Тема. Змінний струм. Генератор змінного струму

 

1. Одержання змінного струму

На виробництві й у побуті набагато частіше використовують змінний струм, ніж постійний.

Ø  Змінним струмом називають електричний струм, що періодично змінюється за величиною й напрямком.

Змінний струм одержують за допомогою генераторів змінного струму з використанням явища електромагнітної індукції. Уявімо провідник у вигляді рамки площею S, яка рівномірно обертається з кутовою швидкістю ω в однорідному магнітному полі (магнітна індукція   перпендикулярна до осі обертання рамки). Магнітний потік через рамку Ф = ВScosα, де α — кут між вектором   нормалі до площі рамки й лініями магнітної індукції.

Якщо почати відлік часу в момент, коли вектор   напрямлений уздовж ліній магнітної індукції, то початкове значення кута α дорівнює нулю, а залежність кута від часу має вигляд: α = ωt, тому Ф = BScosωt.

Зміна магнітного потоку призводить до виникнення в рамці ЕРС індукції  . Відповідно до закону електромагнітної індукції   Швидкість зміни магнітного потоку ΔФ/Δt з погляду математики є похідної функції Ф(t), тому 

Таким чином, розглянута рамка є джерелом ЕРС, що виконує гармонічні коливання з амплітудою   Якщо рамка складається з N витків, то амплітуда ЕРС збільшується в N разів: 

Щоб скористатися отриманою ЕРС, можна прикріпити рухомі кінці рамки до нерухомих контактів зовнішнього електричного кола. Можна, наприклад, забезпечити, щоб металеве кільце від кожного з кінців рамки сковзало по своєму пружному контакту (щітці). Тоді щітки можна розглядати, як полюси джерел струму.

Якщо приєднати до цих полюсів резистор опором R, напруга на резисторі буде збігатися з ЕРС у рамці:   а сила струму в резисторі буде:

Амплітуда сили струму в цьому виразі   Період змінного струму   а його частота 

2. Генератор змінного струму

Зараз існує багато різних типів індукційних генераторів. Але всі вони складаються з одних і тих самих її основних частин. Це, по-перше, електромагніт або постійний магніт, що створює магнітне поле, і, по-друге, обмотка, у якій індукується змінна ЕРС (зазвичай це обертова рамка).

Оскільки ЕРС, що наводять у послідовно з’єднаних витках, додаються, то амплітуда ЕРС індукції в рамці пропорційна числу витків у ній. Вона пропорційна також амплітуді змінного магнітного потоку через кожний виток.

Принцип дії генератора змінного струму такий. Для одержання великого магнітного потоку в генераторах застосовують спеціальну магнітну систему, що складається із двох сердечників, зроблених з електротехнічної сталі. Обмотки, які створюють магнітне поле, розміщені в пазах одного із сердечників, а обмотки, у яких індукується ЕРС, — у пазах іншого. Один із сердечників (зазвичай внутрішній) разом зі своєю обмоткою обертається навколо горизонтальної або вертикальної осі. Тому він називається ротором. Нерухомий сердечник з його обмоткою називають статором. Зазор між сердечниками статора й ротора роблять якомога меншим для збільшення потоку магнітної індукції.

Магнітне поле створює нерухомий постійний магніт. Зрозуміло, можна було б вчинити й навпаки: обертати магніт, а рамку залишити нерухомою.

У великих промислових генераторах обертається саме електромагніт, що є ротором, у той час як обмотки, у яких наводиться ЕРС, покладені в пази статора й залишаються нерухомими. Справа в тому, що підводити струм до ротора або відводити його з обмотки ротора в зовнішнє коло доводиться за допомогою ковзних контактів. Для цього ротор забезпечують контактними кільцями, приєднаними до кінців його обмотки.

Нерухомі пластини — щітки — притиснуті до кілець і забезпечують зв’язок обмотки ротора із зовнішнім колом. Сила струму в обмотках електромагніту, що створює магнітне поле, значно менше за силу струму, що віддає генератор у зовнішнє коло. Тому генерований струм зручніше знімати з нерухомих обмоток, а через ковзні контакти підводити порівняно слабкий струм до обертового електромагніту.

У малопотужних генераторах магнітне поле створює обертовий постійний магніт. У такому випадку кільця й щітки взагалі не потрібні.

Появу ЕРС у нерухомих обмотках статора пояснюють виникненням у них вихрового електричного поля, зумовленого зміною магнітного потоку під час обертання ротора.

Сучасний генератор електричного струму — це велике спорудження з мідних проводів, ізоляційних матеріалів і сталевих конструкцій. За розмірів у кілька метрів найважливіші деталі генераторів виготовляють з точністю до міліметра. Ніде в природі немає такого з’єднання рухомих частин, які могли б породжувати електричну енергію настільки ж безупинно й економічно.