Устройство основанное на принципе синфазности и синхронности

Две последовательности событий считают синхронными, если в первой и второй последовательности соответствующие события совершаются одновременно или с постоянным для всех пар событий временным сдвигом. Синхронными считают также физические процессы, выборки которых можно рассматривать как синхронные последовательности событий. В сигналах, являющихся временнымн функциями синхронных физических процессов и называемых в дальнейшем синхронными сигналами, соответствующие отсчеты совпадают по времени или имеют постоянное временное смещение. В телевизионных сигналах такими отсчетами являются начало строк, полей и модулированных пакетов цветовых поднесущих. Если соответствующие отсчеты совмещены во времени, синхронные сигналы называют синфазными. Условием синхронности и синфазности телевизионных сигналов является равенство частот и совпадение начальных фаз строк, полей и цветоразностных составляющих.

Процесс установления и поддержания синхронного состояния называют синхронизацией. Совокупность применяемых для этой цели технических средств образует систему синхронизации. В системе синхронизации принято раздельно рассматривать устройства, относящиеся к передающей и к приемной аппаратуре. Устройства синхронизации, входящие в состав передающей аппаратуры, обеспечивают синхронность телевизионных сигналов в месте сбора видеоинформации и формирования телевизионной программы, а также вырабатывают синхронизирующие посылки, управляющие приемной аппаратурой. Функцией устройств синхронизации приемной аппаратуры является селекция из телевизионного сигнала

синхронизирующих посылок, определяющих необходимый порядок воспроизведения элементов на экране приемника.

Все телевизионные сигналы местных источников программ телевизионного центра и телевизионные сигналы, поступающие извне от передвижных станций, репортажных установок и с других телецентров, при объединении в единую программу должны быть синхронны и синфазны. Только при этом условии переключение сигналов в течение передачи не нарушает последовательность синхронизирующих импульсов и не вызывает в развертках переходных процессов, разрушающих изображение на экранах приемников. Синхронность и синфазность сигналов необходима также для плавной смены сюжетов с использованием спецэффектов, рирпроекции, титров, т. е. изобразительных средств вещательного телевидения.

В прикладных системах телевизионные сигналы должны быть согласованы с временной шкалой, используемой при отсчете координат деталей изображения, выделении контуров исследуемых фрагментов, измерении границ и площадей исследуемых объектов, формировании числового массива для ввода изображения в ЭВМ и т. п.

В телевизионных системах применяют два принципиально различных способа воздействия на частоту и фазу телевизионных сигналов. Первый заключается в использовании для управления источниками сигналов изображения синхронизирующих импульсов, задающих в месте их получения частоту и фазу событий. Второй базируется на временном преобразовании телевизионных сигналов, поступающих от автономно работающих источников, в цифровых запоминающих устройствах (ЗУ). При первом способе частоты преобразований во всех звеньях ТВ аппаратуры совпадают, фазы устанавливаются с учетом компенсации времени распространения сигналов с целью совмещения их в месте формирования единой программы. При втором способе источники сигнала работают независимо, иногда с разными параметрами разложения, а синхронность достигается в результате записи сигналов в память в ритме источника сообщений и считывания синхронно с сигналом опорного генератора, установленного в месте сбора и обработки видеоинформации. Такой способ широко используют при работе с репортажными телевизионными установками, передвижными телевизионными станциями и при международном обмене программами.

Борис Семёнович Якоби (Мориц Герман Якоби, 1801-1874) – известный немецкий и российский физик иэлектротехник, благодаря которому был создан электрический двигатель, телеграфный аппарат, а также изобретена гальванопластика. Ученый впервые применил возможности электродвигателя на практике, приведя в движение лодку с пассажирами. Семён Борисович внес огромный вклад в развитие электротехники, сконструировав несколько вариантов гальванометра, регулятор сопротивления, вольтметр и другие приборы.

Якоби Борис Семёнович (Санкт-Петербург, 1856 год)

Молодые годы

Мориц Герман Якоби появился на свет 21 сентября 1801 года в Потсдаме в состоятельной еврейской семье — отец будущего изобретателя Симон Якоби работал личным банкиром прусского императора Фридриха Вильгельма III. Благодаря высокому достатку мальчик получил хорошее образование и смог поступить в Берлинский университет. Однако проучился он там недолго и вскоре перевелся в Геттингенский университет, в котором получил профессию архитектора.

Первое время Якоби работает архитектором в строительном департаменте, но его настоящей страстью оставалась физика. В 1834 году он переезжает в Кенигсберг, где в местном университете преподавал родной брат, известный математик Карл Якоби. Здесь он с увлечением предался изучению явлений электромагнетизма и приступил к работе над созданием электродвигателя. Результаты своих экспериментов ученый активно публиковал, чем привлек внимание российских научных светил Павла Львовича Шиллинга, Василия Яковлевича Струве и других. В 1835 году Борис Семёнович получил приглашение занять профессорскую должность в университете Дерпта и с радостью принял его. В его родной раздробленной Германии не было условий для реализации научных мечтаний о вечном двигателе и других изобретениях.

Опыты с электричеством

Царское правительство Николая I, которого по праву называли царем-инженером возлагало большие надежды на использование электричества для военного дела. В 1837 году Бориса Семеновича вызвали в столицу для организации серии опытов по оснащению морских судов электродвигателемя. Это стало поводом к окончательному переезду в Россию и получению русского подданства. В 1838 году один из экспериментальных кораблей – небольшой ботик, оснащенный электрическим двигателем, успешно проплыл по Неве, а мины Якоби с электрическими запалами применялись во время Крымской войны. Среди них были самовоспламеняющиеся (гальваноударные) мины, а также оружие с запалом от индукционного устройства. Якоби принадлежит идея создания специальных гальванических подразделений в саперных частях.

Работа над электродвигателем

Свой первый электродвигатель, оснащенный неподвижной и вращающейся частями, Борис Семенович создал в 1834 году. Тогда ему удалось описать принцип беспрерывного вращательного движения. Мотор был выполнен из коммутатора и двух дисков, на которых располагались 16 железных стержней. За один оборот дисков коммутатор изменял полярность до восьми раз. Благодаря силе инерции вал основного двигателя совершал вращения. Питание магнитов установки обеспечивала гальваническая батарея. В течение секунды двигатель поднимал груз до 6 кг на высоту около 30 см, что соответствовало 15 Вт.

Читайте также:  Какое полотно для ножовки по металлу лучше

Оригинального двигателя Якоби уже не существует, но его копия хранится в Московском Политехническом музее

В видео можно увидеть, как работает двигатель Якоби.

Однако в практическом плане устройство было не применимо по причине невысокой мощности и Якоби стал целенаправленно разрабатывать двигатель для использования на транспорте и в производстве. В результате ему удалось создать конструкцию, в устройстве которой сочетались сразу 40 моторов, что позволило существенно увеличить производительность двигателя.

Испытания магнитоэлектрического двигателя прошли осенью 1838 года в Санкт-Петербурге. Мотор был установлен на пассажирской лодке с 12 людьми на борту. Транспортное средство двигалось в противоположных направлениях – как по течению реки, так и против. Его скорость была невелика – всего 2 км/ч. И хотя за семь часов испытаний лодка сумела преодолеть всего около 7 км, но по меркам того времени результат можно назвать выдающимся.

Практически сразу изобретатель приступил к созданию более совершенного устройства и через год прошли новые испытания. На этот раз лодка перевозила 14 человек, но на ней был установлен более мощный двигатель, способный обеспечить движение со скоростью 4 км/ч. Известие об успешном эксперименте моментально облетело весь свет – такого мощного, а главное надежного электродвигателя мир еще не знал. Однако в крупнотоннажном флоте найти ему применение так и не удалось по причине отсутствия полноценного источника питания.

Якоби делал попытки установить свое детище на тележку и таким образом хотел создать электровоз, но довести до конца свою идею не смог. Несмотря на это ученый внес значительный вклад в мировую электротехнику, реализовав три главные идеи получившие свое развитие в будущем:

  • коммутатор с трущимися частями;
  • вращательное движение якоря в электромоторе;
  • магниты в статичной и динамичной частях электродвигателя.

Создание телеграфа

В 30-е годы XIX века ученый мир активно занимался созданием электромагнитного телеграфа. Одним из первых преуспел в этом деле П. Шеллинг, заинтересовавшийся явлением магнитного поля вокруг проводника, по которому движется электрический ток. Впервые его описал датский физик Ганс Христиан Эрстед, но именно Шеллинг сумел перевести это открытие в прикладную плоскость. В 1833 году он сконструировал проводной телеграф, возможности которого демонстрировались в его пятикомнатной квартире на Мойке. Впоследствии ученому поручили провести телеграфную линию между Петергофом и Кронштадтом, для чего Шеллинг впервые в мире создал изолированный кабель на каучуковой основе. Но из-за скорой смерти завершить начатый проект ему не удалось и продолжателем дела ученого стал Якоби.

В 1839 году он проложил подземный телеграф, в конструкции которого были использованы созданные автором приемное и отправочное электромагнитные устройства. Сам аппарат функционировал от манипулятора. Часовой механизм и карандаш, соединенный с якорем электромагнита, перемещали фарфоровую доску и создавали особые зигзагообразные символы. Эта линия соединяла личный кабинет Николая I в Александровском дворце и главное управление путей сообщения.

Позднее телеграф Якоби свяжет Зимний дворец с Главным штабом, а в 1842 году ГУПС (Главное управление путей сообщения) и Публичные здания. В этот период изобретатель выдвинул идею стрелочного телеграфа, который связывал несколько кабинетов императора в Зимнем дворце и дом Юсуповых на Фонтанке. Особенность этой конструкции заключалась в приемной станции, вращающиеся стрелки которой обозначали букву на циферблате, которая транслировалась со стороны передающего устройства.

Электромагнитный телеграф

Новым этапом развития телеграфного дела стала разработка магистрального железнодорожного телеграфа. К работам по его созданию Бориса Семёновича подключил глава северной дирекции строительства Николаевской ж/д П. Мельников. В 1845 году Якоби начал укладку кабеля на опытном участке строящейся магистрали, но сильные морозы внесли коррективы в ход работ. Это побудило ученого предложить новый проект, который был реализован между пассажирским зданием столицы и Обводным каналом. В 1847 году он проложил еще одну линию между Александровским заводом и Московским вокзалом, но из-за возникших разногласий с главой МПС Петром Алексеевичем Клейнмихелем дальнейшие работы были свернуты.

Причиной недопонимания между ученым и чиновником стали эксперименты по разработке более надежной изоляции, в которых Якоби задействовал как традиционные материалы — глину, смолу, шелковые нитки, так и совершенно новые для тех времен, например, гуттаперчу. Однако отсутствие необходимого оборудования вынудило Бориса Семёновича остановить работы и заняться вопросом прокладки воздушных линий. Эта технология выглядела более перспективной и в Старом Свете стали постепенно отказываться от подземных коммуникаций. Клейнмихель отклонил предложение ученого по причине ненадежности подобных конструкций, что привело к разрыву сотрудничества с железнодорожным ведомством.

Тем не менее в 1850 году Якоби удалось изобрести первый на планете буквопечатающий телеграф. Идея российского ученого легла в основу последующих электромагнитных телеграфных аппаратов. В 1854 году он создал свое последнее телеграфное устройство для связи на больших кораблях между капитаном и матросами машинного отделения.

Изобретение гальванопластики

Гальванопластика считается одним из направлений прикладной электрохимии. Её суть заключается в получении металлических копий предметов электролитическим способом. Если подобным путем наносить металлические покрытия на различные поверхности, то это называется гальваностегия.

Истоки гальванотехники, ранее активно использовавшейся в полиграфии, заложил Борис Якоби, проводя серию экспериментов с гальваническими элементами ещё во время пребывания в Дерпте. В дальнейшем опыты были продолжены в Санкт-Петербурге. В 1837 году во время одного из экспериментов ему удалось изготовить гальванопластическим способом монету номиналом в 2 копейки, от которой ученый вскоре избавился из-за боязни быть обвиненным в фальшивомонетничестве.

Читайте также:  Сварка меди угольным электродом в домашних условиях

Официально открытие гальванопластики произошло позднее, когда в октябре 1838 года на заседании Петербургской Академии наук было оглашено письмо Якоби, где он подробно описал процесс своего открытия. В дальнейшем он продолжил совершенствовать свое детище, пытаясь адаптировать его под практические нужды полиграфии. В частности, Борис Семёнович занимался копированием политипажей (типовой книжный декор для многократного использования в разных изданиях), использовавшихся для репродуцирования орнаментальных узоров.

Позже Якоби открыл способ наращивания металлического слоя на диэлектрические слепки различных предметов с сохранением аутентичных гравюр и политипажей, ранее попросту уничтожавшихся. Это привело к появлению нового направления гальваностегии.

В 1840 году Якоби подает прошение в Мануфактурный совет, занимавшийся вопросами защиты изобретений, о выдаче ему привилегии на гальванопластику сроком на 10 лет. Совет утвердил его просьбу, а Министр Финансов Канкрин распорядился выдать ученому 25 тысяч рублей серебром для широкой публикации собственной технологии. Борис Семёнович выполнил указание и напечатал практическое руководство с подробным изложением метода гальванопластики.

Открытие Якоби практически сразу нашло применение в жизни. Приоритет здесь был, конечно, за полиграфией. Одним из первых продуктов гальванопластики стал комплект типографского шрифта, а также копия даггеротипа «Берега Невы».

Благодаря высочайшей оценке сделанных открытий карьера Якоби стала стремительно развиваться. В 1839 году он получает звание адъютанта Имперской академии наук. В 1842 году он утверждается сначала экстраординарным, а спустя пять лет ординарным советником. Его заслуги как ученого высоко ценили и за рубежом – Бориса Семёновича избрали корреспондентом роттердамского общества наук, а также иностранным членом Королевской Бельгийской Академии наук, Королевской Туринской академии и многих других. В 1867 году ученый удостоился большой золотой медали Парижской выставки, а император Александр II вскоре пожаловал ему потомственное дворянство.

Другие интересы

После кончины Николая I интересы правительства изменились и Якоби сокращает свои работы в сфере электротехники. В этот период ученый занимается вопросами обработки платины, а в 1864 году Семёна Борисовича привлекли к выработке методов определения содержания спирта в алкогольных напитках. Якоби уделяет большое внимание метрологии, сделав ряд интересных предположений. Вместе с Эмилием Христиановичем Ленцем он предложил баллистический способ электроизмерений. Занимаясь разработкой эталонных мер и отбором единиц измерения, ученый оказал огромное влияние на становление метрической системы в Российской империи.

Якоби изобрел несколько вариантов реостатов – прототипов пишущих машинок для набора текста. В 1840 году он представил Петербургской академии наук одну из своих моделей – агометр Якоби, на который ориентировались будущие создатели реостатов Чарльз Уитстон и Иоганн Поггендорф.

Личная жизнь

Якоби был многодетным отцом. Его супруга Анна родила ему семерых детей, пятеро из которых скончались в раннем детстве. Только двое сыновей Владимир и Николай пережили совершеннолетие, первый из них пошел по стопам отца и также стал изобретателем.

Борис Семёнович умер от сердечного приступа 27 февраля 1874 года. Ученый похоронен на протестантском Смоленском кладбище в Санкт-Петербурге.

Интересные факты

  • За открытие гальванопластики Якоби был удостоен престижнейшей Демидовской премии, за которую полагалось 5 тысяч рублей. Однако он отказался лично взять деньги, предложив их направить на дальнейшую работу по совершенствованию гальванизма и электромагнетизма.
  • В начале 40-х годов XIX века при Рисовальной школе на Васильевском острове был открыт специальный гальванопластический класс, ученики которого могли лично освоить новый метод. Курс обучения длился чуть больше месяца – занятия проводились дважды в неделю. Сам изобретатель прочитал здесь 12 лекций, кроме него здесь преподавал известный скульптор Пётр Карлович Клодт и один из российских основоположников даггеротипии Ф. Вернер. И хотя в классе обучалось всего десять человек, на выступления Бориса Семёновича собирался полный зал.
  • Рожденный в Пруссии Якоби, называл Россию «вторым Отечеством» и утверждал, что связан с ней личными чувствами гражданина.

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Устройство синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

Читайте также:  Чертеж блока для лебедки

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector