Способы генерирования электрической энергии, устройство простейшего трансформатора.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| generirovanie_elektricheskoy_energii._transformatory.pptx | 2.09 МБ |
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Генерирование электрической энергии. Трансформатор. Выполнила: Юмабаева М. М. учитель физики МОУ «СОШ №38 им. В. И. Машковцева » г. Магнитогорск
Практически вся жизнь человека в быту связана с электричеством. А что будет, если его не станет? Как наша прожила б планета, Как люди жили бы на ней Без теплоты, магнита, света И электрических лучей? А. Мицкевич
Как вы думаете, какой теме будет посвящен сегодняшний урок?
Преимущества электроэнергии перед всеми другими видами энергии Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями Удобно распределять между потребителями С помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.
Электрический ток Переменным называется ток , периодически изменяющийся со временем. Переменный Постоянный
Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую . Гальванические элементы электростатические машины термобатареи солнечные батареи
Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками: электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.
В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы ( станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и прочее). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые укладывается толстый медный провод . Именно в них и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока. Магнитное поле создается ротором .
На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.
Ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора .
Электрическую энергию производят на электростанциях
Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач.
Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.
Закон Джоуля-Ленца Уменьшение потерь Уменьшение сопротивления проводов Уменьшения силы тока в проводах Уменьшение удельного сопротивления Увеличение площади сечения Увеличение напряжение
Волжская ГЭС Саяно-Шушенская ГЭС 13,8 кВ 15,75 кВ Москва 500 кВ 750 кВ
Трансформатор — устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте. П. Н. Яблочков 26. 09. 1847 — 31. 03. 1894
Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации k . Если коэффициент трансформации: k 1 , то трансформатор понижающий Трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи. При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.
Меры, принимаемые для уменьшения потерь энергии в трансформаторе Сердечник делают замкнутым Обмотка низкого напряжения делается большего сечения Сердечник делают из изолированных пластин Коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95 — 99%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.
Действие генератора электрического тока основано на явлении электромагнитной индукции.
Основным элементом генератора электрического тока является рамка, которую вращают в магнитном поле. При этом пронизывающий рамку магнитный поток изменяется во времени, вследствие чего в рамке возникает индукционный ток (рис. 16.2).
При равномерном вращении рамки в ней индуцируется переменный электрический ток: сила тока изменяется по синусоидальному закону (рис. 16.3).
Отрицательные значения силы тока соответствуют противоположному направлению тока.
Чтобы «снимать» с вращающейся рамки ток, не перекручивая при этом проводов, используют скользящие контакты, называемые щетками (рис. 16.2).
Напряжение в сети переменного тока можно повышать и понижать практически без потерь с помощью трансформаторов. Как мы увидим ниже, без этого была бы просто невозможна передача электроэнергии на большие расстояния.
Щетки обеспечивают, конечно, худший контакт, чем закрепленные проводники. Из-за большого сопротивления щетки греются и, кроме того, вследствие трения они стираются.
Поэтому в современных небольших генераторах электрического тока вращают не рамку, а постоянные магниты: при такой конструкции генератора скользящие контакты не нужны.
В промышленных генераторах на электростанциях вращают тоже не рамки, в которых индуцируется ток, а электромагниты. Ток к вращающимся электромагнитам приходится подводить с помощью скользящих контактов, но этот ток значительно меньше, чем индукционный ток в рамке.
Идёт приём заявок
Подать заявку 
Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Первый генератор был построен в 1832 г . парижскими техниками братьями Пиксии . Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикально оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе создавались генераторы у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами.
При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя.
В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г. А. Пачинотти.
В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. Который при езде вырабатовал ток.
Первая динамо-машина была изобретена А. Йедликом в 1827 году. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал ее.
Динамо-машина или динамо — это устаревшее название генератора, служащего для выработки постоянного электрического тока из механической работы. Динамо-машина была первым электрическим генератором, который стал применяться в промышленности. В дальнейшем ее вытеснили генераторы переменного тока, так как переменный ток легче поддается трансформированию.
Динамо-машина состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток, но поскольку первые изобретатели динамо не умели работать с переменным током, то они использовали коммутатор для того, чтобы инвертировать полярность. В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности.
Другие электрические генераторы, использующие вращение
Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.
Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.
В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.
Коммутатор п редназначен для коммутирования тока в первичной обмотке катушки зажигания в соответствии с управляющими импульсами датчика Холла Д-Р.
Магнитоэлектрический датчик Холла получил свое название по имени Э.Холла, американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление. Достоинства этого переключателя — высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки — постоянное потребление энергии
Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны — постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в щели датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор, в котором они преобразуются в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания.
а — нет магнитного поля, по полупроводнику протекает ток питания — АВ;
б — под действием магнитного поля — Н
появляется ЭДС Холла — ЕF;
в — датчик Холла
Проверку датчика Холла проще всего производить заменой на заведомо исправный, но можно воспользоваться и обыкновенным вольтметром (тестером). У исправного датчика Холла вольтметр, включенный на измерения постоянного напряжения и подключенный к выходу датчика, по мере вращения вала датчика-распределителя должен резко менять показания от примерно 0,4 В до величины, не более чем на 3 В отличающейся от напряжения питания.
Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД МГТ генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.
Генератор переменного тока
Генератор переменного тока является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.
Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году.
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное
электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой — подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение. Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) – ротор, его важнейшую вращающуюся часть. Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении. При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки. Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы — обычно 2. 3 Вт
Генератор постоянного тока
Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы.
Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.
В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.
Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.
1. Генератор независимого возбуждения . В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения, не зависит от тока якоря, который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик .
2. Генератор с самовозбуждением. Генератор с самовозбуждением представляет собой резонансный усилитель с цепью обратной связи, по которой часть напряжения выходных колебаний подается обратно ко входу — на управляющую сетку. Принцип самовозбуждения состоит в следующем. Если к лампе усилителя приложить управляющее напряжение, то в анодном контуре возникнут усиленные колебания.
3. Генераторы последовательного возбуждения . У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря .
4. Генераторы смешанного возбуждения. В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки.
5. Генератор параллельного возбуждения. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения oт постороннего источника. Так как обмотка воз ¬ буждения подключена к якорю, то ЭДС создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения.
Автомобильный генератор — устройство, обеспечивающее преобразование механической энергии вращения, двигателя автомобиля в электрическую. Автомобильный генератор используется для зарядки аккумуляторной батареи автомобиля, а также для питания штатных электропотребителей таких как бортовой компьютер, габаритные огни и другие. К автомобильным генераторам предъявляют высокие требования по надежности, так как генератор обеспечивает бесперебойную работу большинства компонентов современного автомобиля.
В современных автомобилях применяются вентильные генераторы. Это синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, которые — как отечественные, так и зарубежные — имеют очень похожие конструкции и отличаются, если оставить в стороне качество изготовления, только габаритами, расположением присоединительных мест и отдельных узлов.
Статор автомобильного генератора представляет собой кольцо с 18 обмотками: по 6 на каждую фазу. Каждая обмотка имеет 5 витков.
На валу ротора установлены контактные кольца, на которые с помощью щёток подается напряжение с АКБ. В результате, через обмотку возбуждения ротора начинает протекать ток, который создаёт магнитное поле.
После запуска двигателя ротор приводится во вращение, и вращающееся магнитное поле ротора начинает пересекать обмотки статора, в результате чего в каждой обмотке возникает электродвижущая сила и переменный ток.
С помощью выпрямительного блока переменный ток обмоток статора преобразуется в постоянный. Выпрямительный блок состоит из двух алюминиевых пластин, в которые запрессовано по три диода.
Напряжение, вырабатываемое генератором, в наибольшей степени зависит от частоты вращения ротора и силы тока в обмотках возбуждения.
Для нормальной работы потребителей напряжение, вырабатываемое генератором, должно быть в пределах 13,7 – 14,5 В.
При большой частоте вращения коленчатого вала напряжение, вырабатываемое генератором, растёт. Для того чтобы выдаваемое генератором напряжение удерживалось в пределах 13,7 – 14,5 В, используются реле-регуляторы напряжения. Если напряжение превышает допустимые 14,5 В, реле-регулятор прерывает цепь обмотки возбуждения ротора и ток через обмотку возбуждения не идёт. В результате, напряжение, выдаваемое генератором начинает падать, и когда оно вновь попадает в интервал 13,7 – 14,5 В, подача тока в обмотку возбуждения ротора возобновляется.
Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1). При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.
