Šiandien neįmanoma įsivaizduoti žmogaus civilizacijos ir aukštųjų technologijų visuomenės be elektros. Vienas pagrindinių prietaisų, užtikrinančių elektros prietaisų veikimą, yra variklis. Ši mašina buvo plačiai paplitusi: nuo pramonės (ventiliatoriai, trupintuvai, kompresoriai) iki buitinio naudojimo (skalbimo mašinos, grąžtai ir kt.). Bet koks yra elektros variklio veikimo principas?
Kelionės tikslas
Elektros variklio veikimo principas ir pagrindiniai jo tikslai – mechaninės energijos, reikalingos technologiniams procesams atlikti, perdavimas darbo organams. Pats variklis jį sukuria dėl iš tinklo suvartojamos elektros. Iš esmės elektros variklio veikimo principas yra paversti elektros energiją mechanine energija. Mechaninės energijos kiekis, kurį jis sukuria per vieną laiko vienetą, vadinamas galia.
Peržiūrosvarikliai
Priklausomai nuo maitinimo tinklo charakteristikų, galima išskirti du pagrindinius variklių tipus: nuolatinės ir kintamos srovės. Dažniausios nuolatinės srovės mašinos yra varikliai su serijiniu, nepriklausomu ir mišriu sužadinimu. Kintamosios srovės variklių pavyzdžiai yra sinchroninės ir asinchroninės mašinos. Nepaisant akivaizdžios įvairovės, bet kokios paskirties elektros variklio įtaisas ir veikimo principas grindžiami laidininko sąveika su srove ir magnetiniu lauku arba nuolatinio magneto (feromagnetinio objekto) sąveika su magnetiniu lauku.
Srovės kilpa – variklio prototipas
Pagrindinį dalyką tokiu klausimu kaip elektros variklio veikimo principas galima pavadinti sukimo momento atsiradimu. Šis reiškinys gali būti nagrinėjamas naudojant rėmo su srove, kurį sudaro du laidininkai ir magnetas, pavyzdį. Srovė į laidininkus tiekiama per kontaktinius žiedus, kurie pritvirtinami prie besisukančio rėmo ašies. Pagal garsiąją kairės rankos taisyklę, rėmą veiks jėgos, kurios sukurs sukimo momentą aplink ašį. Veikiant šiai bendrai jėgai, jis suksis prieš laikrodžio rodyklę. Yra žinoma, kad šis sukimosi momentas yra tiesiogiai proporcingas magnetinei indukcijai (B), srovės stipriui (I), rėmo plotui (S) ir priklauso nuo kampo tarp lauko linijų ir pastarosios ašies. Tačiau veikiant akimirkai, kuri pasikeičia jo kryptimi, rėmas svyruos. Ką galima padaryti norint sukurti nuolatinįkryptys? Čia yra dvi parinktys:
- pakeiskite elektros srovės kryptį rėmelyje ir laidininkų padėtį magneto polių atžvilgiu;
- pakeiskite paties lauko kryptį, o rėmas sukasi ta pačia kryptimi.
Pirmoji parinktis naudojama nuolatinės srovės varikliams. Antrasis – kintamosios srovės variklio principas.
Srovės krypties keitimas magneto atžvilgiu
Norint pakeisti įkrautų dalelių judėjimo kryptį rėmo laidininke su srove, reikia įrenginio, kuris nustatytų šią kryptį priklausomai nuo laidininkų vietos. Ši konstrukcija įgyvendinama naudojant slankiuosius kontaktus, kurie tiekia srovę į kilpą. Kai vienas žiedas pakeičia du, rėmui pasisukus pusę apsisukimo, srovės kryptis pasikeičia, o sukimo momentas ją išlaiko. Svarbu pažymėti, kad vienas žiedas yra surinktas iš dviejų pusių, kurios yra izoliuotos viena nuo kitos.
DC mašinos dizainas
Aukščiau pateiktas pavyzdys yra nuolatinės srovės variklio veikimo principas. Tikroji mašina, žinoma, yra sudėtingesnės konstrukcijos, kurioje armatūros apvijai formuoti naudojama dešimtys rėmų. Šios apvijos laidininkai yra dedami į specialius griovelius cilindrinėje feromagnetinėje šerdyje. Apvijų galai yra sujungti su izoliuotais žiedais, kurie sudaro kolektorių. Apvija, komutatorius ir šerdis yra armatūra, besisukanti guoliuose ant paties variklio korpuso. Sužadinimo magnetinį lauką sukuria nuolatinių magnetų poliai, esantys korpuse. Apvija yra prijungta prie elektros tinklo ir gali būti įjungiama nepriklausomai nuo armatūros grandinės arba nuosekliai. Pirmuoju atveju elektros variklis turės nepriklausomą sužadinimą, antruoju - nuoseklų. Taip pat yra mišri sužadinimo konstrukcija, kai vienu metu naudojamos dviejų tipų apvijų jungtys.
Sinchroninis įrenginys
Sinchroninio variklio veikimo principas yra sukurti besisukantį magnetinį lauką. Tada į šį lauką reikia įdėti laidininkus, kurie yra supaprastinti su pastovia srove kryptimi. Pramonėje labai išplitusio sinchroninio variklio veikimo principas grindžiamas aukščiau pateiktu pavyzdžiu su kilpa su srove. Magneto sukuriamas sukamasis laukas formuojamas naudojant apvijų sistemą, kuri yra prijungta prie elektros tinklo. Paprastai naudojamos trifazės apvijos, tačiau vienfazio kintamosios srovės variklio veikimo principas nesiskirs nuo trifazio, nebent galbūt pačių fazių skaičiumi, o tai nėra reikšminga atsižvelgiant į konstrukcijos ypatybes. Apvijos dedamos į statoriaus angas su tam tikru poslinkiu aplink perimetrą. Tai daroma siekiant sukurti besisukantį magnetinį lauką susidariusiame oro tarpelyje.
Sinchronizmas
Labai svarbus momentas yra sinchroninis elektros variklio veikimasaukščiau nurodyta konstrukcija. Kai magnetinis laukas sąveikauja su srove rotoriaus apvijoje, susidaro pats variklio sukimosi procesas, kuris bus sinchroniškas statoriaus suformuoto magnetinio lauko sukimosi atžvilgiu. Sinchronizmas bus palaikomas tol, kol bus pasiektas maksimalus sukimo momentas, kurį sukelia pasipriešinimas. Jei apkrova padidės, įrenginys gali būti nesinchronizuotas.
Indukcinis variklis
Asinchroninio elektros variklio veikimo principas yra besisukančio magnetinio lauko ir uždarų rėmų (kontūrų) buvimas ant rotoriaus – besisukančios dalies. Magnetinis laukas formuojamas taip pat, kaip ir sinchroniniame variklyje – statoriaus grioveliuose esančių apvijų pagalba, kurios sujungtos į kintamos įtampos tinklą. Rotoriaus apvijos susideda iš keliolikos uždarų kilpų rėmų ir paprastai turi dviejų tipų vykdymą: fazinį ir trumpąjį jungimą. Kintamosios srovės variklio veikimo principas abiejose versijose tas pats, keičiasi tik konstrukcija. Voverės narvelio rotoriaus (dar žinomo kaip voverės narvelis) atveju apvija į angas pilama išlydytu aliuminiu. Gaminant fazės apviją, kiekvienos fazės galai ištraukiami naudojant slankiojančius kontaktinius žiedus, nes tai leis į grandinę įtraukti papildomus rezistorius, kurie būtini variklio apsukų reguliavimui.
Traukos mašina
Traukos variklio veikimo principas panašus į nuolatinės srovės variklio. Iš maitinimo tinklo srovė tiekiama į pakopinį transformatorių. Toliautrifazė kintamoji srovė perduodama į specialias traukos pastotes. Yra lygintuvas. Jis konvertuoja kintamąją srovę į DC. Pagal schemą jis atliekamas vienu iš jo poliarų prie kontaktinių laidų, antrasis - tiesiai į bėgius. Reikia atsiminti, kad daugelis traukos mechanizmų veikia kitokiu dažniu nei nustatytas pramoninis (50 Hz). Todėl elektros varikliui naudojamas dažnio keitiklis, kurio veikimo principas – konvertuoti dažnius ir valdyti šią charakteristiką.
Pakeltame pantografe įtampa tiekiama į kameras, kuriose yra paleidimo reostatai ir kontaktoriai. Valdiklių pagalba reostatai prijungiami prie traukos variklių, kurie yra ant vežimėlių ašių. Iš jų srovė padangomis teka į bėgius, o vėliau grįžta į traukos pastotę ir taip užbaigiama elektros grandinė.
