Среди многих электромеханических устройств следует особо отметить генераторы переменного тока, с помощью которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Они получили широкое распространение в промышленности и других областях. Для того чтобы эксплуатация была наиболее оптимальной, необходимо знать, на каком принципе основана работа генераторов переменного тока. Всем известно, что в основе действия таких агрегатов лежит вращение магнитного поля. Это позволяет максимально упростить их конструкцию и вырабатывать потребное количество электроэнергии.
Составные части и узлы генератора
Основной функцией генератора переменного тока является преобразование механической энергии вращения в электрическое напряжение. Эти устройства могут достигать огромных размеров и использоваться для производства энергии на электростанциях. Маленькие агрегаты применяются не только в промышленности, но и в быту, например, в автомобилях или в качестве резервного источника питания.
Конструкция стандартного генератора состоит из двух основных частей: неподвижного элемента – статора и вращающейся части – ротора. Статор, изготовленный в виде полого цилиндра, содержит магнитную систему. Она представляет собой стальные листы, смонтированные в пакет. Внутри пластин имеются пазы с изоляцией из фторопластовой пленки или другого диэлектрика. Каждый паз содержит обмотку в виде катушки из медного провода, исполняющей роль одной фазы с параллельным или последовательным соединением витков.
Определенная часть катушки выступает из пазов и носит название лобового соединения. В каждой обмотке имеется вывод, соединяющийся в общей точке. На данном месте соединения выполняется изоляция, исключающая соприкосновение с корпусом и другими деталями. Подобное соединение известно, как «звезда», а снятие напряжения осуществляется со всех трех концов.
Вторая основная деталь – ротор, изготавливается в виде массивного стального сердечника и обмотки возбуждения. В большинстве конструкций вал находится в горизонтальном положении, однако на гидроэлектростанциях применяется вертикальное расположение. Охлаждение работающего генератора может быть водяным, воздушным, масляным или водородным.
Принцип действия генераторов
Работа генератора переменного тока основана на электромагнитной индукции. Для получения переменного напряжения требуется задействовать катушку с постоянным электрическим током. Под его воздействием в возбуждающей обмотке образуется магнитное поле. Схема дополняется стальной системой, имеющей полюса для подводки магнитного поля к катушкам. Данная система представляет собой уже рассмотренную статорную обмотку. При вращении ротора, катушки статора поочередно взаимодействуют с разноименными полюсами.
Силовая обмотка статора,как правило, неподвижна. Движение ротора осуществляется с помощью прикладываемой к нему механической энергии. Обычно используется сила ветра, воды, различные виды цепных или ременных передач, способных передавать энергию вращения.
Толчком к началу работы генератора служит подача напряжения к его обмотке возбуждения. Это приводит к созданию электромагнитного поля, которое осуществляет индукцию напряжения в катушках статора под действием вращающегося ротора. Если на обмотке возбуждения увеличивается напряжение, то напряжение автоматически повышается и на катушках статорной обмотки. При уменьшении напряжения происходит обратный процесс. Напряжения на катушку возбуждения может подавать сам генератор. Подобные конструкции относятся к категории самовозбуждающихся устройств.
Как работает трёхфазный генератор переменного тока
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 узелвключает 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 узелявляется 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.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9405 — | 7312 — или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Что ты хочешь узнать?
Ответ
В основе лежит принцип возникновения ЭДС в проводнике при изменении во времени магнитного поля (или движении проводника в неизменном магнитном поле) — явление электромагнитной индукции.
Таким образом, например, если мы в прямоугольном контуре будем вращать постоянный магнит, то в нем возникнет электродвижущая сила.
Далее, в зависимости от устройства способа съема тока с проводника на выходе мы будем получать постоянный или переменный ток.
- Комментарии
- Отметить нарушение
Ответ
Работа генератора переменного тока основана на электромагнитной индукции. Для получения переменного напряжения требуется задействовать катушку с постоянным электрическим током. Под его воздействием в возбуждающей обмотке образуется магнитное поле. Схема дополняется стальной системой, имеющей полюса для подводки магнитного поля к катушкам. Данная система представляет собой уже рассмотренную статорную обмотку. При вращении ротора, катушки статора поочередно взаимодействуют с разноименными полюсами. Силовая обмотка статора,как правило, неподвижна. Движение ротора осуществляется с помощью прикладываемой к нему механической энергии. Обычно используется сила ветра, воды, различные виды цепных или ременных передач, способных передавать энергию вращения. Толчком к началу работы генератора служит подача напряжения к его обмотке возбуждения. Это приводит к созданию электромагнитного поля, которое осуществляет индукцию напряжения в катушках статора под действием вращающегося ротора. Если на обмотке возбуждения увеличивается напряжение, то напряжение автоматически повышается и на катушках статорной обмотки. При уменьшении напряжения происходит обратный процесс. Напряжения на катушку возбуждения может подавать сам генератор. Подобные конструкции относятся к категории самовозбуждающихся устройств.