V-ая районная научно-практическая конференция «Будущие лидеры Отечества»

V-ая районная научно-практическая конференция «Будущие лидеры Отечества»Секция ФИЗИКАЭЛЕКТРОКАРАВасильев Александр МОУ «Верхнеачакская СОШ», дер. Верхние Ачаки, 11 классНаучный руководитель: Прохоров Владимир Иванович, учитель физики и информатики МОУ «Верхнеачакская СОШ» Ядринского района ЧРг.Ядрин – 2007 Оглавление 1. Введение …………………..………….............................................. 3 2. Цель, задачи и методы исследования ...................................... 4 3. Электродвигатели (моторы) постоянного тока ......................... 5 4. Характеристики электрокары ................................................. 11 5. Электрическая схема машины ................................................ 12 6. Заключение .............................................................................. 13 7. Использованная литература .................................................... 13 Введение.Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую, и наоборот. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называются генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями. Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею энергии называется обратимостью машины. Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями. В зависимости от рода тока электроустановки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и переменного тока. В своей работе я хочу рассказать о принципе работы машин постоянного тока и собрав установку (электрокару), содержащую сразу три подобных двигателя, показать на деле их работу. Электрокара – это машина, собранная из конструктора включающая в себя: пульт управления, кран, звонок, фары и т.д. И всё это питается от двух батареек напряжением по 4,5 В и трёх батареек по 9 В. Данная установка может впоследствии использоваться на уроках физики в качестве эксперимента при изучении темы «Действие магнитного поля на рамку с током».^ Цель проекта:Изучить принцип работы двигателя постоянного тока и на основе этих знаний создать собственный двигатель, который используется при сборке «Электрокары»^ Задачи проекта:- разобраться с устройством и принципом действия электродвигателя постоянного тока- достать все необходимые запчасти необходимые для создания машины- придумать такую электрическую схему, которая позволит собрать цепь из минимального количества проводов, подведенных от машины к пульту управления- рассчитать ременную передачу для необходимой тяговой способности мотора^ Методы исследования:- изучение литературы, статей.- поиски во всемирной паутине.- наблюдение, сравнение, анализ, выводы- экспериментальные исследования с различными начальными параметрами- сборка натуральных электрических цепей^ Период работы:Сентябрь 2005 – Январь 2006.Электродвигатели (моторы) постоянного тока.Вращая генератор постоянного тока какой-нибудь внешней силой, мы затрачиваем определенную механическую мощ­ность Рмех, а в сети получаем соответствующую электри­ческую мощность Рэл. Проделаем теперь с нашим генера­тором обратный опыт. Приключим к зажимам машины какой-нибудь внешний источник тока, на­пример аккумуляторную батарею, и пропустим ток от этого источника через индуктор и якорь машины, соединенные последовательно или параллельно. Мы увидим, что тотчас же якорь машины придет во вращение. Соединив вал якоря со станком, мы можем привести в дви­жение и станок. Наша машина будет теперь работать как электрический двигатель, или мотор. Теперь превращение энергии происходит в обратном направ­лении: мы затрачиваем определенную электрическую мощ­ность Рэл, которую мы заимствуем от внешнего источника тока, и превращаем ее в соответствующую механическую мощность Рмех. Происхождение сил, создающих действующий на якорь электродвигателя вращающий момент, понять нетрудно. Когда мы пропускаем ток через витки якоря, находящиеся в магнитном поле индуктора, то на них действуют силы, пер­пендикулярные к направлению тока и направлению напря­женности магнитного поля; направление этих сил может быть определено по правилу левой руки. На рисунке 1, например, показаны силы, действующие на отдельные проводники обмотки (секции) якоря в момент, когда плоскость этой обмотки расположена под некоторым углом к направлению магнитного поля. Легко видеть, что силы, действующие на «соединительные» проводники ВС, AG и DE, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, всегда направлены параллельно этой оси. По­этому они не создают момента вращения якоря, а стремятся лишь деформировать, сжать или растянуть его обмотку. Силы же, действующие на проводники АВ и CD, параллель­ные оси вращения, перпендикулярны к этой оси и создают вращательный момент, который и приводит во вращение вал якоря и связанные с ним валы станков, оси трамваев и т. п. Действующий на якорь механический вращающий момент имеет наибольшее значение тогда, когда соответствую­щий виток лежит в плоскости, параллельной направлению магнитного поля. По мере вращения витка этот момент вра­щения уменьшается и обращается в нуль, когда виток становится перпендику­лярно к направлению' поля. Рис.1. Возникновение момента вращения, действующего на виток с током, находящийся в магнитном поле. Направление тока указывается стрелками I; направление поля — стрелками H; направление сил, дей­ствующих на «активные» проводники АВ, и CD,— стрелками F1, а направ­ление сил, действующих на соедини­тельные проводники AG, ED и ВС,— стрелками F2. В этом положении силы, действующие на проводники АВ и CD u лежат в одной плоскости (плоскости витка), так что они не создают мо­мента вращения, а стре­мятся только деформи­ровать рамку. При даль­нейшем повороте витки знак вращающего момен­та меняется, т. е. он начинает действовать в противоположную сто­рону. Поэтому, если бы не было коллектора, го направление вращающее го момента менялось бы после каждого полуобо­рота якоря, и длительное вращение было бы невозможно. Но, как мы видели, коллектор коммутирует (изменяет) направление тока в обмотках как раз в те моменты, когда виток стоит перпендикулярно к линиям поля. Благодаря этому вращающий момент сохраняет свое направление, и якорь вращается постоянно в одну сторону. Таким образом, когда машина работает как генератор постоянного тока, то роль коллектора заключается в выпрям­лении переменного тока, индуцируемого в ее обмотках, а когда машина работает как двигатель, то коллектор таким же образом «выпрямляет» вращающий момент, т.е. заставляет машину, длительно вращаться в одну сторону. Направление вращения коллекторного двигателя зави­сит от соотношения между направлением магнитного поля индуктора и направлением тока в якоре. Различные возмож­ные здесь случаи изображены на рисунке 2. Мы видим из это­го рисунка, что для того, чтобы изменить направление вра­щения двигателя, нужно изменить направление тока либо в якоре машины либо в ее индукторе. Если же мы одновременно изменим направление обоих токов, например, присоединим тот зажим машины, который раньше был соединен с положительным зажимом сети, к отрицательному и наоборот, то машина будет продолжать вращаться в прежнюю сторону. Из этого ясно, что снабжённый коллекто­ром электродвигатель постоянного тока может работать и от сети переменного тока, потому что при каждом изменении направления тока будет одновременно менять­ся и направление тока и в индукторе и в якоре. Однако та­кие коллекторные двигатели переменного тока применяют­ся сравнительно редко, преимущественно в виде двигателей малой мощности. В технике чаще всего применяются трехфазные моторы с вра­щающимся полем. Силы, действующие в магнитном поле на проводники якоря, по которым идет ток, существуют и тогда, когда этот ток возникает в результате индукции, т. е. машина ра­ботает как генератор, и тогда, когда этот ток посылается внешним источником, т. е. машина работает как двигатель. Когда машина работает как генератор, эти силы по об­щему закону Ленца направлены так, чтобы создаваемый ими вращательный момент тормозил процесс, вызывающий по­явление индуцированной э. д. с, т. е. был противоположен тому моменту, который приводит машину во вращение. Таким образом, в этом случае приводящие машину во вращение внешние силы должны преодолеть, уравновесить те силы, которые действуют на якорь в магнитном поле. Понятно, что эти силы тем больше, чем больше ток в якоре, т. е. чем больше электрическая мощность, потребляемая в сети, кото­рую питает данный генератор. Поэтому по мере возрастания электрической нагрузки генератора Рэл возрастает и меха­ническая мощность Рмех, которую нужно затратить, чтобы поддержать его вращение с прежней скоростью. В этом лег­ко убедиться, если попробовать вращать генератор от руки. При работе машины вхолостую (без нагрузки) или при очень малой нагрузке машина идет легко: нам приходится делать лишь очень небольшое усилие, чтобы вращать ее. Но если мы подключим к машине лампочку накаливания мощностью, скажем, в 100 Вт и попробуем вращать машину так, чтобы эта лампа горела нормальным накалом, то убедимся, что это очень трудно. Приходится затрачивать большое усилие, чтобы преодолевать силы, действующие в магнитном поле индуктора на активные проводники якоря, через которые теперь проходит ток около 1 а. Таким образом, по мере воз­растания нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электри­ческой мощности Рэл, возрастает и поглощаемая им механи­ческая мощность Рмех, необходимая для поддержания прежнего числа оборотов ротора и прежнего значения напряжения в сети. Точно так же, когда машина работает в качестве двига­теля, то при возрастании ее механической нагрузки, т. е. при увеличении отдаваемой ею механической мощности Рмех, должна соответственно возрастать и поглощаемая ею из сети электрическая мощность Рэл, т. е. должен увеличиваться ток через якорь. В правильности этого легко убедиться, вклю­чив в цепь якоря амперметр. Когда двигатель работает вхолостую или совершает очень небольшую работу, ток в цепи якоря очень мал. Увеличим теперь нагрузку якоря, например тормозя его вал или присоединив к двигателю какой-нибудь станок. Мы заметим, что при этом ток через якорь, измеряемый амперметром, автоматически усилится до необходимого значения, при котором отбираемая от сети электрическая мощность равна затрачиваемой двигателем полезной механической мощности плюс неизбежные потери на нагревание проводников током (джоулево тепло), на пе-ремагничивание железа в якоре и на трение в движущихся частях машин и соединенных с ней станков. Это автоматическое согласование электрической мощности с меха­нической неизбежно следует из закона сохранения и превращения энер­гии. Но как оно происходит? Благодаря какому процессу увеличивается идущий через якорь электрический ток при увеличении механиче­ской нагрузки двигателя? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь в виду, что независимо от того, работает ли наша машина как генератор или как двигатель, в витках ее якоря, вращающихся в маг­нитном поле индуктора, возникает индуцированная э. д. с. (Еинд), направленная согласно правилу Ленца противоположно напряжению внешней сети, к которой машина присоединена (Uвнеш). Таким образом, в цепи якоря фактически действует напряжение, равное разности Uвнеш - Еинд и, по закону Ома, ток в якоре равен где Rяк — омическое сопротивление якоря. Если Uвнеш > Еинд, то энергия отбирается от сети, т. е. машина работает как двигатель, если же Uвнеш Характеристики электрокары- управление производится с помощью пульта управления - движение происходит в обоих направлениях (вперёд, назад) - имеется руль, который так же управляется пультом - фары позволяют двигаться и в ночное время суток - электрический звонок играет роль сигнала - встроенный кран позволяет поднимать небольшие тяжести - заряда батарей хватает на 1 час непрерывного движения1. Масса машины без груза – 0, 8 кг. 2. Максимальная скорость – 0,05 м/с. 3. Мощность мотора – 0,1 Вт. 4. Напряжение, подаваемое на электродвигатель – 9 В. 5. Напряжение на лампочках (фары) и звонке (сигнал) – 4,5 В. 6. Время одного полного оборота колеса – 2,5 с. 7. Время поворота на угол 900– 55 с.Электрическая схема установкиЗаключениеПо моему мнению, подобные работы повышают интерес учащихся к физике и технике. Одно дело смотреть на какой-то работающий механизм, другое - самому создавать такие агрегаты, притом это очень увлекательно. Ведь фантазия человека безгранична, и её нужно использовать. К тому же оснащение кабинета физики позволяет создавать более сложные и полезные установки, чем я и займусь в дальнейшем.Использованная литература1. Китаев Е. В. Электротехника с основами промышленной электроники. - М.: Высшая школа, 1995.2. Токарев Б.Ф. Электрические машины – М.:Энергоатаниздат, 1998.3. Гусев Н.Н., Мельцер Б.Н. Устройство и монтаж электрооборудования.-Мн.: Высшая школа,1992.4. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию:- М.: высшая школа, 1991.5. «Детали машин и основы конструирования» Скойбеда А.Т., Кузьмин А.В., Макейчик Н.Н. – Мн.: Высшая школа, 2000.6. «Конструирование узлов и деталей машин» Дунаев П.Ф., Леликов О.П. – М: Высшая школа, 1985.7. «Детали машин» Иванов М.Н., Иванов В.Н. – М.: Высшая школа, 1975.