Закон на котором основан принцип действия электрического генератора называется

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

16. Закон электромагнитной индукции (две формулировки). Принцип действия простейшего генератора.

1. Закон по Максвеллу читается следующим образом: индуктированная э.д.с. равна взятой с обратным знаком первой производной от потокосцепления по времени.

Знак минус в формулировке Максвелла позволяет математически точно определить направление индуктированной э.д.с. в соответствии с принципом Ленца.

Принцип Ленца (закон электромагнитной инерции) был сформулирован этим ученым в 1833 году: при изменении магнитного потока в электрической цепи индуктируется э.д.с. такого направления, что вызываемый ею ток стремится воспрепятствовать причине, вызывающей эту э.д.с., то есть изменению магнитного потока.

2.

В соответствии с равенством (21) закон электромагнитной индукции по Фарадею формулируется следующим образом:

э.д.с. е, индуктированная в проводнике, движущемся в неподвижном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника l, скорости проводника v и синуса угла α между векторами индукции и скорости.

Можно упрощенно так сформулировать этот закон: э.д.с. – это количество магнитных силовых линий, пересеченных проводником в единицу времени, считая, что точное вычисление самой э.д.с. проводится по формуле (21),

где е– э.д.с. в вольтах (В);

В– индукция магнитного поля в тесла (Тл);

l– длина проводника в метрах (м);

v– скорость в метрах в секунду (м/с).

Направление индуктированной э.д.с. определяется по правилу правой руки.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. рассмотрим принцип действия простейшего генератора (рис. 132). Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полуколец, называют коллектором, а каждое полукольцо — пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда э.д.с, индуктируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.

С помощью коллектора переменная э.д.с, индуктируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток.

17. Однофазный переменный ток. Параметры и способы изображения синусоидальных величин. Мгновенные и действующие значения электрических величин.

Переме́нный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Переменный ток, полученный при помощи вращения в магнитном потоке проводника или системы проводников, соединенных в одну катушку, называется однофазным переменным током.

Сила тока в отдельные моменты при изменении его по синусоиде носит название мгновенных значений тока.

Мгновенные значения тока i , напряжения u или ЭДС запишем в виде:

i=Im sin (ωt+ψi),

u=Um sin (ωt+ψu),

e=Em sin (ωt+ψe).

Аргумент синуса (ωt +ψ) называется фазой. Угол ψ равен фазе в начальный момент времени t =0 и поэтому называется начальной фазой.

Угловая частота ω связана с периодом T и частотой f =1/Т формулами:

ω = 2π/Т или ω = 2πf.

Частота f, равная числу колебаний в 1с, измеряется в герцах (Гц).

Наибольшее по величине мгновенное значение однофазного переменного тока при изменении его по синусоиде называется амплитудой.

Время, в течение которого индуктированная э. д. с. (или сила тока) проходит весь цикл изменений, называется периодом Т.

Величина, обратная периоду, называется частотой (f). Иначе говоря, частота переменного тока есть число периодов в единицу времени, т. е. в секунду.

Действующее значение переменного тока — это значение постоянного тока, при котором за период переменного тока в проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при переменном токе.

Действующее значение переменного тока равно такому постоянному току, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, за то же время выделяет такое же количество энергии.

Аналогично зависимость между действующим и амплитудным значениями для напряжения U и Е имеет вид: U = Um / √2,E= Em / √2

Синусоидальные электрические величины могут быть представлены различными способами.

1. Аналитически — как тригонометрические функции времени; 2. Графически — как проекция вектора , вращающегося с угловой скоростью(радиан в секунду), на вертикальную ось. Изменяя аргументот нуля до, рассмотрим проекциюна вертикальную ось и строим график функцииe(t) в координатах или (t, e). 3. Векторный способ изображения состоит в замещении нескольких синусоидальных функций

4. Комплексными числами. Синусоидально изменяющуюся электрическую величину можно представить комплексным числом и изобразить в виде вектора на комплексной плоскости с прямоугольной системой координат.

Комплексное число состоит из действительной (вещественной) и мнимой частей. По оси ординат откладывают мнимую часть комплексного числа, а ось обозначают +j; по оси абсцисс – действительную часть комплексного числа, а ось обозначают +1.

На комплексной плоскости синусоидальная величина может изображаться в виде модуля и аргумента или в виде двух составляющих вектора, направленных по действительной и мнимой осям.

Введение в.1. Принцип действия электрических генераторов и двигателей

Электрические машины широко распространены в различных отраслях народного хозяйства, энергетике, быту. Связано это с их высокими энергетическими показателями, удобством обслуживания и управления. Существует большое разнообразие электромашин по назначению, принципу действия, мощности, размерам.

Электрические машины – это электромеханические преобразователи, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую (электрические двигатели) или механической – в электрическую (электрические генераторы).

В основе принципа действия электрических генераторов лежит закон электромагнитной индукции:

Согласно этому закону при вращении проводника в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС е. B – индукция магнитного поля в точке расположения проводника, l – активная длина проводника (длина проводника, на протяжении которой он находится в магнитном поле), – скорость движение проводника в магнитном поле. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.

Для увеличения ЭДС в магнитном поле располагают не один, а ряд последовательно соединенных проводников, которые образуют обмотку. Обмотка располагается на сердечнике, выполненном из стали. Та часть машины, на которой располагается обмотка, в которой индуцируется основная ЭДС, называется якорем, а сама обмотка – обмоткой якоря. По обмотке якоря протекает ток нагрузки.

Магнитное поле электрической машины сосредоточено в магнитной системе, которая выполняется из ферромагнитных материалов. Это позволяет получить более сильное магнитное поле. Конструктивно магнитная система электрической машины состоит из вращающейся части и неподвижной части , между которыми имеется воздушный зазор (рис. 1). Неподвижная часть магнитной системы вместе с размещенной на ней обмоткой и корпусом, называется статором. Вращающаяся часть магнитной системы с обмоткой называется ротором. Ротор вращается в подшипниках.

1 – статор, 2 – ротор, 3 – подшипниковые щиты, 4 – подшипники

Рис. 1. Магнитная система трансформатора

В зависимости от назначения и типа машины обмотка якоря может располагаться на роторе или на статоре. Ротор вращается в подшипниках. Тогда на другой части машины располагается обмотка возбуждения, создающая магнитное поле в машине. В генераторах ротор приводится во вращение посторонним двигателем (турбиной), который называется приводным двигателем. Если к обмотке якоря подключить внешнее сопротивление, то по обмотке потечет ток и машина будет отдавать электрическую энергию в нагрузку.

Электродвигатели конструктивно устроены так же, как и электрогенераторы. Для работы машины в режиме двигателя необходимо подвести напряжение к обмотке якоря. Тогда по проводникам обмотки якоря потечет ток, при взаимодействии которого с магнитным полем возникает момент, приводящий во вращение ротор двигателя. Направление вращения определяется правилом левой руки.

Электрические генераторы являются основными источниками электрической энергии. Электрические двигатели приводят в движение станки, транспортные средства и другие механизмы. Более половины всей вырабатываемой электрической энергии потребляют электродвигатели.

Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает, что взаимное преобразование энергии может происходить в любом направлении, то есть, по принципу действия электрическая машина может работать как в режиме генератора (если к ней подводится механическая энергия, преобразуемая в электрическую), так и в режиме двигателя (если к машине подводится электрическая энергия для преобразования в механическую). Вместе с тем конструктивно любая машина предназначена для работы в каком-то одном режиме.

3.1. Принцип действия генератора

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной ин­дукции, со­гласно которого при движении проводника в магнитном поле при пересечении про­водником магнитных силовых линий в проводнике индуци­руется ЭДС, пропорцио­нальная величине электромагнитной индукции, ско­рости движения проводника, длине проводника в магнитном поле:

Е=BlV × sinά, где ά – угол между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий. Таким образом, мак­симальное значение ЭДС получается, когда угол ά = 90°, то есть движение происходит под прямым углом.

При ά = 0° проводник скользит вдоль магнитных силовых линий и ЭДС при этом не индуцируется. Направление тока в проводнике при замкнутой цепи можно опреде­лить по правилу правой руки: Если правую руку по­местить между полюсами магнита так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отведённый в сто­рону большой палец совпадал с направлением движения проводника, то остальные пальцы по­кажут направление тока.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике в виде рамки, вра­щающейся принудительно в поле постоянного магнита (рис.3.1. и 3.2.).

Если рамка изначально располагается в горизонтальной плоскости, угол между силовыми ли­ниями и направлением движения проводников рамки ά = 0°, соответст­венно и ЭДС = 0. По мере поворота рамки появля­ется составляющая вектора дви­жения про­водников, перпендикулярная по от­ношению к магнитным силовым линиям.

Рис.3.1. Вращение рамки в поле постоянного магнита.

Появляется и ЭДС, которая по мере поворота рамки растёт по закону синусоиды, так как по закону синуса возрастает составляющая движения проводников, перпенди­кулярная к магнитным силовым линиям. При пово­роте рамки на угол 90° угол между направлением движения и магнитными силовыми линиями составляет 90°. При этом ЭДС достигает максимального значения. При дальнейшем повороте рамки составляющая вектора движения проводников, пераендику-

Рис. 3.2. Изменение направления движения ветвей рамки при её враще­нии

лярная по отноше­нию к магнитным силовым ли­ниям снова начинает убывать, уменьшается значение sinά , что приводит к уменьшению ЭДС. При ά =180° sinά = 0. Таким образом при повороте рамки на угол от 0° до 180° ЭДС сначала растёт, достигая максимума при угле 90°, а затем уменьшается до нуля.

Затем процесс повторяется. Но ввиду того, что составляющая вектора движения, перпендикулярная к магнитным силовым линиям, направлена в противоположную сторону, скорость теперь имеет знак « — » (минус). График изменения ЭДС в зависимости от угла поворота рамки представляет собой синусоиду (рис.3.3,).

Таким образом на выходе устройства получен переменный ток, час­тота которого прямо пропорциональна частоте вращения рамки.

Для получения постоянного тока необходимо использовать устройство, переключающее проводники рамки при достижении нулевого значения ЭДС.

Рис. 3.3. Зависимость E от угла поворота рамки.

Такое устройство в генераторах и электродвигателях постоянного тока получило название коллектор. Для рамки простейшим коллектором являются два полукольца 3, которые соединены с концами проводников рамки (рис.3.4.).С полукольцами контактируют щётки 4, которые с определённым усилием прижимаются к поверхности полуколец (поверхности коллектора), образуя скользящий контакт. Щётки, в свою очередь, соединены с внешней электрической цепью.

Рис. 3.4. Принцип построения генератора постоянного тока

Как было рассмотрено ранее, при нахождении рамки в горизонтальной плоскости ЭДС равна нулю. При вращении рамки ЭДС начинает расти и дос­тигает максимума при повороте на угол 90°, после чего начинает убывать и при повороте на угол 180° становится равной нулю.

При этом рамка занимает такое же положение, как в начальный момент времени. Разница только в том, что ветви рамки поменялись местами. По­этому при продолжении вращения рамки ЭДС снова начнёт расти, что обес­печивает коммутация с помощью коллектора. При этом график зависимости ЭДС от угла поворота будет состоять только из положительных полуволн. Таким образом из переменного тока получен пульсирующий.

Рис. 3.5. Зависимость Е от угла поворота рамки при использовании двух полуколец

Если взять две рамки, расположенных по отношению друг к другу под углом 90°, а коллектор представить в виде кольца, разрезанного на четыре части, то график зависимости ЭДС от угла поворота рамки будет выглядеть, как огибающая для двух одинаковых графиков, построенных для одной рамки (рис.3.5), со сдвигом 90°. Таким образом, зависимость ЭДС от угла по­ворота будет выглядеть, как относительно небольшая пульсация относи­тельно среднего уровня.

Рис. 3.6. Зависимость Е от угла поворота при использовании двух ра­мок, расположенных под углом 90° друг к другу

Увеличивая количество рамок (количество витков якорной обмотки ге­нератора) и количество контактных элементов коллектора, можно получить практически постоянное значение ЭДС.

Реальный генератор состоит укрупнено из трёх функциональных узлов:

Статор (рис.3.7.) представляет собой неподвижную часть генератора с выполненными в нём катушками обмотки возбуждения, полюсами и щётко­держателем. С торцевой части статора находится подшипниковый щит. На одной из торцевых частей для подвода охлаждающего воздуха крепится пат­рубок, соединённый со специальным воздухозаборником на мотогондоле. С противоположной стороны нагретый воздух выходит через жалюзи.

Рис.3.7. Устройство генератора постоянного тока

1 – коллектор; 2 – щётки; 3 сердечник якоря; 4 – главный полюс; 5 – катушка обмотки возбуждения; 6 – корпус; 7 –подшипниковый щит; 8 вентилятор; 9 – об­мотка якоря.

Якорь (ротор) находится внутри статора. Его вал вращается на шари­коподшипниках. На якоре выполнена рабочая обмотка генератора, в витках которой аналогично рассмотренному индуцируется ЭДС. Для снятия элек­троэнергии на валу якоря установлен коллектор (1), который выполняют в виде цилиндра с расположенными на нём пластинами из твёрдотянутой меди. На противоположном конце вала расположена крыльчатка вентилятора (8), благодаря которой обеспечивается принудительное охлаждение генератора на земле, при неподвижном самолёте.

Коллекторно-щёточный узел включает в себя коллектор и щётко­держатель с расположенными в нём щётками (2). Щётки (рис.3.8) изготавли­вают из материалов, содержащих углерод, обеспечивающих низкое электри­ческое сопротивление и высокую износостойкость. Щётки свободно переме­щаются внутри щёткодержателей и с помощью тарированных пружин с за­данным усилием прижимаются к поверхности коллектора. Коллекторно-щё­точный узел является слабым местом генератора постоянного тока. В про­цессе эксплуатации необходим контроль высоты щёток и состояния коллек­тора с целью определения степени их износа. При повышенной

Рис.3.8. Щётки малой (а) и большой (б) мощности.

степени износа щёток возможно их зависание, что может привести в полёте к отказу генератора.

Наличие коллекторно-щёточного узла является основным недостатком генераторов постоянного тока. При передаче через скользящий контакт большой мощности происходит интенсивное искрение и выгорание как щё­ток, так и коллектора. В мировой практике для самолётных генераторов по­стоянного тока принято ограничение по мощности 18 кВт.