به بواسطة نوع ما من المحرك 5.

عندما لا يكون هناك حمل (مع فتح الدائرة الخارجية للمولد)، يكون المولد في وضع الخمول. في هذه الحالة، تكون كمية الطاقة الميكانيكية المطلوبة من محرك الديزل أو التوربين ضرورية فقط للتغلب على الاحتكاك وتعويض خسائر الطاقة الداخلية الأخرى في المولد.

مع زيادة حمل المولد، أي الطاقة الكهربائية التي ينتجها، فإن التيار I الذي يمر عبر موصلات ملف المحرك وعزم دوران الكبح M الناتج عنه يزيد، وبالتالي، القوة الميكانيكية Pmx، التي يولدها المولد يجب أن تستقبل من محرك ديزل أو توربينات لمواصلة التشغيل العادي.

وبالتالي، كلما زادت الطاقة الكهربائية التي تستهلكها، على سبيل المثال، المحركات الكهربائية لقاطرة الديزل من مولد قاطرة، كلما زادت الطاقة الميكانيكية التي تستهلكها من محرك الديزل الذي يقوم بتدويرها وزادت الحاجة إلى توفير الوقود لمحرك الديزل.

من ظروف تشغيل المولد الكهربائي التي تمت مناقشتها أعلاه يتبين أنه يتميز بما يلي:

1. صدفة في اتجاه التيار i و e. د.س. في الموصلات من لف حديد التسليح. يشير هذا إلى أن الآلة تقوم بتوصيل الطاقة الكهربائية؛

2. حدوث عزم دوران كهرومغناطيسي للكبح M موجه ضد دوران عضو الإنتاج. وهذا يعني حاجة الآلة للحصول على الطاقة الميكانيكية من الخارج.

مبدأ تشغيل المحرك الكهربائي.

من حيث المبدأ، تم تصميم المحرك الكهربائي بنفس طريقة تصميم المولد. أبسط محرك كهربائي هو الملف 1 (الشكل 1، ب)، الموجود على عضو الإنتاج 3، والذي يدور في المجال المغناطيسي للأقطاب 2. تشكل موصلات الملف ملف عضو الإنتاج.

إذا قمت بتوصيل الملف بمصدر للطاقة الكهربائية، على سبيل المثال، بشبكة كهربائية 6، فإن التيار الكهربائي سأبدأ بالتدفق عبر كل من موصلاته. هذا التيار، الذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي للأعمدة، يخلق كهرومغناطيسيًا القوات ف.

عندما يشار في الشكل. 1، ب في اتجاه التيار، ستعمل القوة F الموجهة إلى اليمين على الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي، والقوة F الموجهة إلى اليسار ستعمل على الموصل الموجود أسفل القطب الشمالي. نتيجة للعمل المشترك لهذه القوى، يتم إنشاء عزم كهرومغناطيسي M، موجه عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يتسبب في دوران عضو الإنتاج والموصل بتردد معين n. إذا قمت بتوصيل عمود المحرك بأي آلية أو جهاز 7 (مجموعة عجلات قاطرة ديزل أو كهربائية، أداة آلية، وما إلى ذلك)، فإن المحرك الكهربائي سوف يتسبب في تدوير هذا الجهاز، أي يمنحه طاقة ميكانيكية. في هذه الحالة، سيتم توجيه العزم الخارجي Mvn الذي تم إنشاؤه بواسطة هذا الجهاز ضد العزم الكهرومغناطيسي M.

دعونا نكتشف سبب استهلاك الطاقة الكهربائية عندما يدور عضو المحرك الكهربائي الذي يعمل تحت الحمل. كما تم إثباته، عندما تدور موصلات عضو الإنتاج في مجال مغناطيسي، يتم حث e في كل موصل. د.يتم تحديد اتجاهه بواسطة قاعدة اليد اليمنى. لذلك، مع البيانات الموضحة في الشكل. 1، ب اتجاه الدوران ه. د.س. e المستحث في موصل يقع تحت القطب الجنوبي سيتم توجيهه بعيدًا عنا، و e. د.س. e، المستحث في موصل يقع تحت القطب الشمالي، سيتم توجيهه نحونا. من الشكل. 1، ب من الواضح أن ه. د.س. e، المستحثة في كل موصل، موجهة ضد التيار، أي أنها تمنع مروره عبر الموصلات.

لكي يستمر التيار i في التدفق عبر موصلات عضو الإنتاج في نفس الاتجاه، أي لكي يستمر المحرك الكهربائي في العمل بشكل طبيعي ويطور عزم الدوران المطلوب، من الضروري تطبيق جهد خارجي U على هذه الموصلات، موجهة نحو ه. د.س. وأكبر حجمًا من إجمالي e . د.س. E المستحث في جميع الموصلات المتصلة بالسلسلة لملف عضو الإنتاج. ولذلك فمن الضروري تزويد الطاقة الكهربائية للمحرك الكهربائي من الشبكة.

في حالة عدم وجود حمل (عزم الكبح الخارجي المطبق على عمود المحرك)، يستهلك المحرك الكهربائي كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي (مصدر رئيسي) ويمر عبره تيار صغير بدون حمل. يتم إنفاق هذه الطاقة لتغطية فقد الطاقة الداخلية في الجهاز.

مع زيادة الحمل، يزداد التيار الذي يستهلكه المحرك الكهربائي وعزم الدوران الكهرومغناطيسي الذي يطوره. وبالتالي فإن زيادة الطاقة الميكانيكية التي يوفرها المحرك الكهربائي مع زيادة الحمل تلقائيا تؤدي إلى زيادة الكهرباء التي يأخذها من المصدر.

من ظروف تشغيل المحرك الكهربائي التي تمت مناقشتها أعلاه، يتبين أنه يتميز بما يلي:

1. مصادفة في اتجاه العزم الكهرومغناطيسي M وسرعة الدوران n. وهذا ما يميز إنتاج الآلة من الطاقة الميكانيكية؛

2. حدوث ه. في الموصلات من لف حديد التسليح. d.s.، موجه ضد التيار i والجهد الخارجي U. وهذا يعني حاجة الجهاز لتلقي الطاقة الكهربائية من الخارج.

مبدأ عكس الآلات الكهربائية

وبالنظر إلى مبدأ تشغيل المولد والمحرك الكهربائي، وجدنا أنهما مصممان بنفس الطريقة وأن تشغيل هذه الآلات لديه الكثير من القواسم المشتركة.

ترتبط عملية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في المولد والطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في المحرك بتحريض e. د.س. في عضو الإنتاج، تدور الموصلات المتعرجة في مجال مغناطيسي وظهور قوى كهرومغناطيسية نتيجة تفاعل المجال المغناطيسي والموصلات مع التيار.

الفرق بين المولد والمحرك الكهربائي هو فقط في الاتجاه النسبي لـ e. ds، التيار، عزم الدوران الكهرومغناطيسي وسرعة الدوران.

يمكننا تلخيص العمليات المدروسة لتشغيل المولد والمحرك الكهربائي مبدأ عكس الآلات الكهربائية. وفقا لهذا المبدأ يمكن لأي آلة كهربائية أن تعمل كمولد ومحرك كهربائي وتتحول من وضع المولد إلى وضع المحرك والعكس.

أرز. 2. الاتجاه ه. د.س. E والتيار I وتردد دوران عضو الإنتاج n وعزم الدوران الكهرومغناطيسي M عند تشغيل آلة كهربائية تعمل بالتيار المستمر في وضعي المحرك (أ) والمولد (ب)

لتوضيح هذا الموقف، دعونا ننظر في العمل في ظل ظروف مختلفة. إذا كان الجهد الخارجي U أكبر من الإجمالي e. د.س. E. في جميع الموصلات المتصلة بسلسلة من لف حديد التسليح، فإن التيار سوف يتدفق في الاتجاه المشار إليه في الشكل. 2، وفي الاتجاه الذي ستعمل فيه الآلة كمحرك كهربائي، يستهلك الطاقة الكهربائية من الشبكة ويطلق الطاقة الميكانيكية.

ومع ذلك، إذا لأي سبب من الأسباب ه. د.س. يصبح E أكبر من الجهد الخارجي U، ثم التيار I في ملف عضو الإنتاج سيغير اتجاهه (الشكل 2، ب) وسوف يتزامن مع e. د.س. E. في هذه الحالة، سيتغير أيضًا اتجاه اللحظة الكهرومغناطيسية M، والتي سيتم توجيهها ضد سرعة الدوران n. صدفة في الاتجاه ه. د.س. E والتيار I يعني أن الآلة قد بدأت بتزويد الشبكة بالطاقة الكهربائية، وظهور عزم الكبح الكهرومغناطيسي M يدل على أنها يجب أن تستهلك طاقة ميكانيكية من الخارج.

لذلك، عندما ه. د.س. يصبح E، المستحث في موصلات ملف عضو الإنتاج، أكبر من جهد الشبكة U، وتتحول الماكينة من وضع تشغيل المحرك إلى وضع المولد، أي عند E< U تعمل الآلة كمحرك، وعندما تكون E > U تعمل كمولد.

يمكن أن يتم نقل الآلة الكهربائية من وضع المحرك إلى وضع المولد بطرق مختلفة: عن طريق تقليل الجهد U للمصدر الذي يتصل به ملف عضو الإنتاج، أو عن طريق زيادة e. د.س. E في لف حديد التسليح.

اليوم نحن جميعا على دراية بالمولدات الكهربائية المنزلية. اعتمادًا على الوقود المستهلك والغرض ونوع المحرك المستخدم، يمكن أن تكون هذه مولدات البنزين والغاز والديزل وحتى مولدات كهرباء الرياح. لقد أصبحت هذه الأجهزة جزءًا من حياتنا، وقد اعتدنا على استخدامها في الريف وفي رحلات التخييم وفي مواقع البناء وفي المرآب. العديد من أنواع المولدات الكهربائية والأجهزة الكهربائية تقوم بهذا العمل نيابةً عنا. يتم دمج المولدات الكهربائية المحمولة باليد في المصابيح الكهربائية، والألواح الشمسية التي تعمل على تشغيل الأجهزة وأجهزة الاستشعار عن بعد، والأقمار الصناعية الفضائية، ومعدات تسلق الجبال. ولكنها لم تكن كذلك دائما. اندلعت بداية القرن التاسع عشر بسلسلة كاملة من الاكتشافات المتعلقة بالكهرباء والمغناطيسية.

وبعد اكتشاف ودراسة الحث الكهرومغناطيسي والحسابات التي تم إجراؤها، أصبح من الواضح أنه من الممكن إنشاء مولد كهربائي يمكنه تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. للحصول على تيار في ملف مغلق من الأسلاك، من الضروري تغيير تدفق الحث الذي يمر عبره. يمكن القيام بذلك بطريقتين: إما تحريك المغناطيس بالنسبة إلى ملف السلك، أو تحريك ملف السلك بالنسبة إلى المغناطيس.

كان أول مولد تيار كهربائي مغناطيسي محلي الصنع، تم بناؤه عام 1832، تركيبًا بسيطًا للغاية. انظر إلى رسمه: ترى أن المجالات الكهرومغناطيسية الموجودة في لفات ملفاته كانت متحمسة بسبب دوران مغناطيس حدوة الحصان. لم يكن التيار الناتج عن مثل هذه الآلة مثل التيار الصادر من خلية كلفانية - فقد بدا وكأنه يندفع من جانب إلى آخر، ويغير اتجاهه بين الحين والآخر. وكان هذا التيار يسمى التيار المتردد، على عكس التيار المباشر الذي تنتجه الخلية الجلفانية.

بدا تركيب مولد كهربائي آخر مختلفًا: إطار موصل يدور بين القطبين الثابتين للمغناطيس. تم توصيل طرفيها بحلقتين على محور دوران الإطار، وتم توصيل دائرة كهربائية بالحلقات باستخدام ملامسات منزلقة. عند ملامسة الحلقات، ظهرت إما "زائد" أو "ناقص"، مما يعني توليد متغير EMF.

حقيقة أن التيار كان متناوبًا كانت تعتبر عيبًا وبدأوا في البحث عن طريقة لتقويمه. للقيام بذلك، لجأوا إلى ما يسمى التبديل. ففي الآلة الثانية، على سبيل المثال، تم ربط طرفي الإطار بحلقة تم قطعها إلى نصفين، وتم عزل كل نصف بطبقة من مادة غير موصلة للكهرباء. لم يمس أحد جهات الاتصال المنزلقة سوى نهاية الإطار الدوار الذي كان عليه علامة "زائد"، وأغلق جهة الاتصال الثانية على "ناقص". لكن على الرغم من أن التيار في الدائرة أصبح ثابتًا في الاتجاه، إلا أن مقداره يتغير مع كل نصف دورة في الإطار.

لتجنب التغييرات المفاجئة في القيمة الحالية، تمت زيادة عدد الإطارات. تم ربط نهاياتها بأقسام متقابلة تمامًا من حلقة التجميع المقطوعة للمولد الكهربائي. يكون التيار الناتج عن هذا المولد المغناطيسي أكثر تشابهًا مع المولد الثابت، وكلما زاد عدد الإطارات الموجودة على الأسطوانة الدوارة - الدوار (تسمى المغناطيسات الثابتة في مثل هذه الآلة بالجزء الثابت).

تتشابه المولدات الكهربائية التي تعمل بالتيار المستمر والتيار المتردد في تصميمها مع المحركات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، إذا قمت بتدوير حديد التسليح لمحرك كهربائي يعمل بالتيار المستمر، فسيظهر فرق محتمل على لفاته - يبدأ المحرك في إنتاج تيار كهربائي، ويصبح مولدًا كهربائيًا. ومع ذلك، لأسباب فنية، يتم بناء مولدات التيار الكهربائي بشكل مختلف بعض الشيء عن المحركات الكهربائية.

لنأخذ، على سبيل المثال، مولد التيار المتردد في محطة طاقة حرارية كبيرة.

يحتوي الجزء الثابت على ملف داخلي ينشأ فيه تيار كهربائي. الدوار عبارة عن أسطوانة ذات قطبين مغناطيسيين: الشمال والجنوب. إذا قمت بمغنطة الجزء المتحرك عن طريق تمرير تيار مباشر من مصدر خارجي إلى ملفات القطب، ثم بدأت في تدويره، سيظهر تيار متردد في ملف الجزء الثابت.

عادةً ما يتم استخدام مولد DC صغير منفصل لإثارة الدوار وتشغيله. يتم وضع هذا المولد الكهربائي مباشرة على عمود الدوار. هناك خيار تصميم آخر - بدلا من مولد المثير، يعمل مقوم تيار أشباه الموصلات. إنه يستهلك جزءًا ضئيلًا من قوة المولد الكهربائي نفسه، ويصحح التيار المتردد، ومع التيار الناتج يمد الملف الدوار بالطاقة.

اعتمدت بلادنا معيار تردد التيار المتردد بمعدل 50 دورة في الثانية - 50 هرتز. وهذا يعني أنه خلال الثانية يجب أن يتدفق التيار 50 مرة في اتجاه واحد و50 مرة في الاتجاه الآخر. وبناء على ذلك، يجب أن يقوم الدوار بإجراء 50 دورة في الثانية بالضبط، أو 3000 دورة في الدقيقة. تعمل المولدات الكهربائية للمحطات الحرارية بهذه السرعة: يتم تشغيلها بواسطة وحدات توربينية غازية مصممة خصيصًا لهذه السرعة.

يحدث هذا كثيرًا كما هو الحال في المولد الكهربائي في محطة الطاقة الحرارية، حيث تبلغ سرعة دوران وحدة توربينات الغاز 3000 دورة في الدقيقة. وبالتالي، يتم الحفاظ على تكرار 50 فترة هنا.

بسيطة حول المجمع – مولدات كهربائية لإنتاج الكهرباء

• معرض الصور والصور والصور.
• المولدات الكهربائية – الأساسيات، الفرص، الآفاق، التطوير.
• حقائق مثيرة للاهتمام، معلومات مفيدة.
• جرين نيوز – مولدات كهربائية.
• روابط للمواد والمصادر – المولدات الكهربائية لإنتاج الكهرباء.

>> توليد الطاقة الكهربائية

الفصل الخامس. إنتاج ونقل واستخدام الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائيةله مزايا لا يمكن إنكارها على جميع أنواع الطاقة الأخرى. ويمكن نقله عبر الأسلاك عبر مسافات شاسعة مع خسائر منخفضة نسبيًا ويتم توزيعه بسهولة بين المستهلكين. الشيء الرئيسي هو أن هذه الطاقة، بمساعدة أجهزة بسيطة إلى حد ما، يمكن تحويلها بسهولة إلى أي أشكال أخرى: ميكانيكية، داخلية (تسخين الأجسام)، طاقة ضوئية، إلخ.

يتمتع التيار المتردد، على عكس التيار المباشر، بميزة إمكانية تحويل (تحويل) الجهد والتيار ضمن نطاق واسع للغاية دون فقدان أي طاقة تقريبًا. مثل هذه التحولات ضرورية في العديد من أجهزة الهندسة الكهربائية والراديو. لكن تحويل الجهد والتيار ضروري بشكل خاص عند نقل الكهرباء لمسافات طويلة.

§ 37 توليد الطاقة الكهربائية

يتم توليد التيار الكهربائي في المولدات - الأجهزة التي تحول الطاقة من نوع أو آخر إلى طاقة كهربائية. تشمل المولدات الخلايا الجلفانية، والآلات الكهروستاتيكية، والأعمدة الحرارية 1، والألواح الشمسية، وما إلى ذلك. ويجري استكشاف إمكانيات إنشاء أنواع جديدة بشكل أساسي من المولدات.

1 تستخدم الأعمدة الحرارية خاصية اتصالين من مواد مختلفة لإنشاء قوة دافعة كهربية بسبب اختلاف درجة الحرارة بين جهات الاتصال.

على سبيل المثال، يجري تطوير ما يسمى بخلايا الوقود، حيث يتم تحويل الطاقة المنبعثة نتيجة تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين مباشرة إلى كهرباء.

يتم تحديد نطاق تطبيق كل نوع من أنواع مولدات الكهرباء المدرجة حسب خصائصها. وبالتالي، فإن الآلات الكهروستاتيكية تخلق فرق جهد مرتفع، ولكنها غير قادرة على توليد أي تيار كبير في الدائرة. يمكن للخلايا الجلفانية أن تنتج تيارًا كبيرًا، لكن مدة عملها قصيرة.

يتم لعب الدور الرئيسي في عصرنا عن طريق الحث الكهروميكانيكي لمولدات التيار المتردد. في هذه المولدات يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. يعتمد عملهم على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. تتميز هذه المولدات بتصميم بسيط نسبيًا وتتيح الحصول على تيارات كبيرة بجهد عالٍ بدرجة كافية.

في المستقبل، عند الحديث عن المولدات، سنعني المولدات الكهروميكانيكية الحثية.

المولد.تمت مناقشة مبدأ تشغيل مولد التيار المتردد بالفعل في الفقرة 31.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من المولدات الحثية المتاحة اليوم. لكنها جميعا تتكون من نفس الأجزاء الأساسية. هذا هو، أولاً، مغناطيس كهربائي أو مغناطيس دائم يخلق مجالًا مغناطيسيًا، وثانيًا، ملف يتم فيه تحفيز القوة الدافعة الكهربية المتناوبة (في نموذج المولد المدروس، يكون هذا إطارًا دوارًا). نظرًا لأن المجالات الكهرومغناطيسية المستحثة في اللفات المتصلة بالسلسلة تتراكم، فإن سعة المجالات الكهرومغناطيسية المستحثة في الإطار تتناسب مع عدد دوراتها. ويتناسب أيضًا مع سعة التدفق المغناطيسي المتناوب (Ф m = BS) خلال كل دورة (انظر الفقرة 31).

للحصول على تدفق مغناطيسي كبير، تستخدم المولدات نظامًا مغناطيسيًا خاصًا يتكون من قلبين مصنوعين من الفولاذ الكهربائي. اللفات التي تخلق المجال المغناطيسي

تقع في فتحات أحد النوى، واللفات التي يتم فيها إحداث المجال الكهرومغناطيسي موجودة في فتحات الآخر. يدور أحد النوى (عادةً ما يكون داخليًا) مع الملف حول محور أفقي أو رأسي. ولهذا السبب يطلق عليه الدوار. يُطلق على النواة الثابتة ذات اللف اسم الجزء الثابت. يتم جعل الفجوة بين قلب الجزء الثابت والدوار صغيرة قدر الإمكان لزيادة تدفق ناقل الحث المغناطيسي.

في نموذج المولد الموضح في الشكل 5.1، يدور إطار سلكي، وهو عبارة عن دوار (بدون قلب حديدي). يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم ثابت. بالطبع، يمكنك أن تفعل العكس: قم بتدوير المغناطيس واترك الإطار بلا حراك.

في المولدات الصناعية الكبيرة، فإن المغناطيس الكهربائي، وهو الدوار، هو الذي يدور، ويتم وضع اللفات التي يتم فيها تحفيز المجال الكهرومغناطيسي في قاعدة الجزء الثابت وتبقى بلا حراك. الحقيقة هي أنه يجب توفير التيار للدوار أو إزالته من ملف الدوار إلى دائرة خارجية باستخدام جهات الاتصال المنزلقة. للقيام بذلك، تم تجهيز الدوار بحلقات انزلاقية متصلة بنهايات لفه (الشكل 5.2). يتم ضغط الألواح الثابتة - الفرش - على الحلقات وتوصيل لف الدوار بالدائرة الخارجية. إن القوة الحالية في ملفات المغناطيس الكهربائي التي تخلق المجال المغناطيسي أقل بكثير من التيار الذي يوفره المولد للدائرة الخارجية. ولذلك، فمن الأكثر ملاءمة لإزالة التيار المتولد من اللفات الثابتة، ومن خلال الاتصالات المنزلقة لتوفير تيار ضعيف نسبيا للمغناطيس الكهربائي الدوار. يتم إنشاء هذا التيار بواسطة مولد تيار مباشر منفصل (المثير) موجود على نفس العمود.

في المولدات منخفضة الطاقة، يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم دوار. في هذه الحالة، ليست هناك حاجة إلى حلقات وفرش على الإطلاق.

يتم تفسير ظهور المجالات الكهرومغناطيسية في اللفات الثابتة من خلال ظهور مجال كهربائي دوامي ناتج عن تغير في التدفق المغناطيسي عندما يدور الدوار.

محتوى الدرس ملاحظات الدرسدعم إطار عرض الدرس وأساليب تسريع التقنيات التفاعلية يمارس المهام والتمارين ورش عمل الاختبار الذاتي، والتدريبات، والحالات، والمهام، والواجبات المنزلية، وأسئلة المناقشة، والأسئلة البلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية الصوت ومقاطع الفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية، صور، رسومات، جداول، رسوم بيانية، فكاهة، نوادر، نكت، كاريكاتير، أمثال، أقوال، كلمات متقاطعة، اقتباسات الإضافات الملخصاتالمقالات والحيل لأسرّة الأطفال الفضوليين والكتب المدرسية الأساسية والإضافية للمصطلحات الأخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء من الكتاب المدرسي، وعناصر الابتكار في الدرس، واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثاليةخطة التقويم للسنة؛ توصيات منهجية؛ دروس متكاملة

مولد كهرباء- جهاز يحول أنواع الطاقة المختلفة إلى طاقة كهربائية. مولدات تنتج التيار الكهربائي. أمثلة على المولدات: الخلايا الجلفانية، الآلات الكهروستاتيكية، الألواح الشمسية، إلخ. اعتمادًا على الخصائص، يتم استخدام أنواع مختلفة من المولدات.

على سبيل المثال، باستخدام الآلات الكهروستاتيكية، يمكنك إنشاء جهد كهربائي عالي جدًا، لكن التيار سيكون صغيرًا جدًا. وبمساعدة الخلايا الكلفانية، يمكنك إنشاء قوة تيار مقبولة، لكنها لا تعمل إلا لفترة قصيرة.

هيكل المولدات

دعونا نفكر في مولد التيار المتردد الكهروميكانيكي التعريفي. هناك العديد من المولدات من هذا النوع، ولكن لكل منها أجزاء أساسية مشتركة.

• دائم أو كهرومغناطيسي. يخلق مجالا مغناطيسيا.
• لف. يتم إحداث emf متناوب فيه.

يتم إحداث سعة المجال الكهرومغناطيسي في كل دورة من اللف. وبما أن المنعطفات متصلة في سلسلة، فإن قيم EMF ستضيف ما يصل. سيكون المجال الكهرومغناطيسي الموجود في الإطار متناسبًا مع عدد اللفات في الملف. للحصول على قيمة تدفق مغناطيسي كبيرة، يتم عمل نظام خاص من نواتين في المولدات.

في أخاديد أحد النواة توجد اللفات التي تخلق مجالًا مغناطيسيًا، وفي أخاديد النواة الأخرى توجد اللفات التي يتم فيها تحفيز القوة الدافعة الكهربية. يدور أحد النوى، ويسمى الدوار. والثاني ثابت ويسمى الجزء الثابت. إنهم يحاولون جعل الفجوة بين النوى صغيرة قدر الإمكان من أجل زيادة تدفق ناقل الحث المغناطيسي.

يوضح الشكل نموذجًا لمولد بسيط.

مبدأ تشغيل المولد

في المولد، الذي يظهر نموذجه في الشكل، يتم إنشاء مجال مغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم، ويدور داخله إطار سلكي. من حيث المبدأ، يمكنك ترك الإطار ثابتًا وتدوير المغناطيس. من لن يتغير شيء.

وهذا بالضبط ما يتم في المولدات الصناعية. يدور المغناطيس الكهربائي، وتبقى اللفات التي يظهر فيها المجال الكهرومغناطيسي بلا حراك. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه من أجل توفير التيار للدوار أو إزالته من اللفات الدوارة، من الضروري استخدام جهات الاتصال المنزلقة. وتستخدم الفرش وحلقات الانزلاق لهذا الغرض. القوة الحالية التي ستجعل الدوار يدور أقل بكثير من تلك التي نزيلها من اللفات.

ولذلك، فمن أكثر ملاءمة لتوفير التيار إلى الدوار وإزالة التيار من الجزء الثابت. في المولدات منخفضة الطاقة، يتم استخدام مغناطيس دائم دوار لإنشاء مجال مغناطيسي، ثم ليس من الضروري توفير التيار للدوار على الإطلاق. ولا تحتاج إلى استخدام الفرش والخواتم.

عندما يدور العضو المتحرك، تظهر قوة دافعة كهربية في ملفات الجزء الثابت. يحدث هذا بسبب ظهور مجال كهربائي دوامي. المولدات الحديثة عبارة عن آلات كبيرة جدًا. علاوة على ذلك، مع هذه الأبعاد (عدة أمتار)، يتم تصنيع بعض الأجزاء الداخلية الأكثر أهمية بدقة ملليمتر.

محولات

تنتج المولدات الموجودة في محطات الطاقة مجالات كهرومغناطيسية قوية جدًا. ومن الناحية العملية، نادرا ما تكون هناك حاجة لمثل هذا التوتر. ولذلك، يجب تحويل هذا الجهد.

تستخدم أجهزة تسمى المحولات لتحويل الجهد. يمكن للمحولات إما زيادة الجهد أو خفضه. هناك أيضًا محولات تثبيت لا تزيد أو تنقص الجهد.

النظر في تصميم المحولات في الشكل التالي.

رمز المحول:

تصميم وتشغيل المحولات

يتكون المحول من ملفين مع لفات الأسلاك. يتم وضع هذه الملفات على قلب فولاذي. النواة ليست متجانسة، ولكن يتم تجميعها من لوحات رقيقة.

واحدة من اللفات تسمى الابتدائي. يتم توصيل الجهد المتردد الذي يأتي من المولد والذي يحتاج إلى تحويل بهذا الملف. اللف الآخر يسمى اللف الثانوي. يتم توصيل الحمل به. الحمل هو جميع الأجهزة والأجهزة التي تستهلك الطاقة.

ويوضح الشكل التالي رمز المحول.

صورة

يعتمد تشغيل المحول على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. عندما يمر التيار المتردد عبر الملف الأولي، يتولد تدفق مغناطيسي متناوب في القلب. وبما أن القلب مشترك، فإن التدفق المغناطيسي يولد تيارًا في الملف الآخر.

يحتوي الملف الأولي للمحول على دورات N 1، وإجمالي القوى الدافعة الكهربية المستحثة يساوي e 1 = N 1 e، حيث e هي القيمة اللحظية للقوى الدافعة الكهربية المستحثة في جميع المنعطفات. e هو نفسه بالنسبة لجميع دورات كلا الملفين.

اللف الثانوي له عدد N 2 دورة. يتم إحداث EMF e 2 = N 2 e فيه.

ولذلك: ه 1 / ه 2 = ن 1 / ن 2.

نحن نهمل مقاومة اللف. وبالتالي، فإن قيم القوى الدافعة الكهربية والجهد المستحث ستكون متساوية تقريبًا في الحجم: |u 1 |≈|e 1 |.

عندما تكون دائرة الملف الثانوي مفتوحة، لا يمر تيار فيها، وبالتالي: |u 2 |=|e 2 |.

تتأرجح القيم اللحظية للمجالات الكهرومغناطيسية e 1, e 2 في مرحلة واحدة. يمكن استبدال نسبتها بنسبة قيم emf الفعالة: E 1 و E 2. ونستبدل نسبة قيم الجهد اللحظي بقيم الجهد الفعال. نحن نحصل:

ه 1 /ه 2 ≈U 1 /U 2 ≈N 1 / N 2 = ك

ك – معامل التحويل. في ك>0المحول يزيد الجهد عندما ك – محول يقلل الجهد. إذا تم توصيل الحمل إلى نهايات الملف الثانوي، سيظهر تيار متناوب في الدائرة الثانية، مما سيؤدي إلى ظهور تدفق مغناطيسي آخر في القلب.

هذا التدفق المغناطيسي سوف يقلل من التغير في التدفق المغناطيسي الأساسي. ل محملالمحول، ستكون الصيغة التالية صالحة: U 1 /U 2 ≈ I 2 /I 1.

وهذا هو، عندما يزيد الجهد عدة مرات، فإننا سنقلل من القوة الحالية بنفس المقدار.

التجارب التوضيحية - انظر المجلد الثاني، §§ 2 و50.
الأدوات المبسطة – انظر المجلد الثالث، § 49.
الرسومات والرسومات في الدروس – انظر المجلد الرابع، § 68.

1. المحتويات:أ) ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. العلاقة بين اتجاهات المجال وحركة الموصل والتيار. حكم اليد اليمنى. ب) الحصول على تيار متردد عن طريق تدوير الإطار في مجال مغناطيسي. الفرق بين التيار المتناوب والتيار المباشر، ج) المجمع، كجهاز لتصحيح التيار المتردد. د) مفهوم تصميم الدينامو. عكس الدينامو. هـ) أهمية اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي واختراع الدينامو.

2. ملاحظات منهجية. للتواصل مع القسم السابق، في بداية دراسة الموضوع، ينبغي طرح السؤال تقريبًا بالشكل الذي نشأ به السيد فاراداي. إذا بدأ موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي في التحرك، فهل يمكن أن تؤدي حركة الموصل في المجال إلى ظهور تيار؟ بمعنى آخر، يتم طرح التساؤل حول إمكانية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

تعود الصعوبات المنهجية في دراسة ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ومبدأ تصميم وتشغيل الدينامو إلى نفس الأسباب المشار إليها في الفقرة 101، 2. ومع ذلك، فمن الأسهل التغلب عليها، حيث تم بالفعل النظر في قضايا مماثلة في الدراسة السابقة للمحرك الكهربائي. من أجل تبسيط العرض وضمان إمكانية وصول الطلاب إلى المواد، من الضروري اللجوء، بالإضافة إلى التجارب التوضيحية، إلى الاستخدام الواسع النطاق للوسائل التعليمية في شكل إطارات أو خطوط محيطية ذات حلقات ومشعبة (انظر المجلد 1). II، § 50، 7، الشكل 377، 389 و 390)، وكذلك استخدام الصور التوضيحية. عند الرسم على السبورة، من الضروري التخلي عن الرسومات بإسقاط مائل وإعطاء صور تقليدية على شكل أقسام مشابهة لتلك الموضحة في الشكل 242. نظرًا لأن الطلاب ليس لديهم أي فكرة عن القوة الدافعة الكهربائية، وذلك لتبسيط العرض عند التفكير ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي والقضايا اللاحقة، لا بد من الحديث عن التيار الكهربائي المستحث في الموصلات، وليس عن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة، وهذا ليس صحيحا تماما من وجهة النظر العلمية.

تنشأ أيضًا صعوبات في دراسة ظاهرة الحث لأن مقياس الجلفانومتر المستخدم في المدرسة ليس حساسًا بدرجة كافية. لذلك يجب إظهار الظاهرة بشكل معقد للغاية، حيث يتم إثارة تيار في ملف، وليس في موصل مستقيم.

ليس من السهل أن نخلق لدى الطلاب أي فكرة صحيحة عن التيار الكهربائي المتناوب، ليس فقط كتيار يغير اتجاهه بشكل دوري، ولكن أيضًا كتغير مستمر في حجمه خلال كل نصف دورة. من المرغوب فيه أن يكتسب الطلاب فهمًا للرسم البياني للتيار المتردد وأن يتمكنوا من تقديم التفسيرات المناسبة. يتبين أن هذا ممكن فقط إذا أولى المعلم اهتمامًا كافيًا لبناء جميع أنواع الرسوم البيانية طوال الدورة.

3. الحث الكهرومغناطيسي.إن عرض هذه المشكلة ليس فقط في المدرسة، ولكن أيضًا في الكتب المدرسية أمر غير مرض. نظرًا للعيوب المنهجية للمعدات، فمن الممكن في التجارب اكتشاف حدوث تيار تحريضي فقط، ولكن لا يمكن إثبات الاتصال الحالي بين اتجاهات المجال والحركة الميكانيكية واتجاه التيار. ويرد وصف تفصيلي للمنهجية التجريبية، مما يؤدي إلى تبسيط عرض السؤال والسماح بإدخال قاعدة اليد اليمنى، بالإضافة إلى وصف الأدوات المقابلة، في المجلد الثاني، § 50، 2 و 5. هنا، فيما يتعلق بالتجربة، سنقتصر على التعليمات التالية:

1) يجب اعتبار الملف التعريفي المتوفر عادة في المدرسة غير مناسب من الناحية المنهجية. يجب استخدام ملف مصنوع خصيصًا، حيث يكون اتجاه اللف مرئيًا للطلاب بوضوح ويتم طلاء الأسلاك فيه بألوان مختلفة (انظر المجلد الثاني، الشكل 40).

2) داخل الجلفانومتر التوضيحي، إذا لزم الأمر، من الضروري إعادة توصيل الأسلاك المؤدية إلى أطرافه بحيث تنحرف الإبرة وفقًا للتيار (انظر المجلد الثاني، § 45، الشكل 323).

3) عند العرض، استخدم مغناطيسًا على شكل حرف U بدلاً من المغناطيس المستقيم، نظرًا لأن نمط المجال للأخير أبسط من الأول (انظر المجلد الثاني، الشكل 399 و401).

4) يجب عليك تحريك الملف عن طريق دفعه على المغناطيس، وليس العكس. وإلا، فسوف تنشأ صعوبات عند إدخال قاعدة اليد اليمنى.

فقط في حالة استيفاء الشروط المحددة، يمكن إنشاء الاتصال الذي تعبر عنه قاعدة اليد اليمنى بشكل تجريبي بسيط نسبيًا.

تتم دراسة ظاهرة الحث على الشكل التالي:

1) يحدث التيار التعريفي عندما يتحرك الموصل عبر خطوط المجال، ولكن ليس على طولها (الشكل 244).

2) يتم ملاحظة ظاهرة الحث ليس فقط أثناء حركة الملف بالقرب من أقطاب الموصل بالنسبة للمجال، ولكن أيضًا المجال بالنسبة للموصل، أي مع الحركة النسبية للمجال والموصل .

3) يتم تقليل أربع حالات محتملة لحركة الموصل بالقرب من الأقطاب المغناطيسية إلى حالتين رئيسيتين للحركة النسبية للموصل عبر خطوط المجال (الشكل 245).

4) يتم تحديد اتجاه التيار التحريضي حسب اتجاهات المجال والإزاحة بقاعدة اليد اليمنى.

من المستحسن أن تأخذ في الاعتبار قاعدة لينز، التي تعتبر أكثر عقلانية لتنفيذها لاحقًا - عند إعداد تجربة تكتشف مقاومة محرك الدينامو عند تحميله.

ليس من الضروري إثبات إنتاج التحريض بواسطة مغناطيس كهربائي، لأن هذا لا يقدم أي شيء جديد بشكل أساسي. يعد عرض حدوث التيار في الملف الثانوي أثناء انقطاع التيار في الملف الأولي بمثابة مقدمة للنظر في مسألة المحولات وبالتالي يجب تقديمه في بداية الموضوع التالي.

عند دراسة قاعدة اليد اليمنى، ينبغي للمرء، مسترشدًا بالأحكام الواردة في § 101، 3، إجراء جلسات تدريبية مع الفصل بأكمله.

يجب أن تتوافق رسومات المعلم على السبورة ورسومات الطلاب في دفاتر الملاحظات مع جميع الحالات المحتملة لحركة الملف بالنسبة للأعمدة (الشكل 244 و 245).

تمت مناقشة مسألة هذه الرسومات بالتفصيل في المجلد الرابع، § 68، 1 (الشكل 303-308).

4. الحصول على التيار المتردد عن طريق تدوير الإطار. بالنسبة للتجربة الرئيسية، التي تعمل على اكتشاف حدوث تيار متردد عند تدوير الإطار في مجال مغناطيسي، يتم استخدام الملف الموصوف في المجلد الثاني، § 50، 6 (الشكل 393). يتم الحكم على التغير في اتجاه التيار عندما يمر الإطار عبر الموضع المحايد على أساس انحراف إبرة الجلفانومتر التوضيحي. يتم تقديم تفسير لهذه الظاهرة المرصودة على أساس قاعدة اليد اليمنى باستخدام دائرة توضيحية ذات حلقات (الشكل 246 وانظر المجلد الثاني، الشكل 389) وصور معدة مسبقًا مشابهة للشكل 242. في هذه الدائرة كما هو الحال في دراسة حركة الموصل، لتبسيط التفسيرات، من الضروري تلوين أجزائه الفردية بألوان مختلفة.

يجب أن يتعرف الطلاب على الاختلافات الرئيسية بين التيار المتردد والتيار المباشر:

1) التيار المتردد يغير تياره على فترات منتظمة. غير إتجاه.

2) تزداد قوة التيار المتردد خلال هذه الفترة الزمنية بشكل مستمر إلى قيمة قصوى معينة ثم تنخفض أيضًا إلى الصفر.

3) يسمى الوقت الذي يتدفق فيه التيار المتردد في الاتجاه الواحد والعكس بفترة التيار المتردد. يُنصح بتقديم رسم بياني للتيار المتردد (انظر المجلد الرابع، الشكل 306).

في الختام، نحن بحاجة إلى النظر في هيكل الآلة الكهرومغناطيسية ذات الحلقات وإظهار عملها عن طريق تسخين المصباح الكهربائي (انظر المجلد الثاني، § 50، 8 والشكل 394). في الوقت نفسه، يتم تقديم تفسيرات لأي غرض يتكون جسم المحرك من الحديد، واللف مصنوع من عدد كبير من المنعطفات.

وبعد أن ذكرنا استبدال المغناطيسات بمغناطيسات كهربائية، يمكن اعتبار مثل هذه الآلة نموذجًا أوليًا لآلات التيار المتردد الحديثة (المولدات) المستخدمة في التكنولوجيا. من الخطأ تسمية آلات التيار المتناوب بالدينامو.

5. تصحيح عمل المجمع. ماكينة دينامو. يتم تحديد التأثير التصحيحي للمجمع باستخدام دائرة مع المجمع واللجوء إلى الرسومات المعدة مسبقًا مثل تلك الموضحة في الشكل 247. ثم يوضحون تشغيل آلة كهربائية مغناطيسية مع مُجمِّع (انظر المجلد الثاني، الشكل 394)، ويضيءون مصباحًا كهربائيًا ويظهرون بمساعدة الجلفانومتر التوضيحي أن الآلة تنتج تيارًا مباشرًا. من المفيد أيضًا التحدث عن تصميم مصباح يدوي بآلة مغناطيسية كهربائية (انظر المجلد الثاني، الشكل 395، II). بعد الإشارة إلى أنه في الآلات التقنية، بدلاً من المغناطيس، يتم استخدام المغناطيسات الكهربائية لتعزيز العمل، ويتم تعريف الطلاب بمبدأ الدينامو الكهربائي، والذي يتمثل في حقيقة أن التيار الذي يغذي المحرِّض يؤخذ من عضو توليد الدينامو، والذي هي خاصية مميزة.

يرى الطلاب بسهولة الهوية في أجهزة الدينامو ومحرك التيار المستمر. ولذلك، فإن مسألة عكس الدينامو، والتي تظهر تجريبيا، لا تمثل أي صعوبات.

6. الدينامو كمحول للطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. من الأهمية الأساسية أن تظهر التجربة أن الطاقة الميكانيكية التي يستهلكها الدينامو تعتمد على الطاقة الكهربائية التي يوفرها الدينامو. يتم الكشف عن هذه الظاهرة من خلال التغير في سرعة الحمل المتساقط، الذي يحرك الدينامو (انظر المجلد الثاني، § 50، 3) عندما يكون تحت حمل كهربائي، مقارنة بالتشغيل الخامل. فيما يتعلق بهذه التجربة وظاهرة عكس الدينمو، كما هو مذكور في القسم 3، ينبغي توضيح قاعدة لينز. بناءً على مقارنة قواعد اليد اليمنى واليسرى والرسومات، فمن الممكن تمامًا أن نقود الطلاب إلى استنتاج مفاده أن التيار الاستقرائي له دائمًا اتجاه يخلق قوة تتعارض مع الحركة المنتجة. وبعد ذلك يتم تقديم مفهوم الكفاءة. الدينامو وقيمته العالية يشار إليها في الأجهزة الأكثر تقدمًا. مقدمة الكفاءة إنتاج، بدءا من قانون الحفاظ على الطاقة وبالتالي التأكيد على عالمية هذا الأخير.

وفي الختام، يتم التطرق إلى أهمية اختراع المولد الميكانيكي للطاقة الكهربائية، والذي أتاح الحصول على تيارات قوية وسمح باستخدام الطاقة الكهربائية على نطاق واسع في التكنولوجيا والحياة اليومية.

7. المعلومات التاريخية. يجب أن يكون النظر في أهمية اختراع المولد الميكانيكي للطاقة الكهربائية مصحوبًا بعرض المعلومات التاريخية ذات الصلة. وتشمل هذه: 1) تاريخ اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي بواسطة م. فاراداي. 2) سيرة م. فاراداي (§§ 9 و 10)؛ 3) معلومات موجزة عن اختراع الدينامو و 4) تاريخ اكتشاف إمكانية عكس الدينامو. إن دراسة سيرة السيد فاراداي لها قيمة تعليمية كبيرة جدًا.

بالإضافة إلى قصة فاراداي، ينبغي تعريف الطلاب بحياة وأهم اكتشافات العالم الروسي إميليوس كريستيانوفيتش لينز، الذي كرس حياته كلها بشكل رئيسي لدراسة الظواهر الكهربائية اللحظية. الأهم هو اكتشافه لقانون يحدد اتجاه التيار المستحث (قاعدة لينز) وبالتالي ربط ظاهرة حركة الموصل في المجال المغناطيسي وظواهر الحث الكهرومغناطيسي (انظر القسم 6) ). كان لهذا الاكتشاف أهمية أساسية كبيرة، واستكمل بعدد من أعمال لينز الأخرى حول الكهرومغناطيسية، وكان أول عمل حول نظرية الآلات الكهرومغناطيسية والذي كان حاسمًا للعلوم العالمية. ولذلك، فإن تعريف الطلاب بالأكاديمي لينز فقط باعتباره العالم الذي اكتشف قانون جول لينز غير كاف.

8. المهام.تستخدم المسائل لنفس الغرض ومن نفس النوع كما في موضوع "حركة الموصل". تعتبر المسائل والأسئلة المتعلقة بالتيار المتردد ذات أهمية وفائدة خاصة، والتي تقترح التنبؤ بكيفية حدوث ما يلي: التأثيرات الحرارية، والتحليل الكهربي لكبريتات النحاس والماء المحمض، وجذب الحديد بواسطة مغناطيس كهربائي (انظر المجلد الثاني، § 51). ، 2 والشكل 406).

9. الدروس. بالإضافة إلى الدوائر المذكورة أعلاه ذات الحلقات والمجمع، يجب استخدام صورة توضيحية: “تصميم مولد التيار المباشر. من المفيد إظهار الورق الشفاف الذي يصور الآلات (المولدات) المستخدمة في التكنولوجيا والتيارات المباشرة والمتناوبة. ومن الأفضل عرض الأجزاء المقابلة من الفيلم: "تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية".

إن عرض نموذج العمل لمحطة توليد الطاقة البخارية يترك انطباعًا قويًا بشكل استثنائي لدى الطلاب.

10. الأنشطة اللامنهجية. كما هو مذكور في § 49، 3، من المرغوب فيه تنظيم أمسية مخصصة للسيد فاراداي، أو نشر صحيفة حائط مناسبة. بالنسبة لفصول الدائرة، يفتح الموضوع فرصًا واسعة لدراسة التيار المتردد من خلال سلسلة من التجارب (انظر المجلد الثاني، § 51، 2 والمجلد الثالث، § 2.7).