Когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.

Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.

Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.

Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.

Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле

Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собой простейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.

Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.

Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.

Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 - контактные кольца, 3 и 4 - щетки.

При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.

Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.

При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ - из-за плоскости чертежа на нас.

Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.

Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.

Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.

Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.

При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.

Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).

Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.

Так, например, если к зажимам данного простейшего генератора присоединить электрическую лампочку, то за первую половину оборота рамки электрический ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую.половину оборота - в другом.

Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки

Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название .

Такая машина предназначена для генерации постоянного тока с применением перемещения проводника в магнитном поле. В данной статье рассмотрены физические принципы работы, конструкторские схемы, расчёт и сфера применения этого устройства.

Промышленный генератор постоянного тока

Генерация электроэнергии

На рисунке ниже изображён простейший опыт, который помогает понять принцип действия генератора.

Образование тока при движении проводника

Если переместить проводник в пространстве так, чтобы он пересекал линии магнитного поля, то в нём образуется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление называют индукцией. При замыкании свободных концов в цепи будет течь ток, который можно использовать для питания лампы накаливания, или другой полезной нагрузки.

На рисунке изображена правая рука с отогнутым в сторону перемещения проводника большим пальцем. Этот простой способ используют для наглядного определения направления тока в цепи.

Для получения необходимого результата допустимо передвижение, как проводника, так и магнита.

По указанной выше схеме действующую машину создать не получится. Но следующий вариант вполне применим на практике.

Схема устройства и ЭДС на выходе

На рисунке изображена рамка, вращающаяся в магнитном поле (направление силовых линии обозначены стрелкой «В»). Съёмники энергии – это специальные щётки. Рамка присоединена к половинам колец (коллекторам), разъединённым электрически с помощью особых изолирующих вставок. На выходе этого устройства электродинамическая сила будет изменяться в соответствии с приведённым графиком. Её величину определяет расчёт на основе следующей формулы:

е=2В*n, где

В – это поток созданного магнитного поля в Вб;

n – количество полных оборотов рамки за одну секунду.

Из формулы понятно, что получить больше электроэнергии можно двумя способами. Для этого надо увеличить скорость вращения либо повысить силу магнитного поля.

Уменьшение пульсации

На графике, который изображён выше, указан уровень е ср. Если бы удалось стабилизировать ЭДС генератора на соответствующем значении, был бы получен нужный результат. Как такая задача решается на практике, видно из следующего рисунка.

Сглаживание электромагнитных колебаний с помощью нескольких рамок

Выходные электрические параметры этой машины далеки от идеала. Но ясно, что последовательное увеличение количества рамок позволит получить достаточно равномерный верхний уровень. Позитивное влияние в этом случае будут оказывать переходные процессы и взаимодействие электромагнитных полей, ведь приведённые графики иллюстрируют только примерные данные. Но даже в таком варианте ЭДС генератора на выходе будет изменяться не на всю амплитуду, а лишь на величину от Е min до Е max .

Увеличение количества рамок (витков обмоток генератора) и коллекторов поможет сгладить колебания на выходе.

Опытным путём можно подтвердить, что применение 20-22-х коллекторные конструкции позволят снизить пульсации ЭДС до 1-0,9%. Такие изменения на выходе генератора вполне приемлемы для решения многих практических задач.

Особенности работы генератора

Выше было отмечено улучшение качества электрических параметров при увеличении числа витков в обмотках. Но такое решение позволит получить ещё один положительный эффект. С его помощью увеличивают индуцируемую ЭДС на выходе в расчёте на один оборот ротора. Такой приём используют для того, чтобы генератор постоянного тока выполнял свои функции с высоким коэффициентом полезного действия.

С целью дальнейшего улучшения работы машины, конструкторы изучили возможности постоянных магнитов. Они способны выполнять свои полезные функции в автономном режиме без подключения к внешнему источнику энергии. Однако более сильное поле с помощью таких решений создать невозможно. Необходимый результат могут обеспечить только электромагниты.

Точный расчёт в этом случае будет сделать проще.

Выше были рассмотрены «идеальные» ситуации. Но при реализации конкретных проектов возникали разные затруднения. Например, необходимо было найти материал, который обеспечит хорошую электрическую проводимость, но одновременно не будет провоцировать ускоренный износ поверхности коллектора. Решение известно – это графитовые стержни, которые прижимаются с помощью пружин. Такие изделия сами постепенно истираются. Поэтому необходим определённый запас щёток для своевременной замены.

Для описания другой проблемы нужно пояснить некоторые процессы при вращении ротора в магнитном поле. Необходимо привести определения следующих базовых понятий:

• геометрической нейтралью называют линию, которая проведена на равном расстоянии от северного и южного полюса;
• физической называют такую линию, которая условно разделяет области воздействия полей, создаваемые электрической машиной.

В статическом положении эти линии совпадают. Но при начале вращения геометрическая – остаётся на своём месте, а физическая – отклоняется на определённый угол. Определённое влияние на этот процесс оказывает индуцированный ток, который индуцирует якорь. Суммарное воздействие всех полей ещё больше увеличивает угол смещения нейтрали (в сторону вращения ротора).

Чтобы максимально усилить эффективность генерации, графитовые стержни должны соприкасаться в месте выхода условной физической линии из коллектора.

Для этого точку прижима щёток смещают относительно геометрической центральной оси. При отклонении возникают электрические потери, образуются искры, которые попадают на коллекторные пластины. В такой ситуации появляющаяся окалина ухудшает проводимость, что ещё более снижает КПД установки.

Понятно, что в реальных условиях, когда нагрузка на выходе генератора изменяется, пришлось бы постоянно выполнять коррекцию положения щёток. Никакой расчёт в этом случае не поможет, ведь механическое перемещение щёток было бы слишком сложным. Чтобы исключить подобные вредные влияния устанавливают дополнительные полюсы. С их помощью создают магнитное поле. Оно компенсирует искажения, которые вносит якорь. Эти же части конструкции выполняют ещё одну важную функцию. При правильной настройке они нейтрализуют броски, при изменении направления тока в каждый момент, когда якорь переходит через нейтраль.

Схемы электрических машин

Генераторы постоянного тока создают, со следующими схемами, обмоток возбуждения:

• независимой;
• последовательной;
• параллельной;
• смешанной.

Каждый из способов работы генератора имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Принцип независимого возбуждения понятен из названия. В этом случае напряжение питания подаётся от внешнего источника. Это может быть аккумуляторная батарея либо отдельный генератор, выполняющий вспомогательные функции.

Ток в такой обмотке достигает сравнительно небольших величин. Как правило, он не превышает 5-6% от генерируемого тока.

Чтобы изменять создаваемое обмоткой магнитное поле в цепь питания вставляют регулируемое сопротивление.

В некоторых типовых схемах используют изменение напряжения Uв.

Независимое возбуждение обмотки электрического генератора постоянного тока

Чтобы понять, как работает машина, и определить оптимальный алгоритм настройки, надо измерить электрические параметры в режиме холостого хода. Он отличается отсутствием нагрузки в выходной цепи. Поэтому соответствующие влияния можно не принимать в расчёт. В таком состоянии напряжение, создаваемое генератором, будет равно ЭДС. На следующем рисунке в части а) приведён примерный график.

Графики электрических параметров генератора постоянно тока с независимым возбуждением обмотки

В этом эксперименте якорь вращается с неизменной скоростью (n 1), поэтому только ток в обмотке возбуждения определял величину магнитного поля и, соответственно, ЭДС на выходе. Восходящий участок графика (1) показывает изменение напряжения на выходе при увеличении тока в обмотке. Нисходящий (2) – обратное действие при уменьшении тока. На нижнем графике приведены значения, которые были получены при снижении скорости вращения.

Третий график (в) поясняет принципы регулировки генератора. Видно, что коррекции тока в обмотке возбуждения позволяют поддерживать напряжение на одном уровне при изменениях в цепи нагрузки.

На основании полученных результатов измерений и общего анализа можно сделать следующие выводы:

• Внешнее возбуждение пригодно для регулировок напряжения генератора в широком диапазоне простыми методами. Для изменения напряжения в обмотке подойдёт элементарный расчёт.
• Такая конструкция характеризуется относительно небольшим трансформированием производительности при изменении параметров нагрузки.
• Необходим внешний источник питания. Это усложняет устройство и несколько снижает общую надёжность.

На следующих рисунках приведены принципиальные схемы генераторов с последовательной, параллельной и смешанной схемой обмотки возбуждения.

Принципиальные схемы генераторов обмотки возбуждения: а) последовательного, б) параллельного, в) смешанного типа

Особенности схем

Вид схемы	Особенности	Применение
Последовательная	Очень малое напряжение в режиме холостого хода, сильная зависимость от параметров нагрузки.	Для генерации энергии такая схема не подходит. Её используют для создания машин, в которых торможение выполняется с применением реостатных методик.
Параллельная	Подключение нагрузки осуществляется только после достижения номинального значения выходного напряжения.	Эта схема подходит для создания генераторов, которые вырабатывают электроэнергию для заряда аккумуляторных батарей.
Смешанная	Низкое влияние изменения параметров нагрузки на выходное напряжение. Требуется точный расчёт компонентов схемы, чтобы получить хороший результат.	Такие решения применяют в сварочных аппаратах, где для работы устройство использует режим короткого замыкания.

Устройство генератора и расчёт

Устройства этого типа вытесняются аналогичными установками переменного тока, которые менее критичны к нагрузкам, обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Расчёт промышленного генератора выполняется специализированным конструкторским бюро.

На следующем рисунке приведена конструкция типичного генератора.

Конструкция генератора постоянного тока в разрезе

Использованы следующие обозначения:

• 1, 2 – сердечник и катушка основного полюса;
• 3 – наконечник;
• 4, 5 – сердечник и катушка добавочного полюса;
• 6 – станина;
• 7 – ярмо;
• 8 – подшипник;
• 9, 11 – сердечник и обмотка якоря;
• 10 – вентилятор;
• 12 – коллектор;
• 13 – щёточный палец.

Видео. Модель генератора постоянного тока

Самостоятельный расчёт и создание генератора постоянного тока своими руками вряд ли целесообразны. При необходимости не будет трудно найти и приобрести устройство с нужными параметрами. Конструкция его слишком сложна для качественного воспроизведения в домашних условиях.

Эпоха электрификации началась не так давно и за пару столетий полностью изменила наш образ жизни. Посмотрите вокруг, везде, где только падает глаз, обязательно увидите какой-нибудь электрический прибор. Люди настолько привыкли к разным машинам, которые выполняют за них практически всю работу, что возникает иллюзия, будто бы так было всегда. Но заглянем за сторону завесы, скрывающей от нас процесс жизнедеятельности электрических друзей. Разберем принцип действия и устройство генератора постоянного тока.

Немного истории

Электричество наблюдали еще древние греки. Было замечено свойство янтаря притягивать к себе разные частицы. Люди считали это магнетизмом, присущим смоле. Но позже заметили способность и других материалов приобретать магнетизм. Например, стекло при натирании тоже начинало привлекать к себе мелкие легкие элементы: частицы бумаги, волоски и пыль. Так стало понятным, что магнитный эффект возникает по какому-то закону.

Впоследствии, в XVIII веке, был создан прототип современного конденсатора, окрещенный по имени изобретателя «лейденской банкой». Этот несложный механизм умел накапливать заряд, который в то время считали своеобразной жидкостью, насыщающей твердые тела и способной перетекать от одного тела к другому с поразительной скоростью - на несколько миль за доли секунд.

Когда был открыт атом и его составляющие ядро и электрон, все стало на свои места. Люди поняли, что именно электроны и являются теми зарядами, которые создавали такие необъяснимые явления, как электрические разряды. Но пока это были лишь статические заряды. С опытов Фарадея и Эрстеда берет свое начало электричество, которое мы знаем сейчас. Они изобрели макет-генератор постоянного тока, устройство и принцип действия которого основаны на явлении

Сила движения электричества

Как воды реки приводит в движение притяжение земли, так заряженные частицы в проводнике заставляет перемещаться ЭДС. Эта сила тесно связана с а именно появляется, как только меняется поток, создаваемый магнитом. ЭДС способна работать только в веществе, где всегда в наличии есть свободные заряды. Таким свойством обладают металлы и солевые растворы.

ЭДС тем больше, чем быстрее изменяется интенсивность магнитных волн. Как известно, магнит два полюса имеет всегда. В соответствии с тем, в каком направлении изменяется поток относительно проводника, ток в проводнике течет в ту или иную сторону. Положительные и отрицательные заряды сами создают между собой энергетическое поле, которое мы называем напряжением, оно тем больше, чем сильнее суммарный электрический заряд одноименного полюса.

Что такое электрический генератор?

Конструкция или машина, которая способна преобразовывать любую механическую силу в электрическую энергию, получила название генератора электричества. Принцип действия и устройство генератора постоянного тока связаны с магнетизмом. Если взять и пересекать поле его напряженности проводником, то в последнем появляется сила, заставляющая двигаться в одном направлении заряженные частицы - появляется ток. То же самое будет происходить при неподвижном проводнике и движущемся магните.

Экспериментально учеными установлено, что величина тока тем больше, чем больше:

• Величина магнитного потока между полюсами магнита.
• Скорость пересечения линий напряженности.
• Длина токоведущего провода.

Если же перемещать проводник параллельно тому, как идет поток, то индукции в нем не наблюдается. Из этого вывели закон правой руки, который помогает понять, в каком направлении движется ток. При расположении руки правой части тела ладонью так, чтобы в нее входили магнитные линии напряженного поля, а палец большой был отогнут и указывал туда, куда происходит движение проводника, оставшиеся четыре пальца покажут путь тока. В магните вектор движения поля направлен от севера к югу.

Схема работы элементарного генератора

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока простого типа следующие: рамка изготовлена из токоведущего материала, насажена на ось и производит вращение между полюсами магнита. Каждый свободный конец рамки подсоединен к своему контакту, имеющему вид дугообразной пластины. Вместе контакты составляют окружность, разорванную в двух точках (коллектор). Эти полукруглые контакты подвижно соединены с подпружиненными проводящими щетками. Они снимают ток.

В пространстве рамка относительно контактов ориентирована так, что при пересечении каждой ее половины участков наибольшей величины магнитного потока щетки замкнуты на контактах. Когда же элементы рамки проходят фазу движения вдоль линий - щеточные контакты разомкнуты с коллектором.

Если подключить осциллограф, видно, что генератор постоянного тока устройство и принцип действия имеет такой, что выдает чередование полуволн, находящихся по одну сторону координат и изменяющих свое значение от нулевого к наивысшему и снова к нулю. Частота следования их зависит от скорости поворота рамки. Это означает, что ток в такой системе движется в одном направлении (постоянный), но имеет пульсирующий вид.

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Реальный генератор тока постоянного устроен более сложно, хотя принцип его действия ничем не отличается от рассмотренного выше. Вместо одной рамки и пары полукруглых контактов он имеет множество рамок и контактов коллектора. Это, во-первых, повышает мощность такой машины, во-вторых, сглаживает пульсации тока, так как каждая рамка создает свою полуволну, которые, налаживаясь друг на друга, образуют суммарный ток. Такая вращающаяся система получила название якоря или ротора.

Магнит генератора тоже видоизменен. Его роль выполняет электромагнит, состоящий из обмотки и сердечника. Используя электромагниты, можно создавать большой магнитный поток, который не под силу для обычного постоянного. К тому же величину потока можно легко менять. Неподвижная часть генератора названа статором.

В зависимости от режима работы машины во время вращения вала, между статором и ротором наблюдаются следующие процессы:

1. К генератору не подключена нагрузка. В случае такой холостой работы якорь производит вращение, в нем ЭДС наводится, но тока в обмотке нет, так как цепь не замкнута.
2. которого подключена к цепи, работает в режиме нагрузки. В этом случае в якоре течет ток и появляется новая составляющая - магнитный поток, создаваемый якорем (реакция якоря). Этот поток движется в таком направлении, что противодействует основным силовым линиям, создаваемым электромагнитом. В результате реальная ЭДС будет ниже, то есть снижается мощность генератора. И чем больше нагрузка генератора, тем больше энергии тратится на преодоление реакции якоря при вращении вала.

Чтобы нивелировать магнитный поток якоря, в схему ротора вводят так называемые компенсационные обмотки, в которых образуется магнитный поток, ослабляющий реакцию якоря.

Типы генераторов, вырабатывающих постоянное электричество

Принцип действия и устройство генераторов постоянного тока отличаются по исполнению схемы возбуждения. Они бывают:

• Магнитоэлектрическими. В них для создания магнитного потока применяют постоянные магниты. Такие машины, обычно небольшой мощности, имеют высокий КПД, так как нет потерь в обмотках возбуждения. Недостаток устройств в сложности регулирования.
• Генераторами с независимой схемой возбуждения. Это устройства, обмотка электромагнитов которых запитана от сторонних источников питания: аккумулятора или генератора.
• Самовозбуждающимися генераторами постоянного тока. Такие устройства питают электромагниты от своего же якоря. Главным условием самовозбуждения является остаточный магнитный поток. Конструкция, принцип действия генераторов и схема их включения бывает компаундной, шунтовой и сериесной.

Принцип работы и устройство генератора из электродвигателя

Принцип обратимости электрических машин говорит о том, что любой электродвигатель может быть преобразован в генератор и наоборот. Ведь оба этих устройства используют ЭДС индукции, как основу своей работы. Только в двигателе на ротор подают электрический ток, который, создавая магнитный поток, отталкивается от полюсов магнита статора, совершая вращательное движение.

Если же вал двигателя вращать с определенной скоростью, в обмотках якоря начнет наводиться ЭДС индукции и потечет ток. Ограничение лишь в толщине провода обмотки якоря. Когда провод тонкий, то получить большую мощность у такого генератора не получится.

Где нашел применение источник постоянного тока?

Несмотря на то что постоянное электричество можно получить методом выпрямления переменного, широко используют генератор постоянного тока. Принцип действия, схема такой машины незаменимы на металлургических предприятиях, в мощных электролизных установках заводов. В транспортной промышленности агрегаты работают в электровозах, пароходных судах. Для питания возбуждающих обмоток генераторов переменного тока на электростанциях также применимы источники постоянного напряжения. Для бытовых целей разработаны динамо-машины тока постоянного. Их можно увидеть на велосипедах, где они питают осветительные фары.

Заключение

Генераторы тока постоянной полярности хороши тем, что могут вырабатывать электричество при разной скорости вращения вала. В них не нужно выдерживать четкую частоту, как, например, у генераторов переменного тока, где она должна быть в 50 Гц. Такие машины очень удобно использовать в качестве альтернативных источников электричества, например в ветрогенераторах.

Тип урока: Формирование новых знаний.

Цели урока:

• Образовательная: Сформировать у студентов понятие о назначении синхронного генератора, его устройстве и принципе действия.
• Воспитательная: Привить студентам интерес к дисциплине и навыки работы в коллективе.
• Развивающая: Способствовать развитию самостоятельности мышления. Развивать творческую деятельность.
• Дидактическая: Научить использовать различные дидактические материалы. Показать формы и методы управления познавательной деятельностью обучающихся на уроке.

Наглядность на уроке:

• Плакат «Синхронный генератор»
• Настенный стенд «Машины переменного тока»
• Макет синхронного генератора
• Карточки-задания (Приложение 1)
• Тесты для закрепления материала (Приложение 2)
• Слайды на электронном носителе

Ход урока

1. Организационный момент:

1.1. Приветствие

1.2. Определение отсутствующих

1.3. Проверка готовности обучающихся к уроку

1.4. Организация внимания.

2. Целеполагание и мотивация:

2.1. Постановка цели перед студентами

2.2. Ознакомление студентов с планом урока

2.3. Формирование установок на восприятие и осмысление учебной информации.

3. Актуализация ранее усвоенных знаний:

Вопросы:

3.1. Какая электрическая машина называется генератором?

Ответ: Генератором называется электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.

3.2. На каком законе электромагнетизма основан принцип действия генераторов?

Ответ: Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции: ЭДС индуктируется в двух случаях: при движении проводника в магнитном поле и при изменении магнитного потока вокруг проводника.

3.3. Что представляет собой магнитное поле?

Ответ: Магнитным полем называется материальная среда, обнаружить которую возможно только опытным путём – внеся в это поле другое намагниченное тело или проводник с током, так как вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

3.4. Какое электротехническое устройство называется электромагнитом и для чего оно предназначено?

Ответ: Электромагнит – это электротехническое устройство, состоящее из катушки и ферримагнитного сердечника, предназначенное для создания магнитного потока.

3.5. Особые требования, предъявляемые к электрическим машинам ПС

Ответ: К основным требованиям, предъявляемым электрическим машинам ПС относятся:

• частота вращения находится в пределах 50–12000 об/мин;
• широкий диапазон мощностей (от десятков Вт до десятков МВт);
• минимальные габариты, масса, нагрузка на ось, габариты совпадающие с габаритами подвижного состава;
• высокую надёжность работы.

3.6. Специфические условия эксплуатации электрических машин ПС.

Ответ: К специфическим особенностям работы электрических машин ПС относятся:

• колебание температуры окружающей среды (от -50°С до + 50°С);
• колебание влажности (95*3%);
• запыление машин, установленных на открытом воздухе, встречным потоком воздуха;
• конструкция машин и условия размещения её на подвижном составе должны обеспечивать удобный доступ к обслуживаемым частям.

4. Формирование новых понятий:

Конспект урока

4.1. Синхронный генератор – это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию.

Генератором называется электрическая машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую.

4.2. Почему машина называется синхронной?

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, скорость вращения которой постоянна и определяется (при заданной частоте) числом пар полюсов:n = 60*f/p ; (f = 50 Гц) , где р – количество пар полюсов.

Например: двадцатиполюсный генератор должен иметь скорость п = 60*50/10 = 300 об/мин.

4.3. Применение синхронных генераторов на железнодорожном транспорте

На железнодорожном транспорте синхронные машины чаще всего применяются в качестве генераторов переменного тока на тепловозах и в рефрижераторных секциях.

4.4. Индуктирование ЭДС в синхронных генераторах

Индуктирование ЭДС в синхронных генераторах осуществляется по закону электромагнитной индукции: E = B*L*U*sin L.

Рис.1. Принцип действия синхронного генератора.

Так как принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать магнитное поле, или, наоборот подвижное магнитное поле будет пересекать неподвижный проводник, то конструктивно синхронные генераторы могут быть изготовлены двух видов. В первом из них (рис.1.а.) магнитные полюсы можно поместить на статоре, а проводник на роторе и снимать с них при помощи колец и щёток переменный ток.

Ту часть, которая создаёт магнитное поле, называют индуктором , а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируется ЭДС, называют якорем .

Следовательно: в первом типе генератора индуктор неподвижен, а якорь вращается. В таких генераторах скользящий контакт в цепи большой мощности создаёт значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта становится нецелесообразным. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными кольцами выполняют только при невысоких напряжениях (до 380/220 В) и небольших мощностях (до 15 кВт).

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь – на статоре (рис.1.б.).

4.5. Однофазные и трёхфазные синхронные генераторы

Рис.2.

Из курса электротехники известно, что если вращать ротор-индуктор, то в обмотке статора будет индуктироваться переменная ЭДС (рис.2.а.), Это явление лежит в основе устройства однофазного генератора переменного тока. Обмотку статора можно также сделать много фазной, но на практике наибольшее распространение получила трёхфазная система переменного тока (рис.2.б.).

4.6. Устройство синхронного генератора

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, первичными двигателями которых служат двигатели внутреннего сгорания (дизели). Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.

Рис.3. Устройство синхронного генератора.

Статор является неподвижной частью синхронной машины (рис.3.а.) и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора.

4.7. Явновыраженные и неявновыраженные полюса электромагнитов

Ротор синхронного генератора представляет собой вал, на котором укреплены сердечники полюсов в явновыраженных синхронных машинах (рис.3.б.) или набирают из листов электротехнической стали в неявновыраженных синхронных машинах (3.в.).

В высокоскоростных синхронных генераторах выполняются неявновыраженные полюса для обеспечения нужной механической прочности.

Рис.4. Явновыраженные и неявновыраженные полюса электромагнитов.

Обмотка возбуждения выполняется из медного провода прямоугольного сечения, концы которой выводятся на контактные кольца, установленные на роторе. Токосъём с контактных колец (плакат «Синхронный генератор») осуществляется с помощью щёток, установленных в щёткодержателях и прижимаемых к контактной поверхности пружинами.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (рис.5.а.) и самовозбуждение (рис.5.б.)

Рис.5. Независимое возбуждение и самовозбуждение машины.

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности).

При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

4.8. Принцип действия синхронного генератора

При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.

Рис.6. Генераторный режим работы синхронной машины.

При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4,44*f*w*k w *Ф, где:

f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; k w – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток.

Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f = p*n/60, где:

р – число пар полюсов; п – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив: E = 4,44*(п*р/60)*w*k w *Ф и, определив: 4,44*(р/60)*w*k w – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4.44*(р/60)*w*k w .

Тогда: Е = С Е *п*Ф.

Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

4.9. Обратимость синхронного генератора

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 кВт)

Рис.7. Двигательный режим работы синхронной машины.

Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.

4.10. Условия включения синхронного генератора в сеть

Для включения генератора в сеть необходимо:

• одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;
• равенство напряжения сети и ЭДС генератора;
• равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети;
• включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.

5. Закрепление полученных знаний:

5.1. Контрольные вопросы:

– Какая электрическая машина называется генератором?

Ответ: Генератором называется машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую.

– Почему машина называется синхронной?

Ответ: Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения магнитного поля равна скорости вращения ротора – из-за этого и название синхронная.

– По какому закону осуществляется индуктирование ЭДС в якоре машины?

Ответ: По закону электромагнитной индукции – ЭДС индуктируется в двух случаях: при движении проводника в магнитном поле или при изменении магнитного поля вокруг проводника.

– Какие два основных способов возбуждения Вы знаете?

Ответ: независимое возбуждение и самовозбуждение.

– Какая зависимость между р и п в синхронных генераторах при заявленной частоте переменного тока?

Ответ: Обратнопропорциональная зависимость: чем больше, тем меньше.

5.2. Работа с карточками-заданиями: (Приложение 1)

№1: Число пар полюсов синхронного генератора 4. Определить частоту вращения магнитного поля статора, если частота генерируемого тока 50 Гц.

Дано: Решение:

f = 50 Гц; n = f*60/p = 50*60/4 = 750 об/мин.

Определить: n = ?

№2: Какое количество полюсов должно быть у синхронного генератора с частотой ЭДС 50 Гц, если ротор его вращается с частотой 500 об/мин.

Дано: Решение:

n = 500 об/мин; р = f*60/n = 50*60/500 = 6 пар.

Определить: р = ?

№3: Генератор переменного тока имеет 10 пар полюсов и его ротор вращается с частотой 1200 об/мин. Сколько раз в секунду ток меняет своё направление?

Дано: Решение:

n = 1200 об/мин; f/2 = p*n/60*2 = 10*1200/60*2 = 100 раз;

Определить: f/2 = ?

№4: Найти ЭДС, индуктируемую в одной фазе статора генератора переменного тока, если количество витков 24; обмоточный коэффициент 0,9; частота ЭДС 50 Гц, а магнитный поток 0,05 Вб.

Дано: Решение:

w = 24; f = 50 Гц;

k w = 0,9; Ф = 0,05 Вб; Е = 4,44*f*k w *w*Ф = 4.44*50*0,9*0,05 = 10 В.

Определить: Е = ?

№5: Выбрать необходимое число витков обмотки шестиполюсного синхронного генератора, ротор которого вращается с частотой 1000 об/мин, чтобы ЭДС на его выводах была 220 В, если магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения ротора, равен 0,05 Вб, а обмоточный коэффициент статорной обмотки 0,92.

Дано: Решение:

N = 6 полюсов; Ф = 0,05 Вб; Е = 4,44*f*w*k w *Ф;

n = 1000 об/мин; k w = 0,92; f = p*n/60 = (6/2)*1000/60 = 50Гц;

Определить: w = ? w = E/4,44*f*k w *Ф = 220/4,44*50*0,92*0,05 = 22 в.

Вопрос	Ответ
1. Почему синхронный генератор называется синхронным?	Скорость вращения ротора больше скорости вращения магнитного поля; Скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля; Скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля.
2. Определить скорость двенадцатиполюсного синхронного генератора при частоте 50 Гц.	50 об/мин; 100 об/мин; 500 об/мин.
3. В каком генераторе, при заданной частоте, наибольшая скорость вращения?	с явновыраженными полюсами; с неявновыраженными полюсами; в бесполюсном.
4. Можно ли трёхфазную обмотку синхронного генератора большой мощности расположить на роторе?	можно; нельзя; можно, но нецелесообразно.
5. Четырёхполюсный ротор синхронного генератора вращается со скоростью 3000 об/мин. Определить частоту переменной ЭДС.	50 Гц; 100 Гц; 150 Гц.

Ответы:

Вопрос
Ответ

6. Рефлексия, задание на дом:

6.1. Подведение итогов урока, определение меры участия всех студентов и каждого в отдельности, оценка их работы.

6.2. Мотивирование домашнего задания.

6.3. Краткий инструктаж по выполнению домашнего задания.

6.4. Вопросы к студентам по восприятию урока.

Список используемой литературы:

1. В.А. Поляков «Электротехника»; Учебное пособие; М. «Просвещение»; 1982, 239 с.
2. А.Е. Зорохович, В.К. Калинин «Электротехника с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1975, 432 с. с ил.
3. А.С. Касаткин «Основы электротехники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1986, 287 с.; ил.
4. В.Е. Китаев «Электротехника с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1980, 254 с.; ил.
5. И.А. Данилов «Общая электротехника»; Программированное учебное пособие для неэлектротехнических специальностей техникумов. М., «Высшая школа»; 1977, 416 с., с ил.
6. А.В. Грищенко, В.В.Стрекопытов «Электрические машины и преобразователи подвижного состава»; Учебное пособие для студентов СПО. М., Издательский центр «Академия», 2005. – 320 с.
7. П.Н. Новиков, В.Я. Кауфман «Задачник по электротехнике с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО. М., «Высшая школа»; 1985. – 232 с., с ил.

К работе прилагаются

Одним из наиболее распространенных электрических устройств является генератор постоянного тока, принцип действия которого основан на таких понятиях, как электромагнитная сила и индукция. Согласно принципу обратимости электрических машин, данное устройство, в конкретных условиях, может выполнять функцию и генератора и электродвигателя. Поэтому, устройство генератора постоянного тока, следует рассматривать в классическом варианте.

Составные части генератора

Генератор постоянного тока состоит из двух основных частей – якоря и станины, где расположены электромагниты. На внутренней стороне станины устанавливаются сердечники полюсов, концы которых имеют полюсные наконечники. С помощью наконечников, магнитная индукция более равномерно распределяется по окружности якоря.

На сердечники надеваются катушки, входящие в состав обмотки возбуждения. Сама станина играет роль замыкающей части. Здесь расположены еще и дополнительные полюса, которые находятся между главными полюсами. Их катушки имеют последовательное соединение с якорем. Дополнительные полюса позволяют избежать появления искр на щетках коллектора, что значительно улучшает коммутацию. Вращающаяся часть устройства называется ротором или якорем, имеющим цилиндрическую форму. Материалом для него служит листовая электротехническая сталь, толщиной до 1 мм. В пазах якоря размещена обмотка, которая соединяется в цепь с коллектором, установленным на якорном валу. Коллектор представляет собой ряд медных пластин, изолированных между собой. Коллектор взаимодействует с угольными или медными щетками, неподвижно установленными в специальных щеткодержателях. Принцип действия генератора

Генератор постоянного тока, принцип действия которого базируется на электромагнитной силе, содержит две электрические цепи –якоря и возбуждения. С помощью постоянного тока, проходящего через цепь возбуждения и обмотку возбуждения, происходит создание основного магнитного поля. В том случае, когда у генератора не два полюса, а четыре, то для обмотки якоря необходимо четыре щетки, попарно соединенные между собой. С помощью этих щеток обмотка разделяется на параллельные ветви, в количестве двух пар.

Уже отмечались обратимые процессы генератора постоянного тока. Когда к первичному двигателю прикладывается посторонняя механическая сила, происходит возбуждение магнитного поля и в якоре появляется электродвижущая сила. После этого, с помощью коллектора и щеток, постоянный ток уходит к внешней цепи. В этом случае устройство работает в качестве генератора. Когда к якорю и обмотке возбуждения подключается постоянное напряжение, то проходящий через обмотку электрический ток, взаимодействует с полем, создавая вращающий момент, который приводит якорь в движение. В таком варианте, устройство функционирует как электродвигатель.