- Соединение звездой. При таком подключении 3 вывода обмотки соединяются в одну точку. Эта точка называется "нулем". Проводники, подключенные к каждому началу обмотки, являются линейными и подают ток непосредственно на нагрузку. Четвертый проводник считается нулевым. Такое соединение значительно повышает устойчивость сети к сдвигу фаз при несбалансированной нагрузке.
- Дельта. Соединение "треугольник" отличается от соединения "звезда". Оно предполагает, что все обмотки соединены последовательно. Первая обмотка подключается концом к началу второй обмотки, а конец второй обмотки – к началу третьей обмотки. Конец третьей обмотки и начало первой обмотки соединены друг с другом. От каждой точки соединения отходят линейные провода. Такая схема подразумевает баланс между фазным и линейным напряжением. Эта схема очень чувствительна к разнице в нагрузке на каждой фазе. Если разница есть, постройте векторную диаграмму и пересчитайте все параметры.
Как получить переменный электрический ток?
Практически все знают, что переменное напряжение используется повсеместно в быту, в результате чего все бытовые приборы работают от переменного тока. Однако не все знают, как генерируется переменный ток, каковы особенности его образования и как он вырабатывается на практике. Поэтому в данной статье мы рассмотрим как теоретические, так и практические аспекты этого вопроса.
С одной стороны, всем известно, что первое знакомство человечества с электричеством произошло через постоянный ток. Только в 1831 году исследования явления магнитной индукции привели к созданию переменных токов. Первые эксперименты заключались в помещении электрического проводника в магнитный поток.
Для примера рассмотрим обычный проводник, приведенный в состояние замкнутого цикла, края проводника могут быть подключены к измерительному прибору для регистрации изменения электрических величин.
Затем вам следует
- возьмите хороший магнит, если у вас под рукой есть сильный неодимовый магнит, он подойдет лучше всего;
- подключите проводник к гальванометру, поместите всю цепь на стол или другую поверхность из изолирующего материала;
- поднесите магнит как можно ближе к проводнику, желательно на расстояние 10 мм;
- сделайте резкое движение в плоскости, перпендикулярной проводнику;
- обратите внимание на прибор, игла гальванометра будет отклоняться от своего равновесного положения в любом направлении – в результате электромагнитного колебания в проводнике индуцируется электродвижущая сила, которая вызывает появление переменного тока в замкнутой цепи.
Повторите манипуляцию с магнитом несколько раз, и вы увидите, что гальванометр равномерно отклоняется из стороны в сторону по мере приближения полюса к проводнику и так же равномерно возвращается в исходное положение при удалении магнита. Отклонение стрелки указывает на изменение величины тока и потенциала, индуцированного в металле. Амплитуда колебаний тока непостоянна во времени, поэтому величина называется переменной.
Методы производства
В настоящее время существует достаточно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в этой статье мы рассмотрим те из них, которые наиболее интересны с практической точки зрения.
Рамка с магнитами
Вам понадобится рамка из любого металла, концы которой допускают вращение. На противоположных концах рамки размещаются два магнита, обращенные противоположными полюсами. Следует отметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше всего использовать изделия с большим сечением и высокой проводимостью. Когда цепь вращается, в ней индуцируется электромагнитное поле, которое вызывает протекание переменного тока.
Как видно на схеме выше, когда стороны металлического кольца находятся на одинаковом максимальном расстоянии от полюсов магнита, величина электродвижущей силы равна нулю, а магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока начинается с нуля. Затем рамка перемещается, и электромагнитное поле изменяется, пока не достигнет максимума при оптимальной близости сторон к магнитам. Когда рамка продолжает вращаться, ее стороны снова удаляются от магнитов, и переменная ЭДС снова падает до нуля.
При изменении положения изменяется и направление протекания переменного тока, что показано на диаграмме смещением кривой в отрицательную плоскость диаграммы. Очевидно, что для промышленных генераторов эта диаграмма не подходит, поэтому используется усовершенствованный принцип.
Асинхронный и синхронный генератор переменного тока
Асинхронная машина похожа на трансформатор. Она используется для генерации и передачи переменного тока в трехфазных сетях. В целом, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор; многие из них являются обратимыми.
Происхождение
Простейший и первый генератор переменного тока был разработан физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и назывался диском Фарадея. Конструкция первого генератора была очень простой. Он состоял из следующих компонентов:
- Два магнита с разной полярностью "N" и "S".
- Рамка из медной проволоки со сторонами A, B, C, D.
- Осями вращения были N и N1.
Принцип работы генератора Фарадея заключался в том, что при вращении рамки возникал ток слабого напряжения. Это происходит следующим образом:
- Проволочная рамка совершает вращение внутри постоянного магнитного поля вдоль осей N и N1.
- Когда положение рамки меняется с вертикального на горизонтальное, происходит режущий эффект магнитного поля.
- В такие моменты возникает электродвижущая сила (ЭДС).
- ЭДС имеет положительный потенциал после прохождения одного полуоборота. Ток течет из точки А в точку В.
- При возвращении в вертикальное положение электромагнитное поле меняет направление от точки C к точке D, а значит, меняется и потенциал тока.
Все генераторы переменного тока используют вращающееся магнитное поле. Во время перестановки медной рамки также существует момент полной потери напряжения. Это происходит при медленном вращении, например, без двигателя. Во время высокоскоростного вращения значение напряжения остается постоянным.
Назначение и конструкция
Современные генераторы переменного тока работают по одному и тому же принципу, но в качестве движущей силы используют различные механизмы. Основная задача генератора переменного тока – преобразование какого-либо вида энергии в электричество. Источником энергии может быть
- Сильный поток воды. Такие устройства используются на гидроэлектростанциях. Генератор приводится в действие потоком воды через узкий канал и вращением турбины. Вращающиеся лопасти турбины вращают вал генератора, тем самым преобразуя механическую энергию в электрическую.
- Сжигание газа. Характерно для тепловых электростанций.
- Использование энергии ветра. Такие генераторы устанавливаются в самых ветреных районах. Главный недостаток – полное отключение в безветренную погоду.
- Использование ядерной энергии.
- Использование дизельных или бензиновых двигателей для привода стационарных или автомобильных генераторов.
Генератор переменного тока или генератор состоит из следующих частей:
- Статор. Это стационарная часть устройства. Он изготовлен из листовой стали для обеспечения устойчивости к нагрузкам. Статор имеет длинные пазы, в которых находится проволочная обмотка. Проволочная обмотка проводит генерируемый ток.
- Ротор. Это подвижная часть. Он устанавливается непосредственно в центре статора. Для точного выравнивания он установлен на подшипниках, которые вмонтированы в переднюю и заднюю крышки корпуса. Сам ротор представляет собой электромагнит. Он также имеет пазы и обмотку. Это необходимо для возбуждения статора и генерации электромагнитного поля.
- Якорь. На нем крепится ротор с обмоткой. Он необходим для передачи крутящего момента от двигателя или турбины.
- Коллектор. Коллектор состоит из нескольких изолированных пластин, которые образуют 2 основных полукольца. Каждое из них подключено к обмотке ротора. Одна половина с полюсом "+", а другая – с отрицательным полюсом. Коллектор электрогенератора необходим для выпрямления и перенаправления переменного тока.
- Угольные щетки. В некоторых моделях они заменены контактными пластинами. Угольные щетки получают постоянный ток от аккумулятора, который используется для предварительного возбуждения обмотки ротора.
Преимущества
Преимущества генераторов переменного тока заключаются в следующем:
- Возможность вырабатывать электроэнергию с помощью различных приводов. Это позволяет преобразовывать в электричество практически любой вид энергии.
- Выработка электроэнергии даже при низкой скорости вращения вала.
- Отсутствие ограничителей, регуляторов и реле.
- Токосъемник намного надежнее.
- Значительно больший срок службы.
- Низкие производственные затраты.
- Они обеспечивают переменным напряжением как сложные разветвленные сети, так и отдельных бытовых потребителей.
Еще одним преимуществом генераторов переменного тока является то, что их легко можно использовать для выработки постоянного тока.
Недостатки таких устройств следующие:
- Зависимость от скорости.
- Подверженность обмотки нагреву в результате нагрузки.
- Сложность ремонта и замены обмотки.
- Необходимость в выпрямителе тока.
Генераторы постоянного тока
Генератор постоянного тока ничем не отличается от генератора переменного тока. Первые генераторы постоянного тока отличались только полукольцами для проведения электрического тока. Принцип их работы заключался в том, что щетка снимала напряжение только с определенного полюса. Например, одна щетка брала только "+", а другая – только "минус". Таким образом, в цепь передавался постоянный ток. Главный недостаток этих устройств заключается в том, что напряжение сильно зависит от скорости вращения якоря. На низких скоростях напряжение снижается, а на высоких скоростях стабилизируется на необходимом уровне. Однако высокие скорости вызывают дисбаланс якоря, быстрый износ щеток и подшипников якоря.
Для получения постоянного тока низкого напряжения используются выпрямительные или диодные мостовые генераторы. Конструктивно этот механизм представляет собой асинхронный генератор переменного тока.
Принцип преобразования переменного тока в постоянный можно проиллюстрировать на примере автомобильного генератора переменного тока:
- Генератор переменного тока вырабатывает переменный ток. Устройство имеет трехфазную обмотку, которая соединена в звезду.
- С каждой фазы ток поступает на один из 6 диодов, которые образуют мост. За 1 период в преобразовании участвуют 2 диода на фазу.
- Изменение потенциала тока в каждой фазе заставляет диоды пропускать ток только в определенном направлении.
Таким образом, сглаживается синусоидальная форма волны. Через открытую сторону каждого диода протекает только положительный ток. Выходной сигнал диодов только положительный или "+". В цепи может быть 6 или 8 диодов. Каждая пара диодов называется плечом. В схеме типа "звезда" используется 8 полупроводников. Дополнительная пара подключается к нейтральной клемме статора. Такие выпрямители более эффективны. Они обеспечивают примерно на 15% больше напряжения в режиме холостого хода.
Проводник в магнитном поле – сила Лоренца
Теперь, когда мы объяснили теоретические основы работы генератора переменного тока, давайте перейдем к более подробному объяснению. Для этого рассмотрим проводник, движущийся в магнитном поле. Фактически, рамку можно представить как расположение проводников, а вращение – как движение.
Если проводник перемещается в магнитном поле таким образом, что пересекает линии поля, в проводнике индуцируется электродвижущая сила. Правило правой руки используется для определения направления индуцированного электромагнитного поля в проводнике.
Если мысленно поместить правую руку в магнитное поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, идущие от северного полюса, вошли в ладонь, а большой палец совпал с направлением проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индуцированной ЭДС в проводнике.
Если проводник замкнут на нагрузку, в нем будет индуцирован ток. Ток будет создавать свой собственный магнитный поток. Взаимодействие тока и магнитного поля полюсов приведет к появлению замедляющей силы (силы Лоренца), действующей на проводник в направлении, противоположном его движению.
Сила Лоренца – это сила, действующая на электрически заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Ее направление перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы скорости частицы и напряженности магнитного поля. Для определения направления силы Лоренца можно использовать правило левой руки.
Если левая рука расположена так, что линии магнитного поля входят в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца направлены вдоль движения положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то большой палец левой руки покажет направление силы, действующей на проводник. Если заряд отрицательный, то направление силы должно быть обратным.
Работа генератора переменного тока и синусоидальное переменное напряжение (ЭДС) – самое простое объяснение
Минимально углубляясь в теоретические подробности работы генератора, вектора магнитной индукции, силы Лоренца, закона Фарадея и сложных формул, попробуем объяснить все как можно проще на простых примерах. Когда вы поймете все процессы генерации напряжения и тока на микроуровне, можно смело переходить к чтению академических текстов с большим количеством умных слов и непонятных формул. У вас появится шанс что-то понять и осмыслить. И когда вы услышите выражение индуцированное электромагнитное поле, вы будете четко понимать его смысл и не будете оперировать расплывчатыми определениями.
Начнем с классической рамки, вращающейся в магнитном поле. В реальных генераторах магнитное поле обычно вращается вокруг рамки (обмотки), но сумма не меняется от перемены мест слагаемых, поэтому для простоты моделирования мы будем рассматривать вращение рамки.
Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс магнита. Мы не будем останавливаться на конкретном направлении линий магнитного поля, так как это не важно для объяснения упрощенной модели.
Давайте схематично изобразим рамку в магнитном поле:
Хотя в магнитном поле есть нечто, напоминающее букву "П", условно показанную красными линиями, это нечто – рамка из проводника. В электротехнике рамка – это проводник, согнутый в прямоугольную форму. Конечно, можно протянуть проводник от точек A и D друг к другу, но это опять же не имеет значения, пока цепь не замкнута.
Вернемся к каркасу. По сути, она состоит из трех сегментов проводника AB, BC и CD. Когда рамка вращается, линии магнитного поля пересекают только сегменты AB и CD. Это означает, что сегмент BC можно отбросить.