Т. Генератор пер. тока
Генератор переменного тока
Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называют генераторами. В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Они позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
Простейшей моделью такого генератора может служить рамка abcd (рис. 1), вращающаяся в однородном магнитном поле вокруг своей оси ОО', перпендикулярной индукции магнитного поля.
Пусть в начальный момент времени t = 0 плоскость рамки перпендикулярна вектору магнитной индукции (рис. 1, а), ее пронизывает максимальный магнитный поток \(~\Phi_m \left( \alpha = 0\right).\) При равномерном вращении рамки пронизывающий ее магнитный поток уменьшается. Вследствие этого, согласно закону электромагнитной индукции, в рамке возникает ЭДС индукции \(~\varepsilon_i.\) Когда плоскость рамки станет параллельна вектору индукции магнитного поля (рис. 1, б), пронизывающий ее магнитный поток станет равным нулю \(~\left( \Phi = 0, \alpha = \frac {\pi}2\right).\) Скорость же изменения магнитного потока при прохождении рамки через это положение наибольшая, так как проводники рамки аЬ и cd движутся в этот момент перпендикулярно линиям индукции. Возникающая ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, будет максимальная, и создаваемый ею в этом случае индукционный ток направлен (согласно правилу правой руки) от Ь к a и от d к с. При дальнейшем повороте рамки магнитный поток увеличивается, ЭДС, не изменяя своего знака, будет уменьшаться по величине и в положении (рис. 1, в) \(~\Phi = \Phi_0, \frac {\Delta \Phi}{\Delta t} = 0,\) так как при прохождении через это положение проводники витка аЬ и cd скользят вдоль линии поля, не пересекая их. Следовательно, ЭДС индукции, возникающая в контуре в этом случае, \(~\varepsilon_i = 0.\) При дальнейшем вращении рамки магнитный поток уменьшается. Скорость изменения магнитного потока увеличивается и ЭДС индукции возрастает. Согласно рисунку 1, г \(~\Phi = 0, \left | \frac {\Delta \Phi}{\Delta t} \right | = \left( \frac {\Delta \Phi}{\Delta t}\right)_0 \) и \(~\left | \varepsilon_i \right | = \left | \varepsilon_{i0} \right |,\) но направление индукционного тока в витках (согласно правилу правой руки) совпадает с направлением от a к и от с к d (противоположно таковому на рис. 1, б). Это направление будет сохраняться и при дальнейшем движении рамки и начнет убывать, так как магнитный поток хотя и увеличивается, но скорость изменения его уменьшается.
При последующих оборотах рамки все эти явления будут повторяться вновь. Таким образом, ЭДС индукции во вращающейся рамке за один оборот изменяется от \(~ - \varepsilon_{i0}\) до \(~ + \varepsilon_{i0}.\)
Выясним, по какому закону будет изменяться ЭДС индукции в рамке площадью S, если рамка вращается с постоянной угловой скоростью ω (ω = const) в однородном магнитном поле с индукцией \(~\vec B \) вокруг оси, расположенной в плоскости рамки и перпендикулярной вектору \(~\vec B. \)
За время t рамка повернется на угол \(~\varphi = wt,\) и угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции будет \(~\alpha = wt.\) Магнитный поток, пронизывающий рамку, в момент времени t равен \(~\Phi = BS \cos wt.\)
Согласно закону Фарадея, мгновенное значение ЭДС индукции, возникающей в рамке, равно первой производной магнитного потока по времени \(~\varepsilon_i = - \Phi'.\) Поэтому
где \(~\varepsilon_0 = wBS \) — амплитудное значение ЭДС, которое, как видно, тем больше, чем быстрее вращается рамка, чем больше площадь рамки, тем больше магнитная индукция поля.
Таким образом, при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает синусоидальная ЭДС с частотой колебаний, равной частоте вращения рамки, которая будет создавать синусоидальный ток в цепи той же частоты, но фаза колебания тока не обязательно должна совпадать с фазой изменения ЭДС. Поэтому в общем случае мгновенное значение силы тока \(~I = I_0 \sin \left( wt + \varphi,\right)\) где \(~\varphi \) — разность фаз между колебаниями силы тока и ЭДС (рис. 2).
Чтобы использовать переменный ток, рамки соединяют с двумя изолированными кольцами, к кольцам прижимают щетки, к которым присоединяют контакты внешней цепи (рис. 3).
Мы рассмотрели принцип работы генератора переменного тока. Устройство генератора переменного тока гораздо сложнее. В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Однако в каждом из них есть одни и те же основные части: 1) электромагнит (или постоянный магнит), создающий магнитное поле. Он называется индуктором;
2) обмотка, в которой индуцируется ЭДС. Эта часть носит название якорь;
3) состоящий из металлических колец коллектор;
4) щетки, соединяющие неподвижные проводники с вращающимися проводниками.
Неподвижная часть генератора называется статором. В описанном случае статором является индуктор. Подвижная часть генератора — ротор. В рассмотренном случае ротором является якорь. Для получения ЭДС индукции важно относительное перемещение проводника и магнитного поля. Поэтому на практике индуктор делают вращающимся, а якорь — неподвижным. Это вызвано тем, что с помощью подвижных контактов практически невозможно отводить от генератора токи высокого напряжения (большой амплитуды) из-за сильного искрения в подвижных контактах. Индуктором же является электромагнит, для питания которого нужен сравнительно слабый постоянный ток, и при таком слабом токе скользящие контакты хорошо работают.
Для того чтобы увеличить амплитуду ЭДС, необходимо увеличить магнитный поток через витки якоря. А это можно сделать, сконцентрировав магнитный поток в том месте, где находится якорь. Поэтому магнитную систему генератора изготавливают в виде замкнутой цепи, состоящей из двух сердечников, сделанных из железа. Обмотки индуктора размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки якоря — в пазах другого. Один из сердечников, обычно внутренний, вращается вместе с индуктором. Другой сердечник с якорем в пазах неподвижен (статор). Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно уже. Этим достигается наибольшее значение потока магнитной индукции.
Сердечники изготавливают из тонких изолированных друг от друга железных пластин, чтобы уменьшить токи Фуко (см. Закон электромагнитной индукции), при протекании которых происходит нагревание сердечников.
Для увеличения амплитудного значения ЭДС индукции якорь изготавливают из большого числа витков. Амплитуда возникающей ЭДС индукции будет равна в этом случае \(~\varepsilon_0 = N \Phi_0 w,\) где N — число витков.
Когда у ротора имеется одна пара магнитных полюсов, то частота вращения совпадает с частотой переменного тока. В нашей стране и странах СНГ используется промышленный переменный ток частотой 50 Гц. В случае N пар полюсов частота переменного тока в N раз больше частоты вращения ротора. Одну пару полюсов делают у турбогенераторов, роторы которых приводятся во вращение паровой турбиной, а тихоходные многополюсные генераторы устанавливаются на гидростанциях. Так, на Братской ГЭС — 24, на Волжской ГЭС — 44, на Угличской на Волге — 48 пар полюсов.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 396-399.
