Генераторы

По конструкции можно выделить

• генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;

• генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором. Получили наибольшее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода якорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается обычно из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.

• генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.

• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

• Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

• Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

Генератор переменного тока

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС - электро движущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток. Принцип действия генератора переменного тока следующая. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции. В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (правда, без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. 

Рис.1. Структурная схема генератора переменного тока.

Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).  В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора. Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Находясь в беспорядочном тепловом движении, часть электронов достигает поверхности металла. Далеко не все из них могут пересечь поверхность металла и перейти в окружающую среду. На электроны, приближающиеся к поверхности, начинают действовать электрические силы, втягивающих их обратно в металл. У поверхности металла образуется два слоя разноименных электрических зарядов, на преодоление которых электроном тратится определенная энергия. Для выхода же электронов за пределы металла они должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, еще и по преодолению задерживающей их в металле силы. Подобная работа носит название работы выхода. Она является характеристической величиной, и для каждого металла она своя. Как уже было сказано тормозящее действие, которое оказывает металл на покидающий его электрон, не заканчивается на момент пересечения электроном границы металла. В результате выхода электрон оказывается положительно заряженным. Отдаляясь же от металла, он перемещается в тормозящем электрическом поле.

При комнатной температуре только немногие электроны металла обладают запасом энергии, достаточным для выхода из металла. Поэтому в этих условиях эмиссия электронов практически не заметна. Увеличить число электронов, покидающих металл, можно путем сообщения электронам дополнительной энергии или уменьшения работы выхода из металлов. На практике используют оба эти средства.

Дополнительная энергия Q сообщается электронам путем нагрева катода, что вызывает возрастание тока электронной эмиссии (Рис.1). Если нагреть катод (1) до температуры (ТК) равной 1100 - 2500°К, то с поверхности металла катода начнут вылетать электроны в направлении анода (Рис.1), имеющего более низкую температуру (ТА) равную 700-1100°К. Если внешняя цепь ТЭмГ замкнута, то электроны с анода, через внешнюю нагрузку (R) вернутся на катод. Направленное движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока между катодом и анодом будет поддерживаться разность температур (ΔТ). ΔТ = ТК - ТА