Электрогенератор схема: Устройство и схема генератора Huter – СамЭлектрик.ру

Как правильно подключить генератор к дому: дизельный и бензиновый

Марка

Модель

Оставьте ваши контактные данные:

По телефону

На почту

Уточните удобное время для звонка:

День/дата

• День/дата
• Сегодня
• Завтра
• 06
• 07
• 08
• 09
• 10
• 11

Часы

• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• 19
• 20

Минуты

• 10
• 20
• 30
• 40
• 50

Отправляя заявку я предоставляю свое согласие на сбор и обработку предоставленных мною личных персональных данных в соответствии с Законом Украины «О защите персональных данных»

Оставьте ваши контактные данные:

Уточните удобное время для звонка:

День/дата

• День/дата
• Сегодня
• Завтра
• 06
• 07
• 08
• 09
• 10
• 11

Часы

• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• 19
• 20

Минуты

• 10
• 20
• 30
• 40
• 50

Прямо сейчас

Отправляя заявку я предоставляю свое согласие на сбор и обработку предоставленных мною личных персональных данных в соответствии с Законом Украины «О защите персональных данных»

Оставьте ваши контактные данные:

Выберите машину:

Марка

• Сначала выберите дилера

Модель

• Сначала выберите марку

Отправляя заявку я предоставляю свое согласие на сбор и обработку предоставленных мною личных персональных данных в соответствии с Законом Украины «О защите персональных данных»

Sample Text

Оставьте ваши контактные данные:

Выберите машину:

Марка

• Сначала выберите дилера

Модель

• Сначала выберите марку

Уточните удобное время для тест-драйва:

День/дата

• День/дата
• Сегодня
• Завтра
• 06 февраля
• 07 февраля
• 08 февраля
• 09 февраля
• 10 февраля
• 11 февраля
• 12 февраля
• 13 февраля
• 14 февраля
• 15 февраля
• 16 февраля
• 17 февраля
• 18 февраля

Часы

• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• 19
• 20

Минуты

• 00
• 10
• 20
• 30
• 40
• 50

Отправляя заявку я предоставляю свое согласие на сбор и обработку предоставленных мною личных персональных данных в соответствии с Законом Украины «О защите персональных данных»

X

Оберіть мовну версію сайту. За замовчуванням autocentre.ua відображається українською мовою.

Слава Україні! Героям слава!
Ви будете перенаправлені на українську версію сайту через 10 секунд

Часть I. Подключение генератора к сети загородного дома (220В/380В). Как делать нельзя

Часть I. Подключение генератора к сети загородного дома (220В/380В). Как делать нельзя

Home  »  Бесперебойное питание домов   »   Часть I. Подключение генератора к сети загородного дома (220В/380В). Как делать нельзя

Опубликовано автором Сергей Леднёв — Бесперебойное питание домов — Декабрь 3, 2016

Стандартная задача бесперебойного питания дома от генератора таит в себе множество подводных камней и нюансов.

Поиск в интернете по соответствующей теме выдает множество ссылок на статьи и видеоролики, большинство из которых, к сожалению, написаны и сняты с дилетантским подходом. Реализация этих схем может привести к серьезным проблемам, начиная от сгоревшей техники и заканчивая электротравмами. В этой части разберемся с тем, как делать нельзя.

Категорически нельзя

1. Подключать генератор через обычную домовую розетку проводом вилка-вилка с отключением вводного автомата. Почему? Отвечаем:
   • Мощность самых популярных генераторов для частных домов как правило находится в границах от 5-6.5кВт. Бытовая розетка, при правильном монтаже, способна держать нагрузку до 16А (~3,5кВт), а при неправильном (не ГОСТовский провод, сечение менее 2.5 кв.см., китайская розетка, слабые контактные соединения и т.п.) 10А и менее. При повышении нагрузки возникает пожароопасная ситуация.
   • По ГОСТу (12.2.007.0-75 п.3.1.7) в электромонтаже не допускается наличие неизолированных токоведущих частей, а при использовании подключения вилка-вилка мы имеем возможность наличия опасного напряжения на одной из вилок.
   • Эта схема допускает механическую возможность подачи встречного напряжения на генератор, что приведет к выходу его из строя. Это возможно в том случае, если при работающем генераторе, один из домочадцев включит вводной автомат, зная, что появилось напряжение от сети.
2. Запрещается подключать генератор через распределительный щит с использованием схемы переключения на автоматах. Давайте посмотрим на пример, который нам довелось встретить на практике:

   Неправильная схема подключения генератора

   Опустим комментарии по качеству сборки этого щита. Чем опасна такая схема? При одновременном включении двух автоматов (в данном случае слева внизу “Ввод” и “Внешн.роз и генер”.) мы получаем встречное напряжение на линию генератора, что приводит к его выходу из строя. Включить сразу два автомата может непосвященный в схему член семьи или задумавшийся о смысле жизни хозяин дома. Необходимо использовать трехпозиционные реверсивные рубильники I-0-II (например, ABB OT40F3C)

3. Категорически нельзя подключать один из выходов генератора на общую нейтральную шину при отсутствии повторного заземления нейтрали в основном щите (схема ТТ) и/или на столбе и/или в шкафу учета. Такое заземление, как правило, отсутствует в старых СНТ или в поселках с нарушением норм прокладки силовых линий. Нарушая это правило, мы на “общественную” нейтраль отдаем опасное напряжение полуфазы с выхода нашего генератора. Это может привести к электротравмам у ваших соседей и работающих на линии электриков. Как определить, есть ли повторное заземление? Заземление нейтрали делается либо наверху столба через вывод арматуры, либо на стальную ленту, которая идёт вдоль столба и уходит в землю. Один из примеров схемы с заземлением нейтрали на столбе и организацией зазмеление по схеме TN-C-S

   Заземление нейтрали во ВРУ

Не рекомендуем:

1. Заземлять один из выходов генератора на общедомовую шину PE (землю). В случае, если у вас земля “отвалится” (сгниет провод, открутится соединение) опасное напряжение появится на всех заземленных приборах вашего дома.
2. Подключать бюджетные генераторы на прямую на нагрузку без использования фильтров сетевых помех. Изменение оборотов генератора вызывает сильные помехи и броски напряжение, которые опасны для чувствительного электронного оборудования (автоматика газовых котлов, дорогая бытовая техника).
3. Использовать трехфазные генераторы мощностью до 10кВт для резервного питания дома. Перекос по фазам приведет к быстрому выходу генератора из строя. Используйте однофазные генераторы со схемой объединения фаз.
4. Подключать инверторные генераторы на общую нейтральную шину. Это может привести к быстрому выходу генератора из строя.
5. Пренебрегать правилом заземления самого корпуса генератора.
6. Использовать неинверторный генератор без глухозаземленной нейтрали одного из его выходов, т.к. это приводит к некорректной работе автоматов диф.защиты (УЗО) и ошибкам в работе фазозависимых котлов.
7. Использовать для заземления выход генератора, который отключается однополюсным автоматом на его корпусе.

О том, как правильно подключить генератор в сеть (220/380В) загородного дома поговорим позднее.

Задавайте ваши вопросы в комментариях!

Tags:генераторы

Об авторе

Сергей Леднёв

Руководитель комплексных проектов по стабильному и бесперебойному электропитанию. [email protected]

Электрогенераторы | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитать ЭДС, индуцируемую в генераторе.
• Рассчитайте пиковую ЭДС, которая может быть наведена в конкретной генераторной системе.

Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко описано в ЭДС индукции и магнитном потоке. Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример.

Пример 1. Расчет ЭДС, индуцированной в катушке генератора

Катушка генератора, показанная на рисунке 1, поворачивается на четверть оборота (от θ = 0º до θ = 90º) за 15,0 мс. Круглая катушка из 200 витков имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 1,25 Тл. Чему равна средняя ЭДС индукции?

Рис. 1. Когда катушка этого генератора поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.

Стратегия

Мы используем закон индукции Фарадея, чтобы найти среднюю ЭДС, индуцированную за время Δ t :

[латекс]\text{ЭДС}=-N\frac{\Delta\Phi}{\ Дельта т}\\[/латекс].

Мы знаем, что N  = 200 и Δ t = 15,0 мс, поэтому мы должны определить изменение потока Δ Φ , чтобы найти ЭДС.

Решение

Поскольку площадь петли и напряженность магнитного поля постоянны, мы видим, что

[латекс]\Delta\Phi =\Delta\left(BA\cos\theta\right)=AB\Delta\left(\cos\theta \right)\\[/latex].

Теперь Δ (cos θ ) = −1,0, поскольку было дано, что θ изменяется от 0° до 90°. Таким образом, Δ Φ  = − AB и

[латекс]\text{emf}=N\frac{AB}{\Delta t}\\[/latex].

Площадь петли A = πr ² = (3,14…)(0,0500м) ² = 7,85 × 10 ⁻³ м ² . Ввод этого значения дает 9{-3}\text{ s}}=131\text{ V}\\[/latex].

Обсуждение

Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в домашнем хозяйстве.

ЭДС, рассчитанная в приведенном выше примере 1 , представляет собой среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной w и высотой ℓ в однородном магнитном поле, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, которая изменяется синусоидально во времени . Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот.

Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, так как движутся в магнитном поле. На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения принимается равной ЭДС = 9.0013 Bℓv , где скорость v перпендикулярна магнитному полю B . Здесь скорость составляет угол θ с B , так что ее составляющая, перпендикулярная B , равна v sin θ (см. рис. 2). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна ЭДС = Bℓv sin θ , и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС вокруг петли тогда равна

[латекс]\текст{ЭДС}=2{B\ell v}\sin\theta\\[/латекс].

Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω . Угол θ связан с угловой скоростью соотношением θ  =  ωt , так что

[латекс]\текст{ЭДС}=2{B\ell v}\sin\omega t\\[/ латекс].

Теперь линейная скорость v связана с угловой скоростью ω соотношением v  =  rω . Здесь r = w /2, так что v = ( w /2) ω , и

[латекс]\text{emf}=2 B\ell \frac }{2}\omega\sin\omega t=\left(\ell w\right)B\omega\sin\omega t\\[/latex].

Заметив, что площадь петли равна A  =  ℓ w , и учитывая N петель, мы находим, что

[латекс]\text{emf}=NAB\omega\sin\omega t\\[/latex]

— ЭДС , индуцированная в катушке генератора N витков и площадь A вращающаяся с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле B . Это также может быть выражено как

[латекс]\text{emf}={\text{emf}}_{0}\sin\omega t\\[/latex],

, где

[латекс]{\ text{emf}}_{0}=NAB\omega\\[/latex]

— максимальная (пиковая) emf . Обратите внимание, что частота колебаний равна f = ω /2π , а период равен T = 1/ f = 2π/ ω . На рис. 3 показан график зависимости ЭДС от времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.

Рис. 3. ЭДС генератора подается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. emf0 — пиковая эдс. Период T = 1/ f = 2π/ω, где f — частота. Обратите внимание, что буква E означает emf.

Тот факт, что пиковая ЭДС, ЭДС ₀  = NABω , имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше ω ), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых. Один из авторов, будучи подростком, находил забавным ехать на велосипеде достаточно быстро, чтобы сжечь его фары, пока однажды темной ночью ему не пришлось ехать домой без света. На рисунке 4 показана схема, с помощью которой можно сделать генератор для получения импульсного постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

Рис. 4. Разъемные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают на выходе импульсную ЭДС постоянного тока.

Пример 2. Расчет максимальной ЭДС генератора

Рассчитать максимальную ЭДС, ЭДС ₀ , генератора, рассмотренного в Примере 1. , определено, ЭДС ₀  = NABω  можно использовать для нахождения ЭДС ₀ . Все остальные величины известны.

Решение

Угловая скорость определяется как изменение угла в единицу времени:

[латекс]\омега =\фракция{\Дельта\тета}{\Дельта t}\\[/латекс].

Одна четвертая оборота составляет π/2 радиана, а время составляет 0,0150 с; таким образом,

[латекс]\begin{array}{lll}\omega & =& \frac{\pi /2\text{rad}}{0,0150 \text{s}}\\ & =& 104,7\text{ рад/с}\end{массив}\\[/latex].

104,7 рад/с — это ровно 1000 об/мин. Подставляем это значение на 9{2}\right)\left(1.25\text{ T}\right)\left(104.7 \text{ рад/с}\right)\\ & =& 206\text{ V}\end{массив}\\ [/латекс].

Обсуждение

Максимальная ЭДС больше, чем средняя ЭДС 131 В, найденная в предыдущем примере, как и должно быть.

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. На рис. 5 показан вид в разрезе паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 5. Паровая турбина/генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В разделе «Обратная ЭДС» мы дополнительно исследуем работу двигателя как генератора.

Резюме раздела

• Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, определяемую как функция времени

  [латекс]\text{emf}=2{B\ell v}\sin\omega t\\[/latex],

  где A  является площадью N -витковой катушки, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле B .

• Пиковая ЭДС ЭДС ₀ генератора равна

  эдс ₀  = NABω

Концептуальные вопросы

1. Используя RHR-1, покажите, что ЭДС на сторонах контура генератора на рисунке 4 одинаковы, и, таким образом, добавьте.
2. Источником электрической энергии генератора является работа, совершаемая для вращения его катушек. Как работа, необходимая для поворота генератора, связана с законом Ленца?

Задачи и упражнения

1. Рассчитайте пиковое напряжение генератора, который вращает катушку из 200 витков диаметром 0,100 м со скоростью 3600 об/мин в поле 0,800 Тл.

2. При какой угловой скорости в об/мин пиковое напряжение генератора составит 480 В, если его 500-витковая катушка диаметром 8,00 см вращается в поле 0,250 Тл?

3. Какова пиковая ЭДС, создаваемая вращением катушки диаметром 20,0 см из 1000 витков в магнитном поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵  Тл, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и поворачивается параллельно полю за 10,0 мс?

4. Какова пиковая ЭДС, создаваемая катушкой радиусом 0,250 м, состоящей из 500 витков, которая поворачивается на четверть оборота за 4,17 мс, первоначально имея плоскость, перпендикулярную однородному магнитному полю. (Это 60 об/с.)

5. (a) Велосипедный генератор вращается со скоростью 1875 рад/с, производя пиковую ЭДС 18,0 В. Он имеет прямоугольную катушку размером 1,00 на 3,00 см в поле 0,640 Тл. Сколько витков в катушке? (b) Практично ли такое количество витков провода для катушки размером 1,00 на 3,00 см?

6. Интегрированные понятия Эта задача относится к велосипедному генератору, рассмотренному в предыдущей задаче. Он приводится в движение колесом диаметром 1,60 см, которое катится по внешнему ободу велосипедной шины. а) Какова скорость велосипеда, если угловая скорость генератора равна 1875 рад/с? б) Какова максимальная ЭДС генератора, когда велосипед движется со скоростью 10,0 м/с, учитывая, что в первоначальных условиях она составляла 18,0 В? (c) Если сложный генератор может изменять свое собственное магнитное поле, какая напряженность поля ему потребуется при скорости 5,00 м/с, чтобы произвести 90,00 В максимальная ЭДС?

7. (a) Автомобильный генератор вращается со скоростью 400 об/мин, когда двигатель работает на холостом ходу. Его 300-витковая прямоугольная катушка размером 5,00 на 8,00 см вращается в регулируемом магнитном поле, так что она может создавать достаточное напряжение даже при низких оборотах. Какая напряженность поля необходима для создания пиковой ЭДС 24,0 В? (b) Обсудите, как эта требуемая напряженность поля соотносится с напряженностью поля, доступной для постоянных и электромагнитов.

8. Покажите, что если катушка вращается с угловой скоростью ω , период ее выхода переменного тока равен 2π/ ω .

9. Катушка диаметром 10,0 см из 75 витков вращается с угловой скоростью 8,00 рад/с в поле 1,25 Тл, начиная с плоскости катушки, параллельной полю. а) Чему равна пиковая ЭДС? б) В какой момент времени достигается максимальная ЭДС? в) В какой момент ЭДС достигает своего максимального отрицательного значения? (d) Каков период выходного напряжения переменного тока?

10. а) Если ЭДС катушки, вращающейся в магнитном поле, равна нулю при t = 0 и возрастает до своего первого пика при t = 0,100 мс, какова угловая скорость катушки? б) В какое время произойдет ее следующий максимум? в) Каков период выпуска продукции? (d) Когда объем выпуска составляет первую четверть своего максимума? (e) Когда она составляет следующую четверть своего максимума?

11. Необоснованные результаты Катушка из 500 витков площадью 0,250 м ² вращается в поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл, производя максимальную ЭДС 12,0 кВ. а) С какой угловой скоростью должна вращаться катушка? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?

Глоссарий

электрогенератор:

Устройство для преобразования механической работы в электрическую энергию; он индуцирует ЭДС, вращая катушку в магнитном поле

ЭДС, индуцированная в катушке генератора:

э.д.с. = NAB ω sin ωt , где A – площадь N -витковой катушки, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω B, за период 001

в однородном магнитном поле. времени т

пиковая ЭДС:

эдс ₀  = NABω

Избранные решения задач и упражнений

1. 474 В

3. 0,247 В

5. (а) 50 (б) да

7. (а) 0,477 Тл (б) Эта напряженность поля достаточно мала, чтобы ее можно было получить с помощью либо постоянного магнит или электромагнит.

9. (а) 5,89 В (б) При t = 0 (в) 0,393 с (г) 0,785 с

11. (а) 1,92 × 10 ⁶ рад/с (б) Эта угловая скорость неоправданно высока, выше, чем может быть получена для любой механической системы. (c) Предположение, что можно получить напряжение до 12,0 кВ, неразумно.

 

10.6 Электрические генераторы и обратная ЭДС – введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

---

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснить, как работает электрический генератор
• Определить ЭДС индукции в петле в любой момент времени, вращающейся с постоянной скоростью в магнитном поле
• Показать, что вращающиеся катушки имеют ЭДС индукции; в двигателях это называется обратной ЭДС, потому что она противодействует входу ЭДС в двигатель

Множество важных явлений и устройств можно понять с помощью закона Фарадея. В этом разделе мы рассмотрим два из них.

Электрогенераторы

Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко описано в ЭДС движения. Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример.

ПРИМЕР 10.6.1

---

Расчет ЭДС, наведенной в катушке генератора

Катушка генератора, показанная на Рисунке 10.6.1 , поворачивается на четверть оборота (от до ) в . Круглая катушка -витка имеет радиус и находится в однородном магнитном поле. Какая ЭДС наведена?

(рис. 10.6.1)  

Рисунок 10.6.1  Когда эта генераторная катушка поворачивается на четверть оборота, магнитный поток  изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.

Стратегия

Закон индукции Фарадея используется для нахождения ЭДС индукции:

   

Мы распознаем эту ситуацию как ту же, что и в Примере 10.3.3. Согласно диаграмме, проекция вектора нормали к поверхности   на магнитное поле изначально равна , и это вставляется определением скалярного произведения. Величина магнитного поля и площадь петли фиксируются во времени, что упрощает интегрирование. ЭДС индукции записывается по закону Фарадея:

   

Решение

Нам дано, что , , , и . Площадь петли

   

Ввод этого значения дает

   

Значение

Это практическое среднее значение, аналогичное используемому в домашнем хозяйстве.

ЭДС, рассчитанная в Примере 10.6.1, – это среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной и высотой в однородном магнитном поле, как показано на рисунке 10.6.2.

(рис. 10.6.2)  

Рисунок 10.6.2  Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, которая изменяется синусоидально во времени. Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот.

Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, так как движутся в магнитном поле. На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения равна , где скорость перпендикулярна магнитному полю . Здесь скорость находится под углом  с , так что ее составляющая, перпендикулярная  , равна  (см. рис. 10.6.2). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна , и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС контура тогда равна 9.0005

(10.6.1)  

Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью . Угол связан с угловой скоростью соотношением , так что

(10.6.2)  

Теперь линейная скорость  относится к угловой скорости  соотношением . Здесь , так что , и

(10.6.3)  

Заметив, что площадь петли равна , и учитывая количество петель, мы находим, что

(10.6.4)  

Это ЭДС, индуцированная в генераторной катушке из витков и площади, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле. Это также может быть выражено как

(10.6.5)  

где

(10.6.6)  

— пиковая ЭДС, так как максимальное значение . Обратите внимание, что частота колебаний равна  , а период – . На рисунке 10.6.3 показан график ЭДС как функции времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.

(рис. 10.6.3)  

Рисунок 10.6.3  ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана ЭДС генератора как функция времени, где пиковая ЭДС. Период , где частота.

Тот факт, что пиковая ЭДС равна  , имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше ), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых.

На рисунке 10.6.4 показана схема, по которой генератор может производить импульсы постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

(рис. 10.6.4)  

Рисунок 10.6.4  Разъемные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают импульсную ЭДС постоянного тока.

В реальной жизни электрические генераторы сильно отличаются от рисунков в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. На рис. 10.6.5 показан вид паровой турбины в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора. Генерация электрической энергии из механической энергии является основным принципом всей энергии, которая передается через наши электрические сети в наши дома.

(рис. 10.6.5)  

Рисунок 10.6.5  Паровая турбина/генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором.

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В следующем разделе мы дополнительно исследуем действие двигателя в качестве генератора.

Задняя ЭДС

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, тогда как двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Таким образом, неудивительно, что двигатели и генераторы имеют одинаковую общую конструкцию. Двигатель работает, посылая ток через петлю провода, расположенную в магнитном поле. В результате магнитное поле оказывает крутящий момент на петлю. Это вращает вал, тем самым извлекая механическую работу из электрического тока, подаваемого изначально. (См. «Сила и крутящий момент в токовой петле» для обсуждения двигателей, которые помогут вам больше узнать о них, прежде чем продолжить.)

Когда катушка двигателя поворачивается, магнитный поток через катушку изменяется, и индуцируется ЭДС (в соответствии с законом Фарадея). Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается. Это происходит независимо от того, вращается ли вал от внешнего источника, например, от ременной передачи, или от действия самого двигателя. То есть, когда двигатель совершает работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС противодействует любому изменению, так что входная ЭДС, питающая двигатель, противостоит ЭДС, создаваемой самим двигателем, называемой 9. 0027 противоЭДС  двигателя (рисунок 10.6.6).

(рис. 10.6.6)  

Рисунок 10.6.6  Катушка двигателя постоянного тока представлена ​​на этой схеме в виде резистора. Обратная ЭДС представлена ​​как переменная ЭДС, которая противодействует ЭДС, приводящей в движение двигатель. Обратная ЭДС равна нулю, когда двигатель не вращается, и увеличивается пропорционально угловой скорости двигателя.

Выходная мощность генератора двигателя представляет собой разницу между напряжением питания и противо-ЭДС. Обратная ЭДС равна нулю при первом включении двигателя, а это означает, что катушка получает полное управляющее напряжение, а двигатель потребляет максимальный ток, когда он включен, но не вращается. По мере того, как двигатель вращается быстрее, обратная ЭДС растет, всегда противодействуя ЭДС возбуждения, и снижает как напряжение на катушке, так и количество потребляемого ею тока. Этот эффект заметен во многих распространенных ситуациях. Когда пылесос, холодильник или стиральная машина включаются впервые, свет в той же цепи ненадолго тускнеет из-за падения напряжения в фидерных линиях из-за большого тока, потребляемого двигателем.

Когда двигатель впервые включается, он потребляет больше тока, чем при работе с нормальной рабочей скоростью. Когда на двигатель воздействует механическая нагрузка, например, электрическая инвалидная коляска, поднимающаяся в гору, двигатель замедляется, обратная ЭДС падает, протекает больший ток и можно выполнить больше работы. Если двигатель работает на слишком низкой скорости, больший ток может перегреть его (из-за сопротивления в катушке), возможно, даже сжечь его. С другой стороны, если на двигатель нет механической нагрузки, он увеличивает свою угловую скорость до тех пор, пока противо-ЭДС не станет почти равной движущей ЭДС. Тогда двигатель использует ровно столько энергии, сколько необходимо для преодоления трения.

Вихревые токи в железных сердечниках двигателей могут вызывать значительные потери энергии. Их обычно минимизируют за счет изготовления сердечников из тонких электроизолированных листов железа. На магнитные свойства сердечника практически не влияет ламинирование изоляционного листа, в то время как резистивный нагрев значительно снижается. Рассмотрим, например, катушки двигателя, представленные на рисунке 10.6.6. Катушки имеют эквивалентное сопротивление  и управляются ЭДС . Вскоре после включения они потребляют ток

   

и, таким образом, рассеивают энергию в виде теплопередачи. Предположим, что при нормальных условиях работы этого двигателя противо-ЭДС равна . Тогда при рабочей скорости общее напряжение на катушках равно (минус противо-ЭДС), а потребляемый ток равен

.

   

Таким образом, при нормальной нагрузке рассеиваемая мощность составляет . Это не создает проблем для этого двигателя, в то время как первый сгорит катушки, если будет работать продолжительное время.

ПРИМЕР 10.6.2

---

Двигатель с последовательным возбуждением в работе

Общее сопротивление двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой равно (рис. 10.6.7). При подключении к источнику () двигатель работает с постоянной угловой скоростью. а) Чему равна противоЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке? б) Какова механическая мощность двигателя? в) Какая мощность рассеивается на сопротивлении катушек? г) Какова выходная мощность источника? (e) Предположим, что нагрузка на двигатель увеличивается, заставляя его замедляться до точки, в которой он тянет . Ответьте на пункты с (а) по (г) для этой ситуации.

(рис. 10.6.7)  

Рисунок 10.6.7  Представление схемы двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой.

Стратегия

Обратная ЭДС рассчитывается на основе разницы между подаваемым напряжением и потерями от тока через сопротивление. Мощность каждого устройства рассчитывается по одной из формул мощности на основе предоставленной информации.

Решение

а. Противоэдс

   

б. Поскольку потенциал на якоре равен , когда ток через него равен , выходная мощность двигателя равна

   

в. Ток протекает через катушки, общее сопротивление которых равно , поэтому мощность, рассеиваемая в катушках, составляет

   

д. Поскольку берется из источника, его выходная мощность составляет

   

эл. Повторяя те же вычисления с , находим

   

В этом случае двигатель вращается медленнее, поэтому его выходная мощность и мощность источника больше.