Конспект по физике на тему генератор. Учитель физики Шпаковская О.Ю. Генерирование электрической энергии. Тема. Переменный ток. Генератор переменного тока

Разделы: Физика

Тип урока – формирование новых знаний.

Оборудование:

• таблица “Принцип работы генератора переменного тока”,
• видеофрагмент “Переменный ток против постоянного”,
• модель генератора переменного тока.

Цель урока:

• изучить устройство и принцип работы генератора переменного тока, определение переменного тока, параметры, характеризующие ток (амплитуда, период, частота, фаза), сформировать умение аналитическим и графическим методом определять параметры переменного тока;
• развивать умение анализировать и классифицировать полученную информацию, пользоваться справочной литературой.

1. Проводник находится в электрическом поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?

А. Совершают колебательное движение
Б. Хаотично
В. Упорядоченно

2. Что принято за направление электрического тока?

А. Направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.
Б. Направление упорядоченного движения отрицательно заряженных частиц.
В. Определённого ответа дать нельзя.

3. Какова роль источника тока в электрической цепи?

А. Порождает заряженные частицы.
Б. Создаёт и поддерживает разность потенциалов в электрической цепи.
В. Разделяет положительные и отрицательные заряды.

4. В проводнике отсутствуют электрическое поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?

А. Совершают колебательное движение.
Б. Хаотично.
В. Упорядоченно.

5. Какие силы вызывают разделение зарядов в источнике тока?

А. Кулоновские силы отталкивания.
Б. Сторонние (неэлектрические) силы.
В. Кулоновские силы отталкивания и сторонние (неэлектрические) силы.

3. Сообщение цели и плана урока .

Мы повторили материал о постоянном электрическом токе, а теперь изучим переменный электрический ток. (Слайды 3,4)

знать:

• определение переменного тока
• параметры переменного тока (амплитуда, период, частота, фаза)
• способ получения переменного тока

уметь:

• определять параметры переменного тока
• строить по данным таблицы и читать график переменного тока

4. Изучение нового материала.

До конца XIX века использовались только источники постоянного тока – химические элементы и генераторы. Это ограничивало возможности передачи электрической энергии на большие расстояния. Проблема была решена при использовании переменного тока и трансформаторов.

(Слайды 5,6)

Переменный ток – это ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени и который характеризуется амплитудой, периодом, частотой, фазой .

Амплитуда – максимальное значение физической величины.(обозначают прописными буквами с индексом m: Im, Um, Em

Период – время, в течение которого переменный ток совершает полный цикл своих изменений. Т – период, с.

Частота – это число периодов в секунду. f – частота, Гц.

f = 50Гц– промышленная частота переменного тока в России.

Это интересно. (Слайд 7).

(Сообщение студента о выборе промышленной частоты в других странах).

Рассмотрим примеры параметров переменного тока. (Слайд 8)

Получение (генерирование) переменного тока.

(Слайды 9,10)

Честь создания генераторов переменного тока, совершивших революцию в электротехнике, принадлежит сербу Н. Тесле и русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому.

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции (ЭМИ).

Устройство генератора переменного тока. (Слайд 11)

1. Обмотка статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В ней наводится ЭДС.
2. Станина, внутри которой размещены статор и ротор.
3. Ротор (вращающаяся часть генератора) создаёт магнитное поле от электромашины постоянного тока.
4. Статор состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов. Пластины – из электротехнической стали.
5. Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.

При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится ЭДС:

е = E sin t = BSN sin 2nt,

где e = BSN – максимальное значение ЭДС; n – число оборотов ротора в секунду; N – число витков обмотки статора.

Вырабатываемое напряжение в промышленных генераторах -В.

При вращении рамки в магнитном поле меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная ЭДС индукции. Если цепь замкнута, то возникает индуктивный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через 1 / 2 Т – по направлению.

Вынужденные электрические колебания, возникшие в цепях под действием напряжения, осуществляются по синусоидальному закону u =sint или u =cost. .

ЭДС якоря зависит от потока и скорости вращения.

4-4. Реакция якоря в машинах постоянного тока

В режиме холостого хода генератора постоянного тока ток возбуждения создает основной поток, который при вращении якоря наводит в обмотке якоря ЭДС. Поток при холостом ходе имеет симметричный характер, рис. 181. Если якорную цепь подключить к нагрузке, то по обмотке якоря будет протекать ток, который создаст свой поток.

Взаимодействие потока якоря с потоком основных полюсов и называется реакцией якоря. Картину распределения потока якоря можно представить на рис. 182.

При холостом ходе генератора ЭДС, наводимая в обмотке якоря, определяется по правилу правой руки. Подключив нагрузку, в якоре появится ток с тем же направлением что и ЭДС. Ток создаст поток, который, взаимодействуя с потоком основных полюсов, создаст результирующий поток. За счет потока якоря набегающий край полюса будет размагничиваться, а сбегающий край полюса намагничиваться, рис. 183. Физическая нейтраль у генератора будет сдвигаться по ходу вращения якоря. Она перпендикулярна результирующему потоку.

Рис. 181 Рис. 182 Рис. 183

Реакция якоря у двигателя противоположна генератору.

Генератор Двигатель

При одинаковом направлении вращения якоря, независимо от режима работы, направление ЭДС в якоре одинаково. В двигательном режиме ток якоря направлен встречно ЭДС, поэтому реакция якоря двигателя противоположна генератору, т.е. набегающий край полюса будет намагничиваться, а сбегающий край полюса размагничиваться.

Рассмотрим намагничивающую силу реакции якоря, магнитную индукцию якоря и результирующую индукцию на полюсном делении.

Для рассмотрения намагничивающей силы реакции якоря введем понятие о линейной нагрузке якоря – ток приходящийся на единицу длины окружности якоря.

Путем введения этой величины можно условно заменить зубчатый якорь гладким, у которого линейная нагрузка равномерно распределена по всей поверхности. У реального якоря ток находится только в пазах, что осложняет расчет.

По закону полного тока следует, что намагничивающая сила по замкнутому контуру равна полному току, который охватывается этим контуром, а полный ток на данной длине определяется линейной нагрузкой.

Поэтому намагничивающая сила реакции якоря - линейный закон.

Определим закономерность индукции якоря. - линейный закон сохраняется под полюсами, а между полюсами за счет большого сопротивления воздуха кривая индукции имеет провал. (), рис. 184. При холостом ходе индукция имеет вид близкий к трапеции.

Результирующая кривая индукции имеет искаженный характер, т. е. набегающий край полюса размагничивается, а сбегающий намагничивается. Щетки установлены на нейтрали. Реакция якоря при этом будет поперечная, рис. 185.

Рис.185 Рис. 186 Рис. 187

Если щетки установить вдоль полюсов, реакция якоря будет продольно размагничивающая, рис. 186. Если щетки генератора сдвинуть на дугу () по направлению вращения то реакцию якоря можно разложить по осям, рис. 187

, ,

где: - поперечная ось

Продольная ось.

Поперечная намагничивающая сила искажает магнитный поток, а продольная размагничивает.

Реакция якоря влияет на все характеристики генераторов постоянного тока.

4-5. Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы классифицируются:

1. генератор независимого возбуждения, рис. 188.

2. генераторы с самовозбуждением:

а) генератор параллельного возбуждения, рис. 189.

б) генератор последовательного возбуждения, рис. 190.

в) генератор смешанного возбуждения, рис. 191.

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения (рис. 192).

Механическая мощность на валу

Электромагнитная мощность

Отдаваемая электрическая мощность

- потери магнитные, механические, электрические, потери в щеточном контакте.

Разделив уравнение на ток якоря , получим:

или

4-5-1. Электромагнитный момент генератора постоянного тока

Сила, воздействующая на проводник с током равна , рис. 193. Для расчета принимаем индукцию на полюсном делении среднюю величину. Ток во всех проводниках одинаков, индукция средняя, каждый проводник практически пересекает магнитную линию перпендикулярно. Исходя из этого, можно суммарную силу всех проводников сосредоточить в одном проводнике.

Где - число проводников обмотки якоря. Электромагнитный момент

заменим , , ,получим ,

где: , - поток, тогда

Электромагнитный момент зависит от потока и тока якоря. В генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным. Уравнение равновесного состояния моментов запишется , где:

Механический момент на валу генератора

Момент холостого хода

Электромагнитный момент

4-5-2. Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения представлена на рис. 194.

Свойства генератора определяются его характеристиками.

1.Характеристика холостого хода: , , , рис. 195

Пунктирная - расчетная характеристика холостого хода.

Характеристика холостого хода позволяет судить о степени насыщения магнитной цепи.

2. Нагрузочная характеристика: , , , рис.47.

Треугольник - характеристический. Катет - ток возбуждения, который идет на компенсацию реакции якоря.

3.Внешняя характеристика: , , рис. 48,Рис.

Электротехника с основами электроникиУчебное пособие >> Физика

Указаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, ... , проанализировать энергетические соотношения и... рода электрических машин и... в промышленных электрических установках нежелательное и опасное... 1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника . - М.: Высшая школа, ...

План урока.

Дисциплина: Электротехника и электроника.

Тема: Генераторы постоянного тока.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: лекция

Метод обучения: объяснительно-иллюстративный

Цели урока:

Обучающая: сформировать у учащихся понятие о назначении ГПТ, его устройстве и способах включения.

Задачи:

Рассказать о назначении ГПТ;

Рассмотреть устройство ГПТ;

Ознакомить схемами включения ГПТ;

Развивающая цель: развить практико-ориентированное мышление.

Задачи:

Развить способность видеть взаимосвязь законов, явлений электротехники и применение их на практике;

Развить способность сравнивать и анализировать.

Воспитательная цель: воспитывать положительное отношение к знаниям.

Задачи: воспитывать умение видеть результаты своего труда и оценивать их.

Наглядность на уроке:

Макет машины постоянного тока.

Плакат МПТ;

Видеоролик;

Электронный образовательный ресурс.

Ход урока:

1. Организационный момент:

Приветствие

Проверка присутствующих

Организация внимания.

2. Целеполагание и мотивация:

Постановка цели перед учащимися

Ознакомление студентов планом урока

Формирование установок на восприятие и осмысление учебной информации.

3. Актуализация ранее усвоенных знаний:

Вопросы:

Какая электическая машина называется генератором?

На каком явлении основан принцип действия генераторов?

Какое электротехническое устройство называется электромагнитом и для чего оно предназначено?

От чего зависит величина ЭДС, наводимой в рамке?

Какое напряжение снимается со щеток?

4. Формирование новых понятий.

Основные узлы ГПТ, их назначение, конструктивные особенности.Материалы для их изготовления.

Схемы включения ГПТ. Характеристики ГПТ при различных схемах включения. Самовозбуждение ГПТ.

Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов.

Внешняя характеристика генератора

Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R в . Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.

5. Закрепление полученных знаний:

Заклеить рисунок МПТ в тетрадь и записать названия основных узлов согласно нумерации на рисунке.

Какие способы возбуждения ГПТ Вы знаете?

Каково назначение коллектора?

6. Подведение итогов урока.

Что нового узнали на уроке?

Что для вас было наиболее сложным?

Чему научились?

Выставление оценок.

Задание на дом.

ознакомиться с устройством, принципом действия, основными режимами работы генератора постоянного тока с независимым возбуждением;

приобрестипрактические навыки пуска, эксплуатации и остановки генератора постоянного тока;

экспериментально подтвердить теоретические сведения о характеристиках генератора постоянного тока.

Основные теоретические положения

Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. обладают свойством обратимости.

Генератор постоянного тока - это электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока.

Электродвигатель постоянного тока -электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Общий вид электрической машины постоянного тока представлен на рис. 1.

Устройство электрической машины постоянного тока

Как и любая другая электрическая машина, машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и вращающейся части -ротора 1, выполняющего функциюякоря , так как в его обмотках наводится ЭДС.

В статоре машины находится обмотка возбуждения, создающая необходимый магнитный поток Ф . Статор состоит из цилиндрической станины 2 (стальное литье, стальная труба или сваренная листовая сталь), к которой крепятся главные 3 и дополнительные 4 полюса с обмотками возбуждения. С торцов статор закрывают подшипниковые щиты 5. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса с щетками 6.

Якорь состоит из цилиндрического пакета (набранного из лакированных листов электротехнической стали для ослабления вихревых токов). В пазы сердечника якоря укладывается обмотка, соединенная с коллектором 7; все это закрепляется на валу якоря.

Принцип действия

Простейшую электрическую машину можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 2,а ,б ). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим принцип работы электрической машины в режиме генератора. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя (ПД). Виток пересекает магнитное поле, и в нем по закону электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него - к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя щетка - отрицательным. При повороте витка на 180 0 проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменится на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя пластина-с верхней щеткой, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т.е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Для уменьшения пульсаций в генераторе постоянного тока вместо одной катушки по окружности якоря размещается несколько равномерно разнесенных обмоток, которые образуют обмотку якоря, и присоединяются для изменения полярности ЭДСк коллектору, состоящему из большего числа сегментов. Поэтому ЭДСв цепи между выводами щеток пульсирует уже не так сильно, т.е. получается практически постоянной.

Для этой постоянной ЭДС справедливо выражение

Е =с 1 Фn ,

где с 1 -коэффициент, зависящий от конструктивных элементов якоря и числа полюсов электрической машины;Ф - магнитный поток;n - частота вращения якоря.

При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток i = I я, направление которого совпадает с направлением ЭДС (см. рис. 2,б ). По закону Ампера взаимодействие тока i и магнитного поляВ создает силуf , которая направлена перпендикулярноВ иi . Направление силыf определяется правилом левой руки: на верхний проводник сила действует влево, на нижний-вправо. Эта пара сил создает вращающий моментМ вр , направленный в данном случае против часовой стрелки и равный

М =с 2 Ф I я.

Этот момент противодействует моменту привода, т.е. является тормозящим моментом.

Ток якоря I я вызывает в якорной обмотке с сопротивлениемR я падение напряженияR я I я , так что при нагрузке напряжениеU на выводах щеток получается меньше, чемЭДС , а именно

U = E – R я I я.

Основные части генератора:

Индуктор – устройство, создающее МП. Якорь – обмотка, в которой индуцируется ЭДС. Кольца со щетками – устройство, которым снимают с вращающихся частей индукционный ток или подают ток питания электромагнитом.

Трансформатор.

Мгновенные значения ЭДС е 1 и е 2 изменяются синфазно (одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль.) Поэтому отношение можно заменить:

Вывод о назначении трансформатора

Наиболее важное применение трансформатора - это передача электрической энергии на большое расстояние. Большое практическое применение трансформатор находит в электросварке. Образование двух противоположных магнитных потоков в сердечнике полностью нагруженного трансформатора положено в основу устройства современного бытового электрического звонка. В радиотехнике для понижения напряжения (силовые трансформаторы).

Вопрос:
1. Какой электрический ток называется переменным?
1) Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению
2) Электрический ток, периодически меняющийся со временем
3) Электрический ток, периодически меняющийся по модулю
4) Электрический ток, периодически меняющийся со временем по направлению

2. Где используют переменный электрический ток?
1) в домах. 2) квартирах. 3) на производстве. 4) на автомобилях.
5) велосипедах.

3. Почему генераторы переменного тока называют индукционными?
1) их действие основано на явлении электрического тока
2) их действие основано на магнитном действии
3) их действие основано на явлении электромагнитной индукции
4) их действие основано на явлении постоянного магнита:

4. Из чего состоит электромеханический индукционный генератор?
1) генератора. 2) станины. 3) статора.
4) ротора. 5) полукольца. 6) щетки.
5. Какая часть индукционного генератора подвижная?
1) статор. 2) ротор. 3) щетки. 4) обмотка.

6. Какая часть индукционного генератора не подвижна?
1) обмотка. 2) ротор. 3) статор.

7. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловых станциях?
1) водой. 2) паром от сгоревшего топлива. 3) бензином. 4) керосином.

8. Чем приводится во вращение ротор генератора на гидроэлектростанции?
1) паром. 2) водой. 3) керосином. 4) кувалдой.

9. Какова стандартная частота переменного тока?
1) 65Гц. 2) 55 Гц. 3) 40 Гц. 4) 50 Гц. 5) 70 Гц.

10. Из каких элементов состоит трансформатор?
1) сердцевина. 2) сердечник. 3) первичная обмотка.
4) вторичная обмотка. 5) обмотки из проволоки.

11. Для чего предназначен трансформатор?
1) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения переменного напряжения и силы тока
2) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения переменного напряжения
3) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения силы тока
4) Трансформатор предназначен для уменьшения переменного напряжения и силы тока
5) Трансформатор предназначен для увеличения напряжения и силы тока

12. Сколько видов трансформаторов существует?
1) 1. 2) 2. 3) 3. 4) 4. 5) 5.

13. К какой обмотке трансформатора подключают переменный электрический ток?
1) к первичной. 2) к вторичной. 3) к первичной и вторичной.

14. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП?
1) закон Джоуля. 2) закон Джоуля-Ленца. 3) закон Ленца.
4) закон Паскаля. 5) закон Ньютона.

15. Кто изобрел трансформатор?
1) Лебедев. 2) Тимирязев. 3) Яблочков. 4) Паскаль.