Отримання синусоїдальної ЕРС, електрикам
Для отримання е. д. з. синусоїдальної форми застосовується генератор змінного струму. Однак для вивчення принципу отримання синусоїдального змінного струму генератор можна замінити, провідником у вигляді прямокутної рамки який обертають в рівномірному магнітному полі з постійною частотою. (Рис. 12.1).
Обертання витка в рівномірному магнітному полі
ЕРС в рамці, що має два активних провідника довжиною l дорівнює:
(Надалі все змінюються в часі величини: струми, напруги, ЕРС і т. Д будемо позначати малими буквами на відміну від постійних значень для тих же величин, які позначають великими літерами).
При рівномірному обертанні рамки лінійна швидкість провідника не змінюється:
а кут між напрямом швидкості і напрямом магнітного поля змінюється пропорційно часу:
Кут β визначає положення обертається рамки щодо площини, перпендикулярної напрямку магнітної індукції. (Положення рамки в момент початку відліку часу t = 0 характеризується кутом β = 0.) Тому Е.Д. с. в рамці є синусоїдальною функцією часу
Найбільшою величини е. д. з. досягає при вугіллі:
У розглянутому випадку синусоидальное зміна е. д. з. досягається за рахунок безперервного зміни кута, під яким провідники перетинають лінії магнітної індукції. Однак такий спосіб отримання е. д. з. в практиці не застосовується, так як важко створити рівномірне поле в досить великому обсязі.
Отримання синусоїдальної ЕРС в генераторі змінного струму
В електромашинних генераторах змінного струму промислового типу синусоїдальна е. д. з. виходить при постійному куті, але в нерівномірному магнітному полі.
Магнітне поле генератора (радіальне) в повітряному проміжку між статором і ротором направлено по радіусах кола ротора (рис. 12.2, а). Магнітна індукція вздовж повітряного зазору розподілена по закону, близькому до синусоидальному. Такий розподіл досягається відповідною формою полюсних наконечників. Синусоїдальний закон розподілу магнітної індукції вздовж повітряного зазору показаний на рис. 12.2, б в розгорнутому вигляді.
У будь-якій точці повітряного зазору, положення якої визначаються-ється кутом β, відрахувавши від нейтральної площини (нейтрали) проти руху годинникової стрілки, магнітна індукція виражається рівнянням
Нейтральна площину перпендикулярна осі полюсів і ділить магнітну систему на симетричні частини, з яких одна відноситься до північного полюса, а інша - до південного.
Найбільшу величину магнітна індукція має під серединою полюсів, т. Е. При кутах β = 90 ° (Bm = B) і β = 270 ° (B = -Bm). На нейтрали (при β = 0 ° і β = 180 °) магнітна індукція дорівнює нулю (В = 0).
На рис. 12.3 показана конструктивна схема генератора змінного струму з двома парами полюсів, розташованих на роторі, а провідники обмотки, де наводиться е. д. з. поміщені в пазах сердечника статора.
Відзначимо ще один різновид генераторів змінного струму - генератор з трьома обмотками (трифазний генератор), які на схемі рис. 12.4 представлені трьома витками на роторі. Площині витків знаходяться під кутом 120 ° один до одного.
ЕРС в обмотці генератора
При рівномірному обертанні ротора в його обмотці (на рис. 12.2, а - в витку) наводиться е. д. з. визначається формулою
Підставляючи вираз магнітної індукції, одержимо
При β = 90 °, т. Е. В положенні провідника під серединою полюса, наводиться найбільша ЕРС.
Рівняння ЕРС можна записати так:
отримаємо таку ж залежність е.р.с. від часу, як при обертанні рамки (див. рис. 12.1), вважаючи початковим положення витка (t = 0), коли його площина збігається з нейтраллю:
Таким чином, і в даному випадку е. д. з. є синусоїдальною функцією часу (рис. 12.5). Такий же результат виходить, якщо обертати полюса, а провідники залишити нерухомими.
У прямокутній системі координат е. д. з. можна зобразити у функції кута β = ωt або в функції часу t. Залежність e (ωt) і e (t) можна зобразити однієї кривої, але при різних масштабах по осі абсцис, що відрізняються в ω раз.
Струм в обмотці генератора
Якщо обмотку генератора замкнути через опір, то в утворилася ланцюга виникає синусоїдальний струм, що повторює за формою криву е. д. з.
Вважаючи опір ланцюга лінійним, рівним R, отримаємо для струму такий вислів:
де Im = Em / R- найбільша величина струму.
Напруга і струм синусоїдальної форми можна отримати за допомогою генераторів, які не мають обертових частин і магнітних полюсів, наприклад лампових генераторів.