Электрогенератор физика это: Генератор переменного тока — Генератор переменного тока состоит он из неподвижной части, которая называется статор или якорь и вращающейся части — ротор или индуктор

Генератор переменного тока: устройство, виды, выбор

Один из вариантов обеспечения электропитания — генератор переменного тока. Эта установка может быть как основным вариантом, так и только на время пропадания основного источника питания. 

Содержание статьи

• 1 Что такое генератор тока
• 2 Устройство и принцип работы
• 3 Виды бытовых генераторов
  • 3.1 Синхронные и асинхронные
  • 3.2 Инверторный или нет
  • 3.3 Количество фаз и топливо для первичного двигателя
• 4 Генератор переменного тока: бензин или дизель?
  • 4.1 Когда лучше выбрать бензиновый
  • 4.2 Чем хороши дизельные
• 5 Опции и дополнительные возможности
• 6 Особенности установки генератора

Что такое генератор тока

Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую, называют генератором тока. Они бывают переменного и постоянного тока. Устройства, вырабатывающие постоянный ток, более сложны в исполнении и менее надёжны.

Тоже как вариант))

С появлением полупроводниковых приборов, которые позволяют выпрямить переменный ток, по большей части всё равно использовался генератор переменного тока. Если необходим постоянный ток, на выходе источника переменного тока ставят выпрямитель, который формирует электропитание требуемого типа и уровня.

Устройство и принцип работы

Понять, как происходит такое преобразование, можно глядя на простейшую модель генератора. Его работа основана на принципе возникновения ЭДС — электродвижущей силы. Коротко сформулировать суть этого явления можно так, если замкнутая рамка пересекает магнитное поле, в ней возникает (наводится) электрический ток. Чтобы «снять» ток с рамки, используют специальное устройство ‒ щеточный узел. На концах рамки сделаны кольца, которые соприкасаются с токосъёмными контактами (щетками). Щетки, за счет силы упругости пружин, плотно прилегают к кольцам, обеспечивая контакт. К щеткам припаяны провода, по которым далее в устройство и передаётся ток.

Генератор переменного тока: устройство и принцип действия

Как получается переменное напряжение? Представьте себе, рамка вращается, то одной, то другой стороной приближаясь к полюсам (положительному S и отрицательному N). Чем ближе к полюсу, тем сильнее наводимое поле (больше сила тока), чем дальше ‒ тем меньше. Соответственно, на контактных кольцах имеем плавно изменяющуюся силу тока. Она то близка к нулю (когда рамка находится дальше всего), то подходит к максимуму. Таким образом, получаем на выходе ток синусоидальной формы.

Таким образом получаем на выходе генератора ток синусоидальной формы

Те же самые процессы происходят, если прямоугольную рамку закрепить неподвижно, а внутри нее вращать магнитное поле. Ток также имеет синусоидальную форму, просто имеем два типа установок ‒ с неподвижным статором и с неподвижным ротором.

Генератор постоянного тока устроен точно также и отличается только устройство снятия тока. К рамке прикреплены два полукольца, так что щетки снимают ток попеременно, то с одного конца рамки, то с другого. В результате на выходе имеем положительные полуволны, которые близки к постоянному току.

Виды бытовых генераторов

Это была теория, а теперь переходим к практике. Генераторы электрического тока нужны обычно для обеспечения питанием электрооборудования. Существуют две ситуации:

• Электрогенератор нужен на случай пропадания сети.
• Как основной источник питания.

Простейшие генераторы постоянного и переменного тока: устройство и принцип работы

Для обоих случаев логика выбора похожа, но имеет свои особенности. Если генератор нужен для постоянной работы, на первое место выходит расход топлива и надёжность. Также стоит обратить внимание на «громкость» работы, ёмкость бака для топлива.

Для кратковременного включения на случай пропадания питания, чаще всего стараются приобрести не слишком дорогую модель. Но в погоне за экономией, не стоит забывать о качественных характеристиках.

Синхронные и асинхронные

Сейчас не станем разбираться к конструктивных особенностях, а остановимся на достоинствах и недостатках. Синхронные генераторы отличаются тем, что на якоре имеют обмотки. Они выдают более стабильное напряжение и имеют меньшие отклонения по частоте. Это хорошо для требовательных к качеству питания. К плюсам синхронных генераторов тока относят также нормальную реакцию на пусковые токи, так что нормально работают они с индуктивной нагрузкой (с электродвигателями). Минусы ‒ более сложная конструкция и высокая цена. Ещё один момент, наличие щеток, которые, как известно снашиваются и искрят. Так что при более высокой цене синхронные генераторы имеют меньший рабочий ресурс.

Устройство асинхронных моделей проще

Асинхронные генераторы имеют более простую конструкцию и более низкие цены. При относительно невысокой цене отличаются значительно большим эксплуатационным сроком. Но стабильность тока желает быть лучше: погрешность до 10% по напряжению и 4% по частоте. Ещё один недостаток: плохо переносят пусковые токи. Потому, для обеспечения нормальной работы сложной техники желательно иметь стабилизатор, а для плавного пуска электромоторы подключать через преобразователь частоты.

Инверторный или нет

Есть ещё так называемые инверторные бытовые генераторы тока. Это те же генераторы, но на выходе которых стоит дополнительное устройство, стабилизирующее выходные показатели. С учётом того что техника у нас становится всё более дорогой и требовательной к качеству питания, использование инверторных генераторов почти необходимость.

Генератор переменного тока с инвертором: основные узлы и блоки

Единственное исключение, когда агрегат будет стоять на даче или в доме, а в период его работы, «капризная» техника работать не будет. К группе «капризных» однозначно относится вся компьютерная техника, а также та, которая управляется при помощи микропроцессоров. Также «капризными» являются автоматизированные котлы. Если котёл зависит от наличия напряжения и автоматика в нем не механическая, вам однозначно требуется инверторный генератор.

Инверторный генератор кроме двигателя и непосредственно генератора, имеет ещё выпрямитель и инвертор

Как работает инверторный генератор переменного тока? То напряжение, которое выработал генератор, попадает на блок инвертора. Он сначала выпрямляется, а потом из постоянного напряжения формируются полярные импульсы заданной частоты (50 Гц) и скважности. На выходе устройства импульсы превращаются в синусоиду. В результате на выходе имеем питание с идеальными (почти) характеристиками. Так что асинхронный инверторный генератор подходит для питания любой техники. Вот только пусковые нагрузки по-прежнему проблема.

Количество фаз и топливо для первичного двигателя

Чтобы выбрать генератор переменного тока, необходимо разобраться с классификацией, видами и типами, достоинствами и недостатками. В первую очередь стоит определиться с количеством фаз, которые должен выдавать агрегат, как понимаете, есть однофазные и трехфазные. Выбирать по этому признаку стоит учитывая имеющуюся проводку или нагрузку. Если генератор должен обеспечить работу трехфазного потребителя, на его выходе должно быть именно такое напряжение. Если подключаемые приборы только однофазные, покупать трехфазный генератор стоит только тогда, когда он будет работать на постоянной основе. В качестве резервного обычно ставят однофазные агрегаты, обеспечивая питанием наиболее важные устройства.

Для начала необходимо определиться с количеством фаз вырабатываемого тока

Когда мы разбирались в принципе действия генераторов переменного тока, не рассматривался один момент: как и чем приводится в действие вращающаяся часть устройства. В бытовых моделях это двигатель внутреннего сгорания. Именно он приводит в движение ротор, а работать он может на следующих видах топлива:

• бензин;
• дизельное топливо;
• газ.

Для бытового использования, чаще всего, используют дизельные и бензиновые генераторы. Так как оба вида топлива практически равнозначны по доступности, то выбор между ними основан на технических особенностях. О них подробнее немного ниже.

Генератор переменного тока: бензин или дизель?

Для бытовых целей обычно используют бензиновый или дизельный генератор тока. Сказать какой лучше однозначно невозможно, так как они отличаются по характеристикам. Потому для одних условий лучше бензиновый, для других ‒ оптимальный дизельный.

Выбор генератора тока зависит от многих моментов

Когда лучше выбрать бензиновый

Перечень свойств и особенностей бензинового генератора переменного тока:

Основное, что стоит помнить, бензиновый электрогенератор не рассчитан на длительную работу (сутками). Рекомендованная нагрузка, особенно у двухтактных моделей 2–3 часа в день и до 500 часов в год. Зато отличаются такие установки невысокой ценой и компактностью. Это отличный выбор, если надо питать совсем небольшую нагрузку непродолжительное время. Чаще всего такие генераторы берут с собой на природу, охоту, рыбалку и т. д.

Двухтактные бензиновые генераторы — лучший выбор для выезда на природу

Бензиновые генераторы тока с четырехтактными бензиновыми двигателями ресурс имеют существенно больше: до 3000–5000 тысяч часов. Но и его надолго не хватит при постоянной работе. Так что бензиновые генераторы имеет смысл ставить, если электричество отключается у вас редко и ненадолго.

Чем хороши дизельные

Дизельный генератор переменного тока ‒ установка гораздо боле мощная, но и настолько же более дорогостоящая. Бывают они двух типов: с воздушным и жидкостным охлаждением. Установки с воздушным охлаждением имеют средние габариты, среднюю мощность и вполне приемлемую цену. Вот они идеальны, если электричество отключается часто, но не постоянно. В то же время, маломощные дизельные генераторы (есть и такие) по характеристикам ненамного лучше бензиновых, а по цене раза в два выше. Так что если вам нужен генератор до 6 кВт мощности выбор, всё равно, имеет смысл остановить на бензиновой установке.

Дизельные ‒ более габаритные и мощные

Дизельный генератор с водяным (жидкостным) охлаждением ‒ это уже техника другого класса. Он может работать сутками и используются на предприятиях. На них применяются двигателя двух типов:

• высокооборотистые – 3000 об/мин;
• с низкими оборотами – 1500 об/мин.

Дизельный генератор с низкооборотистым двигателем отличается более низким уровнем шумов, более экономичны в плане расхода топлива на один киловатт. Но они же более дорогостоящие. имеют большие размеры и вес. Если дизельный генератор тока построен на основе высокооборотного движка, обойдётся один киловатт электроэнергии дешевле. Но шуметь дизель будет сильно.

Подобные модели могут обеспечивать предприятия

Итак, если вам нужна установка для выработки постоянного тока на продолжительный период или станция, которая будет снабжать электроэнергией постоянно, вам нужен дизельный генератор жидкостного охлаждения.

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

• Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
• Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
• Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Особенности установки генератора

Речь пойдёт не о подключении, а об установке ‒ организации места, где генератор тока будет работать. Нужна просторная твёрдая и ровная площадка. При установке на неровной поверхности, повышается уровень вибрации, что угрожает целостности оборудования.  Если говорить о мощных дизельных установках, то для них желательно бетонное или асфальтовое покрытие, в общем, плотное и надёжное основание.

Площадка должна быть ровной

Подключение генератора проводят кабелем, в соответствии с рекомендациями производителей. Само подключение производится в шкафу, куда заводится кабель от генераторной установки. Он подключается после вводного автомата и счетчика.

Если генератор будет уставлен в помещении, в нем должна быть хорошая вентиляция. Планируя на время работы двигателя оставлять двери открытыми, нужна будет решётка, чтобы никто не попал внутрь во время работы станции.

Генератор переменного тока. (11 класс) презентация, доклад

«Генератор переменного тока»

Генератор переменного тока (альтернатор) является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

История:

Системы производящие переменный ток были известны в простых видах со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.
Фарадей разработал «вращающийся треугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший частоты между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года, были введены многофазные альтернаторы.
Принцип действия генератора основан на действии электромагнитной индукции — возникновении электрического напряжения в обмотке статора, находящейся в переменном магнитном поле. Оно создается с помощью вращающегося электромагнита — ротора при прохождении по его обмотке постоянного тока. Переменное напряжение преобразуется в постоянное полупроводниковым выпрямителем.

Общий вид генератора переменного тока с внутренними полюсами. Ротор является индуктором, а статор — якорем

Ротор – сердечник, вращающийся вокруг горизонтальной или вертикальной оси вместе со своей обмоткой.

Статор – неподвижный сердечник с его обмоткой.

Схема устройства генератора: 1 — неподвижный якорь, 2 — вращающийся индуктор,
3— контактные кольца,
4— скользящие по ним
щетки

Вращающийся индуктор
генератора I (ротор) и якорь
(статор) 2, в обмотке которого
индуцируется ток.

Ротор (индуктор) генератора переменного тока с внутренними полюсами. На валу ротора справа показан ротор вспомогательной машины, дающей постоянный ток для питания индуктора.

Виды генераторов:

Турбогенератор – это генератор, который приводится в действие паровой или газовой турбиной.

Дизель-агрегат- генератор, ротор которого вращается от двигателя внутреннего сгорания.

Гидрогенератор
вращает гидротурбина.

Генератор переменного тока начала 20-го века сделанный в Будапеште, Венгрия, в зале производства электроэнергии гидроэлектростанции (фотография Прокудина-Горского, 1905—1915).

Генератор переменного тока начала 20-го века сделанный в Будапеште, Венгрия, в зале производства электроэнергии гидроэлектростанции (фотография Прокудина-Горского, 1905—1915).

Автомобильный генератор переменного тока. Приводной ремень снят.

Широкое применение генераторов переменного тока:

Ни для кого не станет удивительным тот факт, что в наши дни популярность, востребованность и спрос таких устройств, как электростанции и генераторы переменного тока, достаточно высоки. Это объясняется, прежде всего, тем, что современное генераторное оборудование имеет для нашего населения огромное значение. Помимо этого необходимо добавить и то, что генераторы переменного тока нашли свое широкое применение в самых различных сферах и областях.

Промышленные генераторы могут быть установлены в таких местах, как поликлиники и детские сады, больницы и заведения общественного питания, морозильные склады и многие другие места, требующие непрерывной подачи электрического тока. Обратите свое внимание на то, что отсутствие электричества в больнице может привести непосредственно к гибели человека. Именно поэтому в подобных местах генераторы должны быть установлены обязательно.

Также довольно распространенным является явление использования генераторов переменного тока и электростанций в местах проведения строительных работ. Это позволяет строителям использовать необходимое им оборудование даже на тех участках, где полностью отсутствует электрификация. Однако и этим дело не ограничилось. Электростанции и генераторные установки были усовершенствованы и дальше. В результате этого нам были предложены бытовые генераторы переменного тока, которые вполне удачно можно было устанавливать для электрификации коттеджей и загородных домов.

Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что современные генераторы переменного тока имеют довольно широкую область применения. Кроме того они способны решить большое количество важных проблем, связанных с некорректной работой электрической сети, либо ее отсутствием.

Презентацию подготовила ученица 11-Б класса Иваненко Екатерина.

Презентацию подготовила ученица 11-Б класса Иваненко Екатерина.

Скачать презентацию

23.8: Электрические генераторы — LibreTexts по физике

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитать ЭДС, индуцируемую в генераторе.
• Рассчитайте пиковую ЭДС, которая может быть наведена в конкретной генераторной системе.

Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко описано в разделе «ЭДС индукции и магнитный поток». Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример.

Пример \(\PageIndex{1}\): Расчет ЭДС, наведенной в катушке генератора 9{\circ}\) ) за 15,0 мс. Круглая катушка из 200 витков имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 1,25 Тл. Чему равна средняя ЭДС индукции?

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Когда катушка этого генератора поворачивается на четверть оборота, магнитный поток \(\Phi\) изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.

Стратегия:

Мы используем закон индукции Фарадея, чтобы найти среднюю ЭДС, индуцированную за время \(\Delta t\): \[ЭДС = -N\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}. \label{23.6.1}\] Мы знаем, что \(N = 200\) и \(\Delta t = 15,0 мс\), поэтому мы должны определить изменение потока \(\Delta \Phi\), чтобы найти э.д.с. 9{-3}s} = 131 В.\]

Обсуждение:

Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в домашнем хозяйстве.

ЭДС, рассчитанная в данном примере, представляет собой среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной \(\w\) и высотой \(l\) в однородном магнитном поле, как показано на рисунке \(\ Индекс страницы{2}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, которая изменяется синусоидально во времени. Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот.

Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле. На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения определяется как \(ЭДС = Blv\), где скорость \(v\) перпендикулярна магнитному полю \(B\). Здесь скорость составляет угол \(\theta\) с \(B\), так что ее составляющая, перпендикулярная \(B\), равна \(v\sin{\theta}\) (рис. \(\PageIndex{ 2}\)). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна \ (ЭДС = Blv \ sin {\ theta} \), и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС контура тогда равна 9.0032

\[ЭДС = 2Blv\sin{\theta}.\label{23.6.4}\]

Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью \(\omega\). Угол \(\theta\) связан с угловой скоростью соотношением \(\theta = \omega t\), так что

\[ ЭДС = 2Blv\sin{\omega t}.\label{23.6.5}\]

Теперь линейная скорость \(v\) связана с угловой скоростью \(\omega\) соотношением \(v=r\omega\). Здесь \(r = \omega/2\), так что \(v = \left(w/2\right)\omega\), и

\[ЭДС = 2Bl\frac{w}{2} \omega \sin{\omega t} = \left(w\right)B \omega \sin{\omega t}. \label{23.6.6}\ ]

Заметив, что площадь петли равна \(A = w\), и учитывая \(N\) петель, мы находим, что

\[ЭДС = NAB \omega \sin{\omega t}\label{23.6.7}\]

— ЭДС , индуцируемая в генераторной катушке из \(N\) витков и площадью \(A\), вращающейся с постоянной угловой скоростью \(\omega\) в однородном магнитном поле \(B\). Это также может быть выражено как

\[ЭДС = ЭДС_{0}\sin{\omega t},\метка{23.6.8}\]

, где \[ЭДС_{0} = NAB \omega \label{23.6.9}\] — максимальная (пиковая) ЭДС . Обратите внимание, что частота колебаний равна \(f = \omega / 2\pi\), а период равен \(T = 1/f = 2\pi / \omega\). На рисунке \(\PageIndex{3}\) показан график ЭДС как функции времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.

Рисунок \(\PageIndex{3}\):ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. \(ЭДС_0\) — пиковая ЭДС. Период равен \(T=1/f=2π/ω\), где \(f\) — частота. Обратите внимание, что буква E означает emf.

Тот факт, что пиковая ЭДС \(ЭДС_0=NABω\), имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше ω), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых. Один из авторов, будучи подростком, находил забавным ехать на велосипеде достаточно быстро, чтобы сжечь его фары, пока однажды темной ночью ему не пришлось ехать домой без света.

На рисунке показана схема, по которой можно сделать генератор для получения импульсного постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Разъемные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают на выходе импульсную ЭДС постоянного тока.

Пример \(\PageIndex{2}\): Расчет максимальной ЭДС генератора

Рассчитайте максимальную ЭДС, emf0, генератора, рассмотренного в Примере.

Стратегия

Как только \(ω\), угловая скорость, определена, \(emf_0=NABω\) можно использовать для нахождения \(emf_0\). Все остальные величины известны.

Решение

Угловая скорость определяется как изменение угла в единицу времени:

\(ω=\frac{Δθ}{Δt}\).

Одна четвертая оборота равна \(π/2\) радианам, а время равно 0,0150 с; таким образом, 92)(1,25Тл)(104,7рад/с)=206В\).

Обсуждение

Максимальная ЭДС больше средней ЭДС 131 В, найденной в предыдущем примере, как и должно быть.

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. \(\PageIndex{5}\) показывает паровую турбину в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Паровая турбина/генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В разделе «Обратная ЭДС» мы дополнительно исследуем работу двигателя как генератора.

• Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, заданную как функция времени

\(ЭДС=NABωsinωt,\)

где \(A\) — площадь \(N\)-витка, вращающегося с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле \(B\).

• Пиковая ЭДС \(ЭДС_0) генератора равна

\(ЭДС_0=NABω\).

Глоссарий

электрогенератор

Устройство для преобразования механической работы в электрическую энергию; он индуцирует ЭДС, вращая катушку в магнитном поле

ЭДС, индуцируемая в катушке генератора

\(ЭДС=NABωsinωt\), где \(A\) — площадь \(N\)-виткового витка, вращающегося с постоянной угловой скоростью \(ω\) в однородном магнитном поле \(B\), за период времени \(t\)

пиковая ЭДС

(ЭДС_0=NABω\)0=NABω

Эта страница под названием 23.8: Electric Generators распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. Электрогенераторы
   2. генераторы
   3. источник@https://openstax. org/details/books/college-physics

23.5 Электрические генераторы – College Physics

Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Резюме

• Рассчитайте ЭДС, индуцируемую в генераторе.
• Рассчитайте пиковую ЭДС, которая может быть наведена в конкретной генераторной системе.

Электрические генераторы индуцируют ЭДС за счет вращения катушки в магнитном поле, как кратко описано в главе 23.1 ЭДС индукции и магнитный поток. Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример. 9{\circ}}[/latex]) за 15,0 мс. Круглая катушка из 200 витков имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 1,25 Тл. Чему равна средняя ЭДС индукции?

Рис. 1. Когда катушка этого генератора поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.

Стратегия

Мы используем закон индукции Фарадея, чтобы найти среднюю ЭДС, индуцированную за время [латекс]{\Delta t}[/латекс]:

[латекс]{\текст{ЭДС} = -N}[/латекс] [латекс]{\гидроразрыва{\Delta \phi}{\Delta t}}[/латекс]

Мы знаем, что [латекс]{ N = 200}[/latex] и [latex]{\Delta t = 15,0 \;\text{ms}}[/latex], поэтому мы должны определить изменение потока [latex]{\Delta \phi}[ /латекс], чтобы найти ЭДС.

Решение

Поскольку площадь петли и напряженность магнитного поля постоянны, мы видим, что

[латекс]{\Delta \phi = \Delta(BA \;\text{cos} \;\theta ) = AB \Delta(\text{cos} \;\theta)}[/latex] 9{-3} \;\text{s}}}[/latex] [латекс]{= 131 \;\text{V}}[/latex].

Обсуждение

Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в домашнем хозяйстве.

ЭДС, рассчитанная в примере 1, представляет собой среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной [латекс]{w}[/латекс] и высотой [латекс]{ \ell}[/латекс] в однородном магнитное поле, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, изменяющуюся во времени по синусоидальному закону. Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот.

Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле. На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения определяется как [латекс]{\текст{ЭДС} = B \ell v}[/латекс], где скорость [латекс]{v}[/латекс] перпендикулярна магнитному полю [латекс]{В }[/латекс]. Здесь скорость находится под углом [латекс]{\тета}[/латекс] с [латекс]{В}[/латекс], так что ее составляющая, перпендикулярная [латекс]{В}[/латекс], равна [латекс] {v \;\text{sin} \;\theta}[/latex] (см. рис. 2). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна [латекс]{ЭДС = B \ell v \;\text{sin} \theta}[/latex], и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС контура тогда равна 9.0032

[латекс] {\ текст {ЭДС} = 2B \ ell v \; \ текст {грех} \; \ тета} [/ латекс].

Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью [латекс] {\ омега} [/латекс]. Угол [латекс]{\тета}[/латекс] связан с угловой скоростью соотношением [латекс]{\тета = \омега т}[/латекс], так что

[латекс] {\ текст {ЭДС} = 2B \ ell v \; \ текст {грех} \ омега т}. [/латекс]

Теперь линейная скорость [латекс]{v}[/латекс] относится к угловой скорости [латекс]{\омега}[/латекс] соотношением [латекс]{v = r \омега}[/латекс]. Здесь [латекс]{r = w/2}[/латекс], так что [латекс]{v = (w/2) \omega}[/латекс], и

[латекс] {ЭДС = 2B \ ell} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {ш} {2}} [/ латекс] [латекс] {\ омега \; \ текст {грех} \ омега т = ( \ell w) B \omega \;\text{sin} \omega t}.[/latex]

Заметив, что площадь петли составляет [латекс]{A = \ell w}[/латекс], и учитывая [латекс]{N}[/латекс] петель, мы находим, что

[латекс] {ЭДС = NAB \omega \;\text{sin} \omega t}[/latex]

— ЭДС , индуцированная в генераторной катушке из [латекс]{N}[/латекс] витков и площади [латекс]{А}[/латекс], вращающейся с постоянной угловой скоростью [латекс]{\омега}[/ латекс] в однородном магнитном поле [латекс]{B}[/латекс]. Это также может быть выражено как

[латекс]{ЭДС = ЭДС_0 \;\текст{грех} \омега т},[/латекс]

где

[латекс]{emf_0=НАБ \омега}[/латекс]

это максимальная (пиковая) ЭДС . Обратите внимание, что частота колебаний равна [латекс]{f= \omega /2 \pi}[/латекс] , а период равен [латекс]{T = 1/f=2 \pi / \omega}[ /латекс] . На рис. 3 показан график зависимости ЭДС от времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.

Рис. 3. ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. emf ₀ пиковая эдс. Период равен T = 1/ f = 2π/ω — частота. Обратите внимание, что буква E означает emf.

Тот факт, что пиковая ЭДС, [латекс]{ЭДС_0 = NAB \omega}[/латекс], имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше [латекс][/латекс]), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых. Один из авторов, будучи подростком, находил забавным ехать на велосипеде достаточно быстро, чтобы сжечь его фары, пока однажды темной ночью ему не пришлось ехать домой без света.

На рис. 4 показана схема, по которой можно сделать генератор для получения импульсов постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

Рис. 4. Разъемные кольца , называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают на выходе импульсную ЭДС постоянного тока.

Пример 2. Расчет максимальной ЭДС генератора

Вычислите максимальную ЭДС, [латекс]{эдс_0}[/латекс], генератора, рассмотренного в Примере 1.

Стратегия

Как только [латекс]{\омега}[/латекс], угловая скорость определена, [латекс]{эдс_0 = NAB \омега}[/латекс] можно использовать для нахождения [латекс]{ emf_0}[/латекс]. Все остальные величины известны.

Решение

Угловая скорость определяется как изменение угла в единицу времени: т}}[/латекс] .

Одна четвертая оборота составляет [латекс]{\пи / 2}[/латекс] радиан, а время составляет 0,0150 с; таким образом, 92)(1,25 \;\textbf{T})(104,7 \;\text{рад/с}).} \\[1em] & {206 \;\text{V}}. \end{array}[/latex]

Обсуждение

Максимальная ЭДС больше, чем средняя ЭДС 131 В, найденная в предыдущем примере, как и должно быть.

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. на фиг.5 показан вид в разрезе паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рис. 5. Паровая турбина/генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В главе 23.6 «Обратная ЭДС» мы продолжим изучение работы двигателя как генератора.

• Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, определяемую как функция времени

  [латекс]{ЭДС = NAB \omega \;\text{sin} \omega t}[/latex] ,

  , где [латекс]{А}[/латекс] — площадь [латекс]{N}[/латекс] -витковой катушки, вращаемой с постоянной угловой скоростью [латекс]{\омега}[/латекс] в однородной магнитное поле [латекс]{B}[/латекс].

• Пиковая ЭДС [латекс]{ЭДС_0}[/латекс] генератора равна

  [латекс]{emf_0 = NAB \omega}.[/латекс]

Задачи и упражнения

1: Рассчитайте пиковое напряжение генератора, который вращает свою 200-витковую катушку диаметром 0,100 м со скоростью 3600 об/мин в поле 0,800 Тл.

2: При какой угловой скорости в об/мин пиковое напряжение генератора составит 480 В, если его 500-витковая катушка диаметром 8,00 см вращается в поле 0,250 Тл?

3: Какова пиковая ЭДС, создаваемая вращением 1000-витковой катушки диаметром 20,0 см в земном [латексе]{5,00 \times 10^{-5} \;\textbf{T}}[/latex ] магнитного поля, учитывая, что плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и поворачивается, чтобы стать параллельной полю за 10,0 мс?

4: Какова пиковая ЭДС, создаваемая катушкой радиусом 0,250 м, состоящей из 500 витков, которая поворачивается на четверть оборота за 4,17 мс, первоначально имея плоскость, перпендикулярную однородному магнитному полю. (Это 60 об/с.)

5: (a) Велосипедный генератор вращается со скоростью 1875 рад/с, производя пиковую ЭДС 18,0 В. Он имеет прямоугольную катушку размером 1,00 на 3,00 см в поле 0,640 Тл. Сколько витков в катушке? (b) Практично ли такое количество витков провода для катушки размером 1,00 на 3,00 см?

6: Комплексные концепции

Эта задача относится к велосипедному генератору, рассмотренному в предыдущей задаче. Он приводится в движение колесом диаметром 1,60 см, которое катится по внешнему ободу велосипедной шины. а) Какова скорость велосипеда, если угловая скорость генератора равна 1875 рад/с? б) Какова максимальная ЭДС генератора, когда велосипед движется со скоростью 10,0 м/с, учитывая, что в первоначальных условиях она составляла 18,0 В? (c) Если сложный генератор может изменять свое собственное магнитное поле, какая напряженность поля ему потребуется при скорости 5,00 м/с, чтобы произвести 90,00 В максимальная ЭДС?

7: (a) Автомобильный генератор вращается со скоростью 400 об/мин, когда двигатель работает на холостом ходу. Его 300-витковая прямоугольная катушка размером 5,00 на 8,00 см вращается в регулируемом магнитном поле, так что она может создавать достаточное напряжение даже при низких оборотах. Какая напряженность поля необходима для создания пиковой ЭДС 24,0 В? (b) Обсудите, как эта требуемая напряженность поля соотносится с напряженностью поля, доступной для постоянных и электромагнитов.

8: Покажите, что если катушка вращается с угловой скоростью ωω, период ее выхода переменного тока равен [латекс]{2 \пи/ \омега}[/латекс].

9: 75-витковая катушка диаметром 10,0 см вращается с угловой скоростью 8,00 рад/с в поле 1,25 Тл, начиная с плоскости катушки, параллельной полю. а) Чему равна пиковая ЭДС? б) В какой момент времени достигается максимальная ЭДС? в) В какой момент ЭДС достигает своего максимального отрицательного значения? (d) Каков период выходного напряжения переменного тока?

10: (а) Если ЭДС катушки, вращающейся в магнитном поле, равна нулю при [латекс]{t = 0}[/латекс] и возрастает до своего первого пика при [латекс]{t = 0,100 \;\text{ms}}[/latex], какова угловая скорость катушки? б) В какое время произойдет ее следующий максимум? в) Каков период выпуска продукции? (d) Когда объем выпуска составляет первую четверть своего максимума? (e) Когда она составляет следующую четверть своего максимума? 9{-5} \;\textbf{T}}[/latex] поле, создающее максимальную ЭДС 12,0 кВ.