2.3 Источники переменной эдс

Напряжение, изменяющееся по гармоническому закону, можно получать разнообразными приемами, используя устройства, функционирующие на разной физической основе. В электроэнергетике для выработки гармонического напряжения широко используют синхронные генераторы переменного тока. Такие генераторы применяют для питания энергией электрических сетей (например, с действующим напряжением 220 В и частотой 50 Гц), а также в других случаях, когда частота напряжения не превышает единиц килогерц.

В синхронных генераторах переменного тока (рисунок 8) имеется подвижный элемент – ротор, который вращается внутри неподвижного статора.

Рисунок 8

На роторе наложена обмотка возбуждения, питаемая через кольца и щетки от источника постоянного тока. Обмотка, в которой генерируется переменная ЭДС, расположена в пазах статора. Обмотку формируют определенным образом: укладывают провод вдоль одного паза, затем переходят к следующему, проходя поочередно то по лицевой стороне статора, то по обратной. (Условно это показано на рисунке 8 сплошными и штриховыми линиями соответственно). Магнитная цепь машины изготовляется из электротехнической стали; статор и полюсные наконечники ротора – из листовой стали, остальная часть ротора – из сплошного стального массива.

Когда ротор вращается внутри статора внешним двигателем (тепловым, газовым, гидравлическим или другим), на внешних клеммах статора возникает напряжение, которое направляется в электрическую сеть потребителям.

Физическая основа появления напряжения на концах статорной обмотки – движение заряда под действием силы Лоренца, возникающей при перемещении заряда (вместе с проводом) в магнитном поле (или при перемещении магнитного поля по отношению к неподвижным проводам). Сила Лоренца пропорциональна скорости перемещения провода относительно силовых линий магнитного поля и значению магнитной индукции. При вращении ротора она совершает работу, перемещая заряды по проводам, уложенным в пазы статора. Вследствие этого в проводах статора наводится ЭДС, и на выходе генератора возникает переменное напряжение.

Частоту генерируемой ЭДС определяют обычно по формуле f = рп / 60, где р – число пар полюсов ротора, п – частота вращения ротора (число оборотов в минуту). Например, частота вращения генераторов на Днепровской гидроэлектростанции п = 83·1/3 об/мин. Следовательно, для получения частоты f = 50 Гц эти генераторы имеют р = 36 пар полюсов.

Генераторы, связываемые с паровыми турбинами, так называемые турбогенераторы, имеют большую частоту вращения, так как коэффициент полезного действия паровых турбин получается высоким только при высоких частотах вращения. Поэтому турбогенераторы имеют малое число пар полюсов – обычно р = 1 или р = 2. Соответственно, при f = 50 Гц частота вращения получается п = 3000 об/мин или п = 1500 об/мин.