Этот генератор переменного тока также имеет некоторые недостатки. Первый – это высокая чувствительность к перегрузкам в цепи. Реакцией на нагрузку является кратковременный, но достаточно сильный ток в обмотке ротора, который возникает из-за увеличения тока через сам блок управления. Это приводит к перегоранию или нагреву обмотки.
Принцип работы генератора переменного тока
Переменный ток является основой электроснабжения потребителей. Именно этот ток поступает к потребителю по разветвленной системе воздушных линий и кабелей, между которыми он понижается с помощью трансформаторов.
Переменный ток вырабатывается мощными генераторами на электростанциях. В этой статье вы подробно узнаете, что такое генератор переменного тока, как он работает, на каком принципе основан и каковы области его применения.
Начните с
Самый простой 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".
- Каркас из медной проволоки со сторонами A, B, C, D.
- Вращающаяся ось N и N1.
Принцип работы генератора Фарадея заключался в том, что при вращении рамки генерировался ток слабого напряжения. Это происходит следующим образом:
- Проволочная рамка совершает вращение внутри постоянного магнитного поля вдоль осей N и N 1.
- 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 магнитное 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 имеет место момент полного исчезновения напряжения. Это происходит при медленном вращении, например, без двигателя. При быстром вращении напряжение остается постоянным.
Принцип работы трансформатора
Т
рансформатор (рис. 9) имеет ферромагнитный сердечник с двумя обмотками, первичной обмоткой с числом витков 
и вторичная обмотка с 
. К вторичной обмотке подключена нагрузкаR , а к первичной – источник напряжения 
. Согласно закону Фарадея , 
вызывает увеличение магнитного потока 
, (
). Сердечник, имеющий высокую магнитную проницаемость (μ=400÷10000), выполняет две функции. Во-первых, он концентрирует магнитный поток, так что поток 
в первичной и вторичной обмотках практически одинаков. Во-вторых, высокая 
обеспечивает небольшой ток через первичную обмотку, когда нагрузка не подключена (ток холостого хода), т.е. снижает потери энергии при преобразовании.
Согласно (5), на вторичной обмотке создается напряжение, поэтому напряжение изменяется:
,
, где – коэффициент трансформации.
Состав установки
В этом тесте мы определяем взаимную индуктивность двух катушек (длинной катушки – 
и короткой катушки –
которая помещена в катушкуL1 и может перемещаться вдоль ее оси). Схема установки показана на рис. 10. Одна из катушек (напр. 
) питается от генератора звуковой частоты, напряжение которого
(9)
с которого напряжение подается через резистор с резистором 
. Вольтметр, расположенный на панели
используется для измерения действующего напряжения катушки.
.
Резистор должен быть подобран так, чтобы выполнялось неравенство
(10)
где 
– индуктивность катушки 
, 
– активное сопротивление катушки. В этом случае ток, протекающий через катушку 
можно определить по формуле
. (11)
Переменный ток в катушке 
создает индуктивную ЭДС в катушке 
:
Конструкция генератора переменного тока
В принципе, понятно, как устроен генератор переменного тока, но при сравнении его с аналогом переменного тока не сразу можно понять, в чем разница.
Основные рабочие части и их соединение
Если вы читали предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины, а тот, в свою очередь, был соединен с перемещающимися по нему щетками, через которые подключалась внешняя цепь.
Поскольку на пластинах коллектора постоянно меняются щетки, обратного хода тока не происходит – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, т.е. коллектор является выпрямителем.
Устройство и работа генератора переменного тока
- В случае переменного тока такое крепление не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамы. Вся конструкция вращается вокруг центральной оси. К кольцам прикреплены щетки, которые также скользят по ним для обеспечения постоянного контакта.
- Как и в случае с постоянным током, электромагнитное поле, создаваемое в различных частях рамки, складывается и образует результирующее значение параметра. Во внешней цепи, подключенной через щетки (если к ней подключен нагрузочный резистор RH), будет протекать электрический ток.
- В приведенном примере "Т" равно полному обороту рамки. Отсюда логично сделать вывод, что частота тока, вырабатываемого генератором, напрямую связана со скоростью вращения якоря (каркаса) или, другими словами, ротора в секунду. Однако это относится только к этому простому генератору переменного тока.
Трехфазные генераторы переменного тока и их конструкция
Если увеличить число пар полюсов, то пропорционально увеличится и число полных изменений тока за один оборот якоря в генераторе, а частота будет измеряться по-другому, по формуле: f = np, где f – частота, n – число оборотов в секунду, p – число пар магнитных полюсов устройства.
Практическое применение генераторов переменного тока
Промышленное производство генераторов переменного тока большой мощности
Такие генераторы используются практически во всех областях человеческой деятельности, где требуется электричество. Принцип выработки электроэнергии отличается только способом приведения в движение вала машины. Таким образом работают гидроэлектростанции, тепловые и даже атомные электростанции.
Эти электростанции подключены к общественной сети, которая подключена к конечному потребителю, то есть ко всем нам. Однако существует множество объектов, которые нельзя запитать таким способом, например, транспорт, строительные площадки вдали от линий электропередач, очень удаленные населенные пункты, вахтовые бригады, нефтяные вышки и так далее.
Это означает только одно – вам нужен собственный генератор и двигатель для его питания. Давайте рассмотрим некоторые из этих небольших и распространенных в нашей жизни устройств.
Автомобильные генераторы
Здесь изображен электрический генератор для автомобиля.
Кто-то может сразу сказать: "Что вы имеете в виду, это же генератор постоянного тока!". Да, это так, но только выпрямитель, который делает ток постоянным. Основной принцип работы тот же – тот же ротор, тот же электромагнит и т.д.
Проводник в магнитном поле – сила Лоренца
Объяснив теоретические основы работы генератора, 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 вы перемещаете проводник в магнитном поле таким образом, что он пересекает линии поля, в проводнике индуцируется электромагнитное поле. Для определения направления индуцированного электромагнитного поля в проводнике используется правило правой руки.
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 тормозящей 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. Чтобы определить направление силы Лоренца, можно воспользоваться правилом левой руки.
Если левая рука расположена так, что линии магнитного поля входят в ладонь перпендикулярно руке, 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 и синусоидальное переменное напряжение (ЭДС) – простейшее объяснение
Мы постараемся объяснить все как можно проще на простых примерах, сведя к минимуму теоретические подробности о генераторе, векторе магнитной индукции, силе Лоренца, законе Фарадея и сложных для понимания формулах. 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, а не 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 имеет решающего значения для упрощенной объяснительной модели.
Давайте схематично изобразим рамку в магнитном поле:
Хотя в магнитном поле есть нечто, напоминающее букву "П", условно показанную красными линиями, это нечто является рамкой 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.