Что такое индуктор в генераторе

1. Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Проведём опыт по получению индукционного тока. Будем вдвигать и выдвигать постоянный магнит в катушку, соединённую с гальванометром.

Рис. \(1\). Опыт по получению индукционного тока

Можно наблюдать отклонение гальванометра в одну и другую стороны. Это значит, что по катушке течёт индукционный ток, у которого изменяется как модуль, так и направление с течением времени. Такой ток называется переменным током .

Переменный ток создаётся и в замкнутом контуре изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим его площадь. Изменение магнитного потока связано с изменением индукции магнитного поля. Величину магнитного потока можно изменить, поворачивая контур (или магнит), то есть меняя его ориентацию по отношению к линиям магнитной индукции.

Этот принцип получения переменного электрического тока используется в механических индукционных генераторах — устройствах, преобразующих механическую энергию в электрическую. Основные части: статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть).

Рис. \(2\). Схема генератора: \(1\) — корпус; \(2\) — статор; \(3\) — ротор; \(4\) — скользящие контакты (щётки, кольца)

В промышленном генераторе статором является цилиндр с прорезанными внутри него пазами, в которые уложен витками провод из меди с большой площадью поперечного сечения (аналогично рамке). Переменный магнитный поток в таких витках порождает переменный индукционный электрический ток.

Ротор — это постоянный магнит или электромагнит. Электромагнит представляет собой обмотку с железным сердечником внутри, по которому течёт постоянный электрический ток. Он подводится от внешнего источника тока через щётки и кольца .

Какая-либо механическая сила (паровая или водяная турбина) вращает ротор. Вращающееся одновременно с ним магнитное поле образует изменяющийся магнитный поток в статоре, в котором возникает переменный электрический ток.

Принцип работы индукторного генератора

Индукторным называется генератор, у которого в режиме холостого хода магнитная индукция в любой точке поверхности расточки статора изменяется только по величине без изменения знака.

Принцип действия любого генератора основан на законе Фарадея.

, (1)

где – число витков в катушке;

– магнитный поток;

t— время.

, (2)

где – магнитодвижущая сила (МДС) в рабочем воздушном зазоре;

– магнитная проводимость рабочего воздушного зазора.

В индукторных генераторах изменение магнитного потока происходит при изменении магнитной проводимости рабочего воздушного зазора.

.

Для этого ротор выполняется в виде стальной звезды, то есть имеет зубцы и впадины.

Рисунок 1 – Зависимость магнитного патока от времени: а) – клювообразный генератор;

б) – индукторный генератора.

Магнитный поток в индукторном генераторе содержит в себе две составляющие: постоянную и переменную . Постоянная составляющая не участвует в наведении электродвижущей силы в обмотке статора. Она рассчитывается по следующему соотношению:

,

В наведении электродвижущей силы участвует переменная составляющая магнитного потока:

.

Преимущества и недостатки индукторного генератора

Преимущества индукторного генератора перед генератором с клювообразным ротором :

1. больший срок службы (он ограничивается сроком службы подшипников – 300-350 тысяч километров пробега автомобиля, а у генератора с клювообразным ротором сроком службы контактного узла -150-180 тысяч километров пробега автомобиля);
2. повышенная надежность, связанная с отсутствием контактного узла.

Недостатки индукторного генератора:

1. вес и размеры индукторного генератора при прочих равных условиях больше чем у генератора с клювообразным ротором. Это связано с двумя причинами.
   1. За счет осевых участков прохождения магнитного потока длина магнитопровода индукторного генератора больше, чем у генератора с клювообразным ротором.

Рисунок 2- Магнитная цепь индукторного генератора

1. Площадь сечения магнитопровода определяется по формуле:

S= , (3) где -максимальное значение магнитного потока в магнитопроводе, 1,6-1,7 Тл – максимально допустимая величина индукции в магнитопроводе. Из рисунка 1 видно, что для генераторов с клювообразным ротором : , а для индукторного генератора : . В образовании электродвижущей силы принимает участие только переменная составляющая магнитного потока-. Поэтому при одном и том же значении величина и площадь сечения магнитопровода у индукторного генератора будет больше, чем у генератора с клювообразным ротором. а) Худшее качество напряжения, связанное с наличием в выходном напряжении индукторного генератора пульсаций значительно больших ,чем у генераторов с клювообразным ротором.

1. У индукторного генератора звуковые шумы больше, чем у генератора с клювообразным ротором.

Вывод формулы для определения величины электродвижущей силы индукторного генератора Пусть положение оси первого зубца ротора относительно оси первого зубца статора задается величиной Y, где — угловая скорость поворота ротора относительно статора в эл.град./сек, — время поворота в секундах. Введем понятие удельной магнитной проводимости , то есть магнитной проводимости рабочего воздушного зазора, приходящейся на единицу длины статора. , где – длина пакета статора. При вращении ротора удельная проводимость изменяется во времени также как и (рисунок 3). Рисунок 3 – Зависимость удельной магнитной проводимости от времени. . Форма кривой далека от синусоиды. Эта функция является периодической и ее можно разложить в ряд Фурье: , где — постоянная составляющая удельной магнитной проводимости рабочего воздушного зазора, и так далее – амплитуды первой, второй и последующих гармоник разложения в ряд Фурье удельной магнитной проводимости рабочего воздушного зазора. В ряде Фурье присутствуют только косинусоидальные члены, так как данная функция является четной. Математическое выражение для магнитного потока имеет следующий вид: Учитывая формулу (1) можем записать: Отсюда: , где – мгновенное значение первой гармоники фазной электродвижущей силы. . – амплитудное значение первой гармоники фазной электродвижущей силы. Учитывая, что , можем записать: . Для получения действующего значения первой гармоники фазной электродвижущей силы — необходимо амплитудное значение разделить на _:. . (4) Полное действующее значение фазной электродвижущей силы генератора находится из следующего соотношения: , (5) где – коэффициент гармоник, учитывающий высшие гармоники. Этот коэффициент выражается следующим соотношением: k=. (6) Для расчета электродвижущей силы в общем случае используется суммарная удельная магнитная проводимость зубцов статора, охваченных витком обмотки статора и разложение в ряд Фурье: Формула для расчета электродвижущей силы индукторного генератора в общем случае принимает вид: , (7) k=. (8) Расчет магнитных проводимости рабочего воздушного зазора индукторного генератора Для ручного расчета магнитных проводимостей рабочего воздушного зазора индукторного генератора применяют метод Поля. При использовании этого метода принимаются следующие допущения:

1. поле в воздушном зазоре между ротором и статором является плоскопараллельным (рисунок 4, а);
2. магнитные силовые линии в пазах ротора и статора являются дугами окружностей, проведенными из ребер зубцов (рисунок 4, б);
3. для учета поправки на первые два допущения, стенки зубцов принимаются наклоненными к горизонту на угол , равный 1…1,1 радиан (рисунок 11.3, в).

Рисунок 4 – Допущения при расчете проводимости в воздушном зазоре методом Поля. Картина поля индукторного генератора для каждого положения оси первого зубца ротора относительно оси первого зубца статора разбивается на отдельные зоны проводимости с одинаковой формой силовых линей в рабочем воздушном зазоре (рисунок 5). Рисунок 5 – Зоны проводимости индукторного генератора.

1. проводимость между цилиндрическими поверхностями зубцов статора и ротора, выходящими в воздушный зазор(см. рисунок 5, а) ;
2. проводимость между сбегающей боковой поверхностью зубца статора и цилиндрической поверхностью зубца ротора (см. рисунок 5, а);
3. проводимость между сбегающей боковой поверхностью зубца статора и набегающей боковой поверхностью зубца ротора (см. рисунок 5, б);
4. проводимость между сбегающими боковыми поверхностями зубцов статора и ротора (см. рисунок 5, в);
5. проводимость между набегающей боковой поверхностью зубца статора и цилиндрической поверхностью зубца ротора (см. рисунок 5, г);
6. проводимость между набегающей боковой поверхностью зубца статора и сбегающей боковой поверхностью зубца ротора (см. рисунок 5, б);
7. проводимость между цилиндрической поверхностью зубца статора и сбегающей боковой поверхностью зубца ротора (см. рисунок 5,д);
8. проводимость между набегающей поверхностью зубца статора и набегающей боковой поверхностью следующего зубца ротора (см. рисунок 5, е);
9. проводимость между цилиндрической поверхностью зубца статора и набегающий боковой поверхностью следующего зубца ротора (см. рисунок 5, ж);
10. проводимость между набегающей боковой поверхностью зубца статора и цилиндрической поверхностью следующего зубца ротора (см. рисунок 5, з);
11. удельная проводимость между торцевыми поверхностями зубцов статора и ротора.

Исходя из вышесказанного, полная магнитная проводимость между первым зубцом статора и ротором будет равна сумме проводимостей всех зон. Для примера рассмотрим расчет удельной проводимости первой зоны. При этом примем, что ширина зубца ротора больше ширины зубца статора. Обозначим буквой линейное расстояние между осями первых зубцов статора и ротора (см. рисунок 6). Рисунок 6 – Линейное расстояние между осями зубцов ротора и статора. Оно выражается следующим соотношением: , где – диаметр расточки статора; – электрический угол поворота первого зубца ротора относительно первого зубца статора; , где – угол поворота первого зубца ротора относительно первого зубца статора, измеряемый в градусах; – число зубцов ротора или число пар полюсов для индукторного генератора. Удельная магнитная проводимость в первой зоне вычисляется по следующей формуле: , где – магнитная постоянная, равная 4π·10 -7 Гн/м; – площадь зоны ; – длина воздушного зазора. Если перемещать зубец ротора относительно зубца статора, можно выделить два промежутка существования зоны с границами, показанными на рисунке 7, а, б, в.. Рисунок 7 – К примеру расчета проводимости первой зоны. Первый промежуток соответствует неравенству (10.9). , (9) где и – ширина зубца статора и ротора соответственно. Для этого промежутка площадь зоны будет выражена следующим соотношением: Отсюда удельная проводимость первого промежутка: . (10) Второй промежуток соответствует неравенству (11). . (11) Площадь зоны для этого промежутка: Отсюда удельная проводимость второго промежутка: . (12) Таким образом, порядок расчета полной проводимости воздушного зазора следующий:

1. задаются величинами через 5…10 градусов;
2. рассчитывают значение для каждого ;
3. по значениям определяют формулы для расчета проводимостей зон;
4. суммируют все проводимости зон для данного угла;
5. переходят к следующему углу и так далее;
6. по результатам расчета строится зависимость ( рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость удельной магнитной проводимости от времени Расчет суммарной удельной магнитной проводимости зубцов статора, охваченных витком обмотки статора , осуществляется используя результаты расчета зависимости по следующим формулам. При выполнении обмотки статора с числом зубцов статора на полюс и фазу : = При выполнении обмотки статора с : =++, где — число зубцов статора и ротора соответственно. Определение параметров ведется методом численного интегрирования.█ Форма фазного напряжения индукторного генератора Обычно в индукторном генераторе ширина зубца статора и ротора одинакова. В этом случае зависимость магнитной проводимости в воздушном зазоре от времени имеет форму близкую к трапеции (см. рисунок 8). Рисунок 8 – Форма фазного напряжения индукторного генератора. Для любой гармоники трехфазного генератора, имеющего форму фазного напряжения, показанную на рисунке 11.7 можем записать: , где – номер гармоники; – амплитудное значение ЭДС соответствующей гармоники. Для первой гармоники . Для второй гармоники . Отсюда видно, что амплитуда второй гармоники составляет более 50% от амплитуды первой гармоники. Это свидетельствует о сильных искажениях фазного напряжения.

Лабораторная работа 42

Ознакомление с принципом работы и конструкцией электромашинных преобразователей частоты индукторного типа и исследование рабочих характеристик индукторного генератора.

2. Необходимые теоретические сведения

Электромашинные преобразователи частоты нашли широкое применение в качестве источников питания установок индукционного нагрева, работающих на повышенно-средних частотах 0,5 – 10 кГц. Следует отметить однако, что в последние десятилетия идет процесс замены этих преобразователей полупроводниковыми, в частности, тиристорными преобразователями частоты, обладающими целым рядом преимуществ.

Конструктивно электромашинный преобразователь частоты состоит из двух основных частей: индукторного генератора и приводного электродвигателя. В качестве приводных двигателей могут быть как асинхронные, так и синхронные (для мощных преобразователей). Индукторный генератор, как и синхронный, возбуждается постоянным током. Однако, если у синхронных машин обмотки возбуждения и рабочие обмотки переменного тока перемещаются относительно друг друга при вращении ротора, то в индукторных машинах изменение взаимосвязи между обмотками происходит за счет вращения ферромагнитной массы ротора. При этом на роторе никаких обмоток нет или, по крайней мере, размещение их на роторе необязательно [3].

2.1. Принцип работы индукторного генератора

Статором индукторного генератора является его внешняя неподвижная часть, в пазах которой расположены обмотка переменного тока РО и обмотка возбуждения ОВ. Обмотка возбуждения питается постоянным током. Внутреннюю вращающуюся часть генератора называют ротором и ему придается зубчатая форма, аналогичная форме ротора обыкновенной синхронной машины (рис.42.1). Полузакрытые пазы статора имеют шаг, равный половине зубцового деления ротора, то есть на каждое зубцовое деление ротора приходится два зубцовых деления статора.

Если по обмотке возбуждения протекает постоянный ток, то в магнитной цепи генератора возникнет магнитный поток. Независимо от положения ротора большая часть потока будет всегда проходить через зубцы ротора, и только незначительная часть пройдет по пазам.

Если ротор неподвижен, то в магнитной цепи будет существовать постоянный магнитный поток, никакой переменной ЭДС не возникнет.

При вращении ротора положение его зубцов по отношению к зубцам статора будет меняться. На рис.42.2 показаны четыре позиции взаимного расположения зубцовых зон ротора и статора при вращении ротора.

Рис.42.2. Взаимное расположение зубцовых зон ротора и статора

при перемещении ротора (I – IV позиции)

В позиции I каждый зубец статора С1, С3 и С5 точно находится против зубца ротора Р1, Р2, Р3, а зубцы статора С2, С4, С6 – против впадины на роторе. Весь магнитный поток концентрируется в воздушном зазоре между зубцами.

В позиции II все зубцы статора находятся в одинаковом положении относительно зубцов ротора. Магнитный поток разделен равномерно между ними.

В позиции III ротор повернулся на один полюсный шаг статора (зубец плюс впадина статора или зубец плюс ½ впадины ротора). Зубцы статора С1, С3, С5, которые имели в позиции I наибольшую плотность потока, сейчас его не имеют, а зубцы С2, С4 и С6 – наоборот.

Позиция IV повторяет позицию I. В позиции I и IV проводники статорной обмотки 1, 3, 5 имеют максимум плотности магнитного потока в зубцах С1, С3, С5 слева, а обмотки 2, 4, 6 – справа (по направлению вращения). В позиции III они меняются местами. Следовательно, при перемещении ротора обмотки статора пересекаются изменяющимся от максимума до минимума магнитным потоком, и в них возбуждается ЭДС. При этом, когда поток в обмотках увеличивается (при переходе витков 1, 3 и 5 из позиции I в позицию III), ЭДС в них возбуждается в одном направлении, а когда исчезает – в обратном. Таким образом, за время перемещения ротора на один полюсный шаг (зубец плюс впадина ротора) в каждом проводнике статорной обмотки произойдет полный цикл изменения напряжения. В связи с тем, что число полюсных шагов ротора равно числу его зубцов, частота получаемого напряжения будет равна

, Гц,

где Z – число зубцов ротора; п – частота вращения, об/мин.

При одинаковом числе зубцов на роторе и одинаковой скорости вращения частота у индукторного генератора вдвое выше, чем у обыкновенной синхронной машины.

2.2. Конструкция индукторных генераторов

Существует большое количество модификаций генераторов индукторного типа, причем это разнообразие касается не столько конструктивных элементов, сколько конфигурации магнитной цепи и схем обмоток.

В основу классификации индукторных генераторов целесообразно положить характер изменения потока зубца ротора при вращении последнего. Могут быть следующие случаи: а) поток зубца статора по абсолютной величине практически постоянен; б) поток зубца статора периодически изменяется по абсолютной величине с частотой, близкой или равной основной частоте генератора.

Известны два основных типа индукторных генераторов:

1) одноименнополюсные (гомополярные);

2) разноименнополюсные (гетерополярные).

Исторически первыми появились гомополярные машины. На рис.42.3 показана активная часть такого однофазного генератора с простейшей конфигурацией зубцовой зоны. Пакеты статора всегда набираются из листовой электротехнической стали. Ротор в некоторых случаях выполняется также шихтованным, а иногда, особенно при больших окружных скоростях, массивным. Корпус машины и втулка ротора всегда выполняются массивными из ферромагнитного материала.

Рис.42.3. Схематический вид двухпакетного одноименнополюсного генератора: а – продольный разрез; б – поперечный разрез

Ток возбуждения создает магнитный поток, путь которого обозначен на рис.42.3 пунктирной линией. Катушки обмотки статора (якоря) имеют шаг, равный или близкий к зубцовому делению статора или половине зубцового деления ротора.

Кривая распределения магнитного потока в воздушном зазоре изображена на рис.42.4. Таким магнитный поток называют пульсирующим, он содержит постоянную составляющую и переменную. Благодаря переменной составляющей магнитного потока, которая появляется только при вращении ротора, в статорной обмотке наводится переменнаяЭДС.

Рис.42.4. Кривая распределения магнитного потока

Рис.42.5. Схематический вид однопакетного одноименнополярного генератора

аличие двух пакетов, как это показано на рис.42.3, не является характерным для одноименнополюсного генератора. В некоторых случаях при небольших габаритах генератора один из пакетов статора и ротора заменяется массивным магнитопроводом, и последний может быть совмещен с подшипниковым щитом (рис.42.5). В этом случае статор и ротор имеют по одному пакету, конструкция генератора упрощается, и стоимость его снижается.

Соединяя витки обмотки статора в секции и сами секции последовательно или параллельно, можно получить генераторы на различные номинальные напряжения и ток. В гомополярной машине ротор не перемагничивается, поэтому он и не нагревается, что является серьезным преимуществом его перед другими типами генераторов. К недостаткам такой конструкции следует отнести наличие остаточного напряжения даже при токе возбуждения, равном нулю.

Гетерополярные (разноименнополюсные) генераторы отличаются от рассмотренных размещением обмотки возбуждения. Геометрия активной части такого генератора при простейшей конфигурации зубцовой зоны изображена на рис.42.6.

Рис.42.6. Схематический вид разноименнополюсного генератора:

а – продольный; б – поперечный разрезы

В разноименнополюсном генераторе ротор при вращении перемагничивается, и поэтому он всегда выполняется шихтованным. Пакет статора обычно также выполняется шихтованным, хотя спинка статора может быть выполнена и массивной.

В пакете статора наряду с пазами, в которых размещается обмотка переменного тока, имеются пазы обычно большего размера и параллельные валу, в которых размещаются катушки возбуждения.

Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направление которого на рис.42.6,б показано пунктиром. Принцип работы такого генератора на участке между двумя большими пазами тот же, что и у одноименнополюсного генератора; таким образом, участок дуги статора, заключенный между двумя большими пазами, соответствует одному пакету одноименнополюсного генератора.

Следовательно, гетерополярные машины имеют не одну, а несколько магнитных цепей (полюсов). Чаще всего их четыре (рис.42.6,б), хотя может быть и больше. Число пазов обмотки возбуждения равно числу полюсов.

Сравнивая однополярные и гетерополярные генераторы, можно отметить следующее:

1. Частота ЭДС, наведенной в статорной обмотке генератора, независимо от конфигурации зубцовой зоны, определяется только числом зубцов ротора и его скоростью вращения.
2. Масса однополярных генераторов больше для одной и той же мощности, частоты и скорости вращения ротора.
3. П Рис.42.7. Схема замещения индукторного генератора отокосцепление обмотки статора в большинстве исполнений изменяется только по величине, без изменения знака, хотя могут быть случаи, когда оно изменяется как по величине, так и по знаку, например, у генераторов с пульсирующим потоком.
4. Вследствие наличия массивных участков магнитной цепи переходные процессы в однополярных генераторах протекают медленнее, чем в разноименнополюсных генераторах.
5. Независимо от вида исполнения индукторные генераторы создают большой шум, что требует установки электромашинных преобразователей в отдельные помещения.