Электрические машины, которые предназначены для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами.
Устройство, которое вырабатывает переменный ток, называют генератором переменного тока.
Принципиальная основа генератора переменного тока
Конструкция генераторов электрического тока в настоящее время основывается на использовании явления электромагнитной индукции.
В генераторах энергия механического движения трансформируется в энергию электрического тока, так сторонние электродвижущие силы (ЭДС) обладают механической природой.
ЭДС можно получить двумя способами:
- если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
- вращаться станет магнитное поле, а катушка будет неподвижна.
Статья: Преобразование механической энергии в электрическую
Допустим, что переменный ток получают при вращении катушки в стационарном магнитном поле. Для упрощения будем полагать, что в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящая рамка (один виток). При этом:
- площадь рамки составляет $\Delta S$,
- скорость ее вращения $\omega$,
- угол между нормалью к плоскости рамки $\vec n$ и вектором магнитной индукции $\vec B$ составляет $\alpha$.
Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:
$Ф’=B\Delta S cos (\alpha) (1).$
В каждый момент времени $t$ положение витка по отношению к вектору магнитной индукции задается при помощи угла $\alpha = \omega t$. В этом случае выражение (1) можно представить как:
$Ф’=B\Delta S cos (\omega t) (2).$
В соответствии с законом электромагнитной индукции в нашем витке появляется ЭДС индукции, равная:
$\epsilon_i’=-\frac{dФ’}{dt}=B\Delta S \omega sin (\omega t) (3).$
При вращении катушки, имеющей $N$ витков магнитный поток равен:
$Ф=NФ’$,
что увеличивает амплитуду ЭДС в $N$ раз, соответственно:
$\epsilon_i=NB\Delta S \omega sin (\omega t) (4).$
Амплитуда ЭДС получается равной:
$\epsilon_m=NB\Delta \omega (5).$
Величину $\epsilon_m$ называют еще амплитудой напряжения, которое создает генератор переменного тока, рассматриваемого вида.
Выражение (5) часто записывают в виде:
$\epsilon_i= \epsilon_m \ sin (\omega t (6).$
Выражение (6) указывает на то, что ЭДС изменяется периодически по гармоническому закону (закону синуса).
Реализация принципа генерации переменного тока
На сегодняшний момент создано и применяют большое число генераторов переменного тока различных конструкций. Например, технический переменный ток получают при помощи генератора, в котором:
- ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
- Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
- Данные кольца укреплены на оси машины с помощью прижимных проводников (щеток), изготавливаемых из меди или графита. Щетки включают в замкнутую цепь тока, не нарушая вращение обмотки.
Для увеличения ЭДС, из формулы (6) следует, что нужно увеличить магнитный поток. С этой целью стараются сделать сопротивление магнитной цепи наименьшим. Поэтому магнитную систему конструируют из пары железных сердечников:
- наружного стационарного сердечника в виде кольца и
- внутреннего, совершающего вращение цилиндра.
Воздушный зазор между сердечниками стараются сделать минимальным.
Генератор, обычно обладает двумя обмотками:
- одной, расположенной в пазах, на внутренней стороне неподвижного сердечника (статора);
- второй, находящейся на внутренней стороне (в пазах) вращающегося сердечника (ротора).
Одна обмотка генерирует магнитный поток, вторая является рабочей, в ней создается переменная ЭДС.
Обратим внимание на один из них – генератор трехфазного тока, который создал М.О. Доливо-Добровольский в 1890 году.
Этот генератор имеет три одинаковые катушки. Их оси находятся в одной плоскости, которая параллельна магнитному полю, при этом углы между осями катушек составляют $120^0 C$. Токи индукции возбуждаются сразу во всех трёх катушках одномоментно, сдвиг фаз этих токов составляет $120^0$. Токи с несколькими фазами дают возможность получать в нагрузке вращающиеся магнитные поля. В этих магнитных полях совершают вращения магниты или замкнутые контуры. Получаемые таким образом токи удобно использовать для трансформации электрической энергии в механическую в электрических двигателях.
Генератор постоянного тока
Для получения постоянного (прямого) тока, переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, с помощью коллектора подлежит выпрямлению.
Коллектор – вращающийся переключатель.
Самый простой генератор постоянного тока:
- может иметь обмотку, которая содержит один виток;
- в состав его коллектора входят два изолированных полуцилиндра из меди, расположенных на оси машины, к этим цилиндрам присоединяют обмоточные концы;
- пара щеток, прижимаемых к пластинам коллектора, реализуют подключение обмотки в цепь тока.
Поясним принципы работы коллектора. Напряжение между концами обмотки коллектора изменяется по гармоническому закону (закон синуса) (6) (рис.1(а)). При каждой половине оборота коллектор коммутирует (осуществляет переключение) концы обмотки. В результате на щетках возникает напряжение, которое можно изобразить кривой рис.1 (б). Данный генератор выдает пульсации тока, у которого постоянно направление, но величина изменяется.
Рисунок 1. Принципы работы коллектора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Поскольку коллектор совершает вращение, то соединяемую с ним обмотку делают вращающейся. Она располагается на внутреннем сердечнике из железа, который находится на оси генератора. Чтобы получить постоянный ток обмотку делят на несколько секций и используют многопластинчатые коллекторы.
В современных генераторах большой мощности используют электромагниты.
Свойства генератора постоянного тока значительным образом зависят от того, каким образом осуществляется соединение обмотки возбуждения с якорем. В зависимости от способа соединения генераторы делят на:
- шунтовые генераторы, в которых реализуется параллельное возбуждение;
- сериесные генераторы, с последовательным соединением;
- компаундные генераторы, в которых используется смешанное возбуждение.
В генераторах первого типа обмотка возбуждения соединяется с якорем параллельно. Ток, питающий электромагнит составляет от 1% до 5% тока якоря. При этом сопротивление обмотки возбуждения существенно меньше сопротивления якоря.
В сериесных генераторах обмотка возбуждения соединена с якорем при помощи последовательного соединения. Так как ток проходит по обмотке возбуждения полностью, для уменьшения потерь напряжения необходимо, чтобы сопротивление обмотки было много меньше, чем сопротивление якоря.
