13 Опишите принцип получения переменного тока, его преимущества. Перечислите параметры цепей переменного тока, сформулируйте их определения.

Постоянный ток, необходимый в промышленности на электрифицированном транспорте, в электросвязи и т. д., в большинстве случаев получают путем выпрямления переменного тока. Преимуществами переменного тока являются: возможность трансформации и передачи на далекие расстояния, более простое устройство генераторов переменного тока, более простые в устройстве и надежные в эксплуатации электродвигатели переменного тока и т. д.

Рассмотрим принцип получения переменного тока в результате преобразования механической энергии в электрическую.

Пусть имеется однородное магнитное поле, образованное между полюсами N - S электромагнита (рис. , а). Внутри поля под действием посторонней силы вращается по окружности в сторону движения часовой стрелки металлический прямолинейный проводник. Как известно, пересечение проводником магнитных линий приведет к появлению в проводнике индуктированной э.д.с. Величина этой э.д.с., как было указано ранее, зависит от величины магнитной индукции В, активной длины проводника l, скорости пересечения проводником магнитных линий υ и синуса угла α между направлением движения проводника и направлением магнитного поля:

e = Blυ sin α.

Рис. 120. Получение переменной э.д.с.: а - вращение проводника в однородном магнитном поле, б - график изменения переменной э.д.с

При движении проводник будет занимать различные положения. На чертеже положения проводника даны через каждые 45° угла поворота. Рассматривая отдельные положения проводника, мы видим, что угол пересечения а меняется и, кроме того, при переходе проводника через нейтральную линию направление индуктированной э.д.с., определяемое по правилу правой руки, также меняется.

За один полный оборот проводника э.д.с. в нем сначала увеличивается от нуля до максимального значения (+Е_м), затем уменьшается до нуля и, изменив свое направление, вновь увеличивается до максимального значения (-E_м) и вновь уменьшается до нуля. При дальнейшем движении проводника указанные изменения э.д.с. будут повторяться.

В нашем примере проводник вращался в однородном магнитном поле. В проводнике индуктировалась переменная э.д.с., изменяющаяся по закону синуса. Такая э.д.с. называется синусоидальной.

Устройство, показанное на рис. , позволяет снимать и отводить во внешнюю цепь переменную э.д.с. Согнутый в виде рамки проводник вращается в магнитном поле с постоянной скоростью со под действием посторонней силы. Концы рамки присоединены к двум медным кольцам 3 и 4, на которых наложены две угольные щетки 5 и 6. Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток, переменный.

В создании индуктированной э.д.с. будут участвовать не все стороны рамки, а лишь те, которые пересекают магнитные линии. Эти стороны называются активными сторонами (на рис. они обозначены цифрами 1 и 2).

Недостатком рассмотренного выше устройства является трудность создания однородного магнитного поля и большое магнитное сопротивление магнитному потоку, который значительный путь проходит по воздуху.

В конструкциях электрических машин между полюсами электромагнита помещают стальной барабан, в пазы которого укладывают проводники обмотки.

Для получения индуктированной э.д.с. в генераторах безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или движущееся поле будет пересекать неподвижный проводник. Однако для того чтобы поставить обмотку переменного тока в более благоприятные условия, ее обычно располагают на статоре (неподвижной части машины), а обмотку возбуждения полюсов помещают на роторе(на вращающейся части машины )^*. Генератор такой конструкции представлен на рис. .

^* (Обмотки переменного тока в современных генераторах рассчитываются на высокие напряжения и на весьма значительные токи. Неподвижную якорную обмотку легче изолировать и от нее проще отвести значительный ток во внешнюю цепь.)

Рис. Двухполюсный генератор переменного тока: 1 - статор, 2 - часть обмотки переменного тока, 3 - ротор, 4 - обмотка возбуждения

Постоянный ток, необходимый для создания магнитного потока машины, подается в обмотку возбуждения от специального генератора-возбудителя постоянного тока, сидящего на одном валу с генератором переменного тока, или от выпрямительного устройства.

При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывалось, что за один оборот двухполюсного ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора э.д.с. имела один период. Если ротор генератора делает, например, 5 об/сек, то э.д.с. будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.

Частота тока f выражается в этом случае следующим соотношением:

f = ⁿ/₆₀,

где n - число оборотов ротора в минуту.

Для получения от генератора стандартной частоты тока - 50 гц - ротор должен делать 3000 об/мин, действительно,

f = ⁿ/₆₀ = ³⁰⁰⁰/₆₀ = 50 гц.

Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, т. е. для машины с одной парой полюсов: p = 1.

Если машина четырехполюсная, т. е. число пар полюсов равно двум: р = 2 (рис. 131), то один полный период изменения э.д.с. и тока будет иметь место за пол-оборота ротора (положения 1-5 проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (р = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.

Таким образом, для машин, имеющих р пар полюсов, частота тока при n об/мин или ⁿ/₆₀ об/сек будет в р раз больше, чем для двухполюсной машины, т. е.

f = ^pn/₆₀.

Отсюда формула для определения скорости вращения ротора будет иметь следующий вид:

n = ^60f/_p.