Генераторы переменного тока

В начале предыдущей главы мы уже говорили о том, что в современной технике применяются почти исключительно индукционные генераторы электрического тока, т. е. машины, в которых э. д. с. возникает в результате процесса электромагнитной индукции. Поэтому слово «индукционный» обычно опускают и говорят просто об электрических генераторах, имея в виду именно эти индукционные генераторы.

В § 138 мы разобрали простейшую модель индукционного генератора и показали, что э. д. с., возникающая в катушке, вращающейся в магнитном поле, является переменной; поэтому переменным является и ток, получаемый от индукционного генератора, если не принять специальных мер для его выпрямления, т. е. для превращения его в постоянный, или прямой, ток, не меняющий своего направления. Конечно, современные технические генераторы, строящиеся часто на огромные мощности (до 200-400 тысяч киловатт в одной машине), несравненно сложнее, чем наша модель. Такая машина со всеми дополнительными устройствами для контроля и регулирования ее работы, защиты ее от аварий, распределения тока между потребителями и т. д. представляет собой очень сложное техническое сооружение (рис. 322). Однако все основные части ее, принципиально необходимые для работы любого генератора, как бы сложен он ни был, можно выделить и на нашей простой модели. Такими частями являются: а) индуктор – магнит или электромагнит, создающий магнитное поле; б) якорь – обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает индуцированная э. д. с.; в) контактные кольца и скользящие по ним контактные пластинки (щетки), при помощи которых снимается или подводится ток к вращающейся части генератора. Вращающаяся часть называется ротором генератора, а неподвижная часть его – статором.

Рис. 322. Мощный индукционный генератор

В нашей модели э. д. с. индукции возникала при вращении якоря в поле индуктора, т. е. якорь был ротором, а индуктор – статором. Но, конечно, можно, наоборот, вращать индуктор, а якорь оставлять неподвижным. Таким образом, как ротор, так и статор могут выполнять роль индуктора или роль якоря. И в том и в другом случае ротор должен быть снабжен контактными кольцами и щетками, осуществляющими непрерывный контакт во время его вращения. Ясно, однако, что удобнее проводить через такие скользящие контакты сравнительно небольшой ток, необходимый для намагничивания индуктора. Ток же, генерируемый в якоре большого генератора, достигает огромной силы, и этот ток удобнее снимать с неподвижных катушек, не требующих скользящих контактов. Поэтому в мощных генераторах предпочитают в качестве якоря использовать статор, а в качестве индуктора – ротор.

Для того чтобы получать большие магнитные потоки через обмотки якоря, а следовательно, и большие изменения этих потоков, якорь снабжают железным сердечником, концы которого имеют такую форму, чтобы между полюсами магнита и сердечником оставался лишь небольшой зазор, необходимый для вращения. В качестве индуктора, создающего магнитное поле, в технических генераторах почти всегда применяют электромагниты (рис. 323). Лишь в очень редких случаях, при конструировании генераторов малой мощности, применяют в качестве индукторов постоянные магниты. Это делается, например, в так называемых магнето – небольших генераторах, применяемых в некоторых типах двигателей внутреннего сгорания для зажигания с помощью искры горючей смеси в цилиндрах двигателя.

Рис. 323. Катушка, намотанная на железный сердечник, вращается в поле электромагнита. Магнитный поток через катушку: а) велик; б) мал. При вращении катушки магнитный поток изменяется и в ней индуцируется переменный ток

На рис. 324 показана схема, а на рис. 325 общий вид генератора переменного тока с вращающимся индуктором и неподвижным якорем. Ротор (индуктор) этого генератора показан отдельно на рис. 326. Как видим, этот ротор представляет собой цилиндр с выступами, на которые надеты катушки. Обмотки на этих катушках, по которым проходит постоянный ток, создающий магнитное поле, соединены так, что на отдельных выступах мы имеем поочередно северные и южные полюсы электромагнитов (рис. 327). Число пар этих полюсов обычно довольно велико: 4, 6, 8,… Делается это вот из каких соображений.

Рис. 324. Схема устройства генератора: 1 – неподвижный якорь, 2 – вращающийся индуктор,

3 – контактные кольца, 4 – скользящие по ним щетки

Рис. 325. Общий вид генератора переменного тока с внутренними полюсами. Ротор является индуктором, а статор – якорем

Рис. 326. Ротор (индуктор) генератора переменного тока с внутренними полюсами. На валу ротора справа показан ротор вспомогательной машины, дающей постоянный ток для питания индуктора

Рис. 327. Вращающийся индуктор генератора 1 (ротор) и якорь (статор) 2, в обмотке которого индуцируется ток

Если бы мы имели в индукторе только одну пару полюсов, то период переменного тока соответствовал бы времени одного полного оборота ротора. Таким образом, для получения переменного тока с частотой 50 Гц ротор должен был бы вращаться с частотой 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту, что для больших машин не всегда технически осуществимо. При наличии же большого числа пар полюсов период тока соответствует времени, необходимому для поворота ротора на часть окружности, занимаемую одной парой полюсов. Таким образом, например, при наличии 6 пар полюсов достаточно вращать ротор с частотой 500 оборотов в минуту, чтобы получить переменный ток с частотой 50 Гц.

167.1. Ротор генератора переменного тока имеет 12 пар полюсов и вращается с частотой 1500 оборотов в минуту. Какова частота электрического тока? Сколько раз в секунду этот ток меняет свое направление?

Поэтому такие генераторы обычно приводятся в движение сравнительно тихоходными водяными турбинами или двигателями внутреннего сгорания. При работе же с паровыми турбинами, вращающимися с частотой 1500-3000 оборотов в минуту, применяется несколько иная конструкция ротора (индуктора). Ротор не имеет выступов, а представляет собой гладкий цилиндр, на наружной поверхности которого в пазах уложена обмотка. При большой частоте вращения это выгоднее, потому что выступы на роторе создают воздушные вихри и увеличивают механические потери.

Форма полюсных наконечников на выступах ротора специально рассчитывается так, чтобы индуцированная в обмотке э. д. с. изменялась со временем по закону синуса, т. е. чтобы форма напряжения и тока, даваемого генератором, была синусоидальной.

Статор генератора – его неподвижная часть – представляет собой железное кольцо, в пазах которого уложены обмотки якоря. Для уменьшения потерь на токи Фуко (§ 143) это кольцо делается не сплошным, а состоящим из отдельных тонких листов железа, изолированных друг от друга.

167.2. На рис. 328 показан схематически разрез генератора, у которого и катушки возбуждения I и катушки индукционные II намотаны, как показано, на статоре, а ротор имеет вид зубчатого колеса и не несет никаких катушек. Объясните, почему в этом случае в катушках II возникает индукционный ток?