ГЛАВА XIII. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

§ 78. Генерирование переменного тока

Представим себе, что в постоянном и однородном магнитном поле помещен замкнутый проводник, например один виток проволоки, охватывающий площадь (рис. 329 и 330). Будем вращать этот виток вокруг оси перпендикулярной к полю.

Рис. 329. Виток проволоки в магнитном поле.

Рис. 330. Генерирование тока при вращении проводника в магнитном поле.

Когда площадь витка перпендикулярна к полю, то поток индукции сквозь эту площадь, выраженный в максвеллах, будет:

При повороте на поток индукции сквозь площадь витка сделается равным нулю. При некотором угле а между магнитным полем и направлением нормали к площади витка поток индукции будет равен

Пусть вращение происходит равномерно и полный оборот совершается за время тогда

где — угловая скорость вращения. Подставляя это выражение для угла поворота в предыдущую формулу, получим:

По такому закону будет изменяться поток индукции со временем.

Вследствие изменения потока во вращающемся витке появится электродвижущая сила индукции

Взяв производную от по I, находим:

и, следовательно,

Итак, при равномерном вращении витка в постоянном магнитном поле в этом витке проводника возникает синусоидально изменяющаяся электродвижущая сила

Здесь величина представляет собой наибольшее значение электродвижущей силы (при ),

Сравнивая выражения для потока и для электродвижущей силы, мы видим, что наибольшее значение электродвижущая сила имеет в тот момент, когда поток сквозь контур витка равен нулю, т. е. когда площадь витка параллельна линиям сил поля. Когда площадь витка становится в положение, перпендикулярное к линиям сил поля, то поток будет наибольшим, но электродвижущая сила в этот момент становится равной нулю.

Амплитуда электродвижущей силы будет тем больше, чем больше индукция чем больше площадь витеа и чем быстрее мы вращаем виток в магнитном поле.

На практике берут чаще всего период сек., тогда со

Электродвижущая сила, получаемая от вращения одного витка, невелика. Пусть, например, электромагнит дает и между его полюсами вращается виток проволоки площадью в тогда

Вращая не один виток, а целую катушку, состоящую из витков проволоки, мы получаем электродвижущую силу, в раз большую.

В итоге при равномерном вращении проводника в однородном магнитном поле в проводнике индуцируется ток, напряжение и величина которого периодически изменяются. Такой ток называют переменным током. Переменные токи по характеру подъема и падения тока могут быть разнообразной «формы»; переменный ток, представленный равенством

называют синусоидальным переменным током, или, короче, синусоидальным током. Переменный ток любой формы можно мыслить как совокупность многих наложенных друг на друга синусоидальных токов; таким образом, синусоидальный ток является простейшей формой переменного тока. Вспомним (т. I, стр. 229), что по теореме Фурье любая несинусоидально меняющаяся периодическая величина может быть представлена как сумма бесконечного ряда синусоидальных величин, периоды которых будут Для примера на рис. 331 дано разложение периодического тока прямоугольной формы на составляющие синусоидальные токи. Несмотря на то, что число составляющих взято всего три, сумма составляющих уже до известной степени приближается к прямоугольной форме; взяв достаточное число составляющих, мы получили бы почти точное совпадение.

Рис. 331. Разложение прямоугольной кривой тока на составляющие синусоидальные токи»

Так как частота представляет собой число периодов в секунду, то продолжительность одного периода равна

Как уже было упомянуто, в Европе и в СССР обычно применяют ток с частотой 50 периодов в 1 сек., или, что то же, 50 гц. В Америке стандартом частоты является 60 гц. Соответствующая продолжительность периода равна 0,02 и 0,0167 сек.

Переменный ток в металлах представляет собой движение свободных электронов то в одном, то в противоположном направлении. В случае синусоидального тока характер этого движения совпадает с гармоническим колебанием. Если движение электронов происходит только в одном направлении, но скорость движения, а следовательно, и величина тока периодически изменяются, то ток может быть назван пульсирующим; иначе его называют выпрямленным током.

Выпрямленный ток и притом со сглаженными пульсациями величины тока, т. е. почти постоянный ток, может быть получен при таком же вращении витков проволоки в магнитном поле, которое используется для генерирования переменного тока. Но в этом случае ток, генерируемый в витках обмотки ротора машины, отбирают не с колец (как это схематически показано на рис. 330), а с коллектора (рис. 332).

Рис. 332. Схема генератора постоянного токак

Устройство генераторов — динамо-машин — как переменного, так и постоянного тока аналогично устройству электромоторов. Каждую динамо-машину, если вместо механической мощности подвести к ней ток, можно превратить в электромотор, а каждый электромотор, если вращать его ротор, можно превратить в динамо-машину. По принципу действия одна машина есть непосредственное обращение другой.

Как и моторы, динамо-машины могут быть с последовательным возбуждением (сериес-динамо) и с параллельным возбуждением (шунтовые динамо); в первом случае ток из якоря сначала проходит по обмотке электромагнитов и потом идет во внешнюю цепь, во втором случае обмотка электромагнитов и внешняя цепь присоединяются к щеткам, собирающим ток якоря, параллельно. Существуют и динамо-машины, имеющие как последовательное, так и параллельное включение обмотки электромагнитов (компаунд-машины).

Остаточный магнетизм железных невозбужденных электромагнитов является достаточным для индуцирования начального тока в якоре. Этот ток, проходя по обмотке электромагнитов, усиливает их магнитное поле, что приводит к увеличению тока, индуцируемого в якоре машины.

При конструировании более или менее мощных генераторов переменного тока оказалось удобным вращать не якорь, в котором индуцируется ток, а электромагниты (в этом случае отпадает необходимость отбирать индуцированный ток посредством скользящих контактов). Простейшая схема такого генератора переменного тока показана на рис. 333. Мы видим здесь две основные части: вращающийся электромагнит—ротор — и статор с обмоткой, в которой возбуждается электродвижущая сила.

Легко видеть, что при прохождении полюсных наконечников ротора мимо катушек статора направление потока, пронизывающего катушку, будет изменяться с каждым полуоборотом ротора; за каждый полный оборот ротора мы получим полный период изменения потока а следовательно, и полный период индуцированной в катушках электродвижущей силы.

Пусть число оборотов ротора в 1 мин. равно тогда число оборотов в 1 сек. равно Соответствующее число периодов электродвижущей силы будет, очевидно, также Легко вычислить число оборотов, которые должен делать ротор, чтобы обеспечить нормальную частоту 50 гц:

Рис. 333. Схема генератора переменного тока.

Вращая ротор со скоростью 3000 об/мин., мы получим на зажимах катушек статора переменную электродвижущую силу частоты 50 гц.

Величина этой электродвижущей силы зависит, естественно, от числа витков катушки и от величины магнитного потока, создаваемого ротором.

Если катушки статора не замкнуты на нагрузку, то генератор идет, как говорят, на холостом ходу. При этом двигатель, ведущий генератор (паровая турбина, дизель), не затрачивает никакой работы кроме той, которая составляет потери на трение в подшипниках и на гистерезис и токи Фуко в железе статора.

Нагрузим генератор, замкнув катушки статора на сопротивление. Посмотрим, что произойдет при прохождении мимо катушки статора какого-либо из полюсов ротора, например северного. При приближении полюса к катушке, т. е. при увеличении потока сквозь катушку, в ней возникает ток вместе с которым возникнет порожденный им собственный магнитный поток катушки. Этот собственный поток катушки согласно закону Ленца (§ 71) должен противодействовать возрастанию потока сквозь катушку, т. е. направление его будет противоположно направлению потока приближающегося полюса ротора. Таким образом, при приближении полюса ротора к катушке статора сердечник катушки приобретает полярность, одноименную приближающемуся полюсу. Двигателю, вращающему генератор, приходится преодолевать силы отталкивания между катушкой и полюсом. При удалении полюса от катушки картина меняется на обратную. Поток, пронизывающий катушку, уменьшается; собственный поток катушки стремится воспрепятствовать этому уменьшению. Сердечник катушки получает полярность, противоположную уходящему полюсу. Двигателю приходится преодолевать силы притяжения между катушкой и полюсом.

Мы видим, что нагруженный генератор оказывает тормозящее действие на ведущий его двигатель; двигатель совершает работу, которая и обращается в электроэнергию, расходуемую на нагрузочном сопротивлении.

Конечно, известная часть энергии затрачивается также на сопротивление самих катушек, на внутреннее сопротивление генератора, однако эти потери при малом сопротивлении обмоток бывают невелики.

Обычно электромагниты ротора питаются от вспомогательной динамо постоянного тока, сидящей на общем с ротором валу. Ток к ротору подводится при помощи двух контактных колец и скользящих по ним щеток.

Число оборотов генератора, ротор которого обладает только одной парой полюсов, как мы видели, довольно высоко; это удобно при соединении генератора с паровой турбиной (турбогенератор). Однако во многих случаях бывает удобнее иметь генератор с меньшим числом оборотов, именно в том случае, когда

мы имеем двигатель сравнительно тихоходный, например дизель. В этих случаях применяются машины с большим количеством пар полюсов (рис. 334). Легко понять что каждой паре полюсов, проходящих один за другим перед катушкой статора, соответствует один период изменения отдаваемого напряжения.

Рис. 334. Схема многополюсного генератора переменного тока.

Если число пар полюсов мы назовем то число периодов будет равно числу пар полюсов, проходящих в 1 сек. мимо катушки:

Мощность генераторов переменного тока доведена до и напря жение до 20 тыс. в.