Содержание

Главная >> Колебания и волны. Физика 11 кл. Мякишев

Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии

§ 3.2. Генератор переменного тока

Простейший генератор переменного тока

Простейшей схемой генератора может служить проводник в виде рамки, вращающейся вокруг оси в магнитном поле между полюсами постоянного магнита или электромагнита (см. рис. 2.3). При вращении рамки с постоянной угловой скоростью в ней возникает ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону — синусоидальная ЭДС.

Если рамку соединить с внешней частью цепи, то в цепи появится переменный ток. Для соединения рамки с внешней частью цепи используются кольца, укрепленные на той же оси, на которой укреплена вращающаяся рамка. Кольца изолированы от оси и друг от друга. К кольцам припаиваются концы рамки, а над каждым кольцом устанавливаются неподвижные пружинящие скользящие контакты — щетки.

Однако простейший генератор, изображенный на рисунке 2.3, даст ничтожно малую ЭДС. Дело в том, что ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего рамку. Но поток, пронизывающий рамку, очень мал, так как мала магнитная индукция поля, создаваемого постоянным магнитом.

Чтобы значительно увеличить ЭДС, полюсам магнита придают специальную форму, способствующую концентрации линий магнитной индукции, а внутрь рамки помещают ферромагнитный (стальной) цилиндр. При этом магнитная индукция (а следовательно, и магнитный поток) возрастает и становится равной = μ₀, где μ — магнитная проницаемость стали, а ₀ — индукция магнитного поля в вакууме (в воздухе). Увеличение магнитного потока, пронизывающего рамку, приводит к увеличению скорости изменения магнитного потока, а значит, и к возрастанию индуцируемой ЭДС.

Электромагнит (или магнит), создающий магнитное поле, называется индуктором, рамка (виток), в которой наводится ЭДС, — якорем. В простейшем генераторе, рассмотренном нами, индуктор неподвижен, поэтому называется статором, а якорь вращается, поэтому называется ротором.

Промышленный генератор

Устройство промышленного генератора переменного тока значительно сложнее рассмотренной выше модели. Во-первых, с клемм генератора нужно снимать достаточно высокое напряжение. Поэтому вместо одного витка необходимо использовать множество витков, соединенных между собой. Во-вторых, при помощи подвижных контактов (щеток и колец) практически невозможно отводить от генератора ток высокого напряжения и сколько-нибудь значительной мощности из-за сильного искрения в подвижных контактах.

По этой причине во всех промышленных генераторах переменного тока обмотку якоря, в которой наводится ЭДС, делают неподвижной. Ее укладывают в пазах внутренней полости статора (рис. 3.1, a). Статор генератора собирается из листовой стали для устранения токов Фуко. Индуктор (электромагнит) в таком генераторе вращается, являясь ротором. Один из типов ротора генератора показан на рисунке 3.1, б. На магнитные полюсы ротора надета обмотка (обмотка возбуждения), по которой пропускается постоянный ток. Этот ток подводится к обмотке возбуждения через щетки и кольца от специального генератора постоянного тока — возбудителя. Якорь возбудителя расположен на одном валу с ротором генератора переменного тока. Однако в последнее время чаще всего постоянный ток в обмотку возбуждения (ротора) подается из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель. Возбудитель тогда не нужен. Сердечник ротора тоже набирается из листовой стали для борьбы с вихревыми токами.

На рисунке 3.1, в показана полная схема генератора переменного тока. При равномерном вращении ротора с помощью какого-нибудь двигателя вместе с ним вращается и создаваемое им магнитное поле. Линии индукции этого поля будут пересекать проводники, вложенные в пазы статора, и индуцировать в них ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону:

е = _m sin ωt.                     (3.2.1)

Многополюсные генераторы переменного тока

Если ротор генератора имеет одну пару полюсов (см. рис. 3.1, б), то частота ЭДС, индуцируемой в генераторе, оказывается равной частоте вращения ротора, так как один оборот ротора соответствует одному периоду индуцируемой ЭДС. Для получения ЭДС с частотой ν = 50 Гц двигатель, приводящий в движение ротор генератора с одной парой полюсов, должен вращаться с частотой 50 с^-1. Некоторые двигатели (например, водяные турбины) не могут развивать такие скорости вращения. Поэтому, кроме генераторов с одной парой полюсов, изготавливаются многополюсные генераторы, у которых ротор имеет несколько пар полюсов. В этом случае частота наведенной в генераторе ЭДС равна

ν = рn,                     (3.2.2)

где р — число пар полюсов ротора генератора, а n — частота его вращения.

Роторы генераторов, установленных на тепловых электростанциях, имеют одну пару полюсов. Такие генераторы (турбогенераторы) называются быстроходными. Для получения стандартной частоты в 50 Гц такой ротор должен совершать 3000 оборотов в минуту. Эти роторы имеют цилиндрическую форму. Обмотка возбуждения уложена в пазы вдоль образующих цилиндра и хорошо закреплена.