Резонансный мотор-генератор

Принципиальная конструкция резонансного мотор-генератора открытого типа изображена на рис. 125. Ротор такого преобразователя представляет собой металлический вал 4 на котором крепится металлический диск 2. На каждом металлическом диске, по внешнему радиусу установлены плоские постоянные магниты 1. Форма и толщина плоского магнита может быть разной. Число магнитов должно быть четным и определяется механической мощностью, которую
необходимо преобразовать в электрическую энергию или в механическую работу.

Металлический диск с постоянными магнитами вращается по часовой или против часовой стрелки и в результате этого в индуктивностях L наводится электродвижущая сила. Число индукционных катушек может быть меньшим или равным числу постоянных магнитов. Сердечники индукционных катушек 5 имеют зазор, почти равный толщине постоянных магнитов. Постоянные магниты, расположены по окружности, которая по длине должна быть равной удвоенной длине всех используемых магнитов.

На рис. 125 показан только один металлический диск с постоянными магнитами. Количество таких дисков определяется той механической мощностью, которую необходимо преобразовать в электрическую энергию. Один металлический диск с постоянными магнитами, пересекающий зазор в катушках индуктивности, представляет собой отдельный модуль. На рис.125 показан только один модуль, размещенный на металлическом вале ротора. Таких модулей может быть несколько. Между собой они соединены параллельно или последовательно электрической цепью. Мощность преобразования энергии возрастает как в первом, так и во втором случаях. При параллельном включении выходное напряжение остается неизменным (как для одного модуля), а мощность возрастает прямо пропорционально числу установленных модулей.

При последовательном соединении модулей, выходное напряжение, мощность и активное сопротивление возрастают прямо пропорционально числу установленных модулей, так как мощность пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна активному сопротивлению. Выходная мощность не зависит от типа электрической связи между модулями. Она возрастает прямо пропорционально числу подключенных модулей. Мощность, выходное напряжение и выходной электрический ток во внешней цепи в такой модульной конструкции зависят от количества используемых модулей, количества постоянных магнитов в роторе генератора, размеров используемого магнитного материала сердечника индуктивности, количества витков катушки индуктивности, скорости вращения ротора магнитного генератора и, наконец, от формы используемых постоянных магнитов.

Катушки индуктивности и вращающийся металлический диск представляют собой замкнутую резонансную энергетическую систему. Мощность, вырабатываемая генератором, снимается с резонансного контура с помощью понижающего трансформатора 7.

Таким образом, выходная электрическая мощность магнитодинамического генератора зависит от многих параметров, а именно

(10.78)

Здесь - круговая частота вращения ротора генератора;

- индуктивность отдельной катушки в модуле;

- число витков отдельной катушки модуля;

- число индуктивных катушек в модуле;

- относительная магнитная проницаемость сердечника;

- магнитная индукция вращающихся магнитов;

- размер сердечника.

Получается весьма неопределенная задача. Управлять такой многопараметрической системой и добиваться оптимальных условий ее эксплуатации достаточно сложно, поэтому некоторые параметры устанавливаются заранее.

Оптимизировать работу магнитодинамического генератора следует путем выбора величины результирующей индуктивности, которая зависит от магнитных свойств сердечника, количества витков в намотке катушек индуктивности, количества магнитных катушек индуктивности и размеров сердечника каждой катушки индуктивности. По этим данным определяются массогабаритные и эксплуатационные характеристики резонансного магнитодинамического мотор-генератора.

Применение резонансного режима работы существенно снижает постоянные и переменные потери в магнитодинамическом мотор-генераторе.

В резонансных условиях параллельный RLC -контур для приложенного переменного тока с частотой равной частоте собственных колебаний контура представляет собой бесконечное сопротивление. Это означает, что в резонансных условиях параллельный RLC -контур представляет собой замкнутую энергетическую систему. Применительно к такой системе в соответствии с законом сохранения энергии можно применить первое начало термодинамики, а именно: , (10.79)

Получается, что в резонансных условиях энергия, запасенная в колебательном контуре, расходуется на все виды работ путем использования внутренней энергии. Если нет притока энергии извне, то переменные потери на активном сопротивлении компенсируются запасенной электрической энергией в контуре, а постоянные потери в сердечнике вследствие гистерезиса (зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля) компенсируются за счет тепловой энергии запасенной в магнитном сердечнике. Таким образом, в резонансных условиях колебательный контур является замкнутой системой по отношению к приложенному внешнему переменному напряжению и открытой системой по отношению к теплообмену с окружающей средой.

Такая резонансная система потери на активном сопротивлении и при наличии существенного отсоса энергии из системы на внешние источники потребления может восполнять свои потери путем взаимодействия с внешним источником переменного напряжения. Но тогда данная система работает не в стационарных резонансных условиях и является искусственно открытой энергосистемой.

10.6. Переменный ток, эффективные напряжение и ток

Работа, совершаемая ЭДС за время t, равна

, а мощность . (10.80)

В случае синусоидальных токов

.

Подставляя эти значения в мощность переменного тока, получаем:

. (10.81)

Раскроем произведение косинусов и запишем (10.81) окончательно в виде: . (10.82)

Усредняя по времени выражение (10.82), получим среднюю мощность переменного тока: . (10.83)

Э₀ и I₀ – это амплитудные значения ЭДС и тока. Эффективные значения этих величин получаются путем усреднения по периоду колебания напряжения и тока: . (10.84)

Для синусоидальных токов

. (10.85)

Тогда . (10.86)

Это фундаментальная формула для мощности переменного тока.

Вопросы для повторения

1. Запишите уравнения, которым подчиняются распространяющиеся электромагнитные колебания в цепях с активными и пассивными электрическими сопротивлениями.

2. Почему электрический ток всегда опережает напряжение?

3. Какому закону подчиняются электромагнитные колебания в LC -контуре?

4. Почему свободные электромагнитные колебания в LC -контуре являются гармоническими? Найдите их период.

5. Получите выражение энергии гармонических колебаний в LC -контуре. Проанализируйте его.

6. Каким дифференциальным уравнением описываются электромагнитные колебания в RLC -контуре?

7. От каких величин зависят коэффициент затухания и добротность RLC -контура?

8. Запишите уравнение вынужденных колебаний в RLC -контуре.

9. Опишите явление резонанса в RLC -контуре. Чему равна частота резонансных электромагнитных колебаний в RLC -контуре?

10. В каких электрических цепях возникает резонанс напряжения?

11. В каких электрических цепях возникает резонанс тока?

12. Чем отличается резонансный трансформатор Н. Тесла от обычного трансформатора?

13. Как работает однопроводная электрическая линия передачи электромагнитной энергии?

14. Как устроен резонансный мотор-генератор?

15. Почему в резонансных условиях RLC -контур является открытой энергосистемой?

Поиск по сайту: