§ 57. Отримання змінного струму
У початковій стадії розвитку електротехніки застосовували виключно постійний струм. В даний час переважне поширення набув змінний струм.
Постійний струм, необхідний в промисловості електрифікованим транспорті, в електрозв'язку і т. Д. В більшості випадків отримують шляхом випрямлення змінного струму. Перевагами змінного струму є: можливість трансформації і передачі на далекі відстані, більш простий пристрій генераторів змінного струму, більш прості в пристрої і надійні в експлуатації електродвигуни змінного струму і т. Д.
Розглянемо принцип отримання змінного струму в результаті перетворення механічної енергії в електричну.
Нехай є однорідне магнітне поле, утворене між полюсами N - S електромагніту (рис. 120, а). Усередині поля під дією сторонньої сили обертається по колу в сторону руху годинникової стрілки металевий прямолінійний провідник. Як відомо, перетин провідником магнітних ліній призведе до появи в провіднику индуктированной е.р.с. Величина цієї е.р.с. як було зазначено раніше, залежить від величини магнітної індукції В, активної довжини провідника l, швидкості перетину провідником магнітних ліній # 965; і синуса кута # 945; між напрямком руху провідника і напрямком магнітного поля:
e = Bl # 965; sin # 945 ;.
Мал. 120. Отримання змінної е.р.с. а - обертання провідника в магнітному полі, б - графік зміни змінної е.р.с.
Розкладемо окружну швидкість # 965; на дві складові - нормальну і тангенціальну по відношенню до напрямку магнітної індукції В, як було показано в § 45. Нормальна складова швидкості # 965; n обумовлює наводяться ЕРС індукції і дорівнює
Тангенціальна складова швидкості # 965; t не приймає участі в створенні индуктированной е.р.с. і дорівнює
при # 945; = 90 ° нормальна складова швидкості
# 965; n = # 965; sin # 945; = # 965; sin 90 ° = # 965 ;,
т. е. в цьому випадку нормальна складова швидкості має максимальне значення. Таке ж значення має в цей момент величина индуктированной е.р.с. в провіднику
звідки загальний вираз для ЕРС в провіднику буде
е = Em sin # 945 ;, або e ≡ sin # 945 ;.
При русі провідник буде займати різні положення. На кресленні положення провідника дані через кожні 45 ° кута повороту. Розглядаючи окремі положення провідника, ми бачимо, що кут перетину а змінюється і, крім того, при переході провідника через нейтральну лінію напрямок индуктированной е.р.с. визначається за правилом правої руки, також змінюється.
За один повний оборот провідника е.р.с. в ньому спочатку збільшується від нуля до максимального значення (+ Ем), потім зменшується до нуля і, змінивши свій напрямок, знову збільшується до максимального значення (-Eм) і знову зменшується до нуля. При подальшому русі провідника зазначені зміни е.р.с. повторюватимуться.
Для наочного уявлення про хід зміни индуктированной е.р.с. в провіднику скористаємося графічним методом. Проведемо дві взаємно перпендикулярні осі (рис. 120, б). На горизонтальній осі в одному масштабі відкладемо кути повороту провідника, а на вертикальній в іншому масштабі - величину е.р.с. индуктироваться в провіднику в кожен момент часу. Якщо е.р.с. индуктироваться в провіднику при проходженні його під південним полюсом, вважати позитивною і відкладати від горизонтальної осі вгору, то е.р.с. индуктироваться в провіднику при проходженні його під північним полюсом, слід вважати негативною і відкладати від горизонтальної осі вниз. Провівши потім через кінці відрізків, що зображують в масштабі величини е.р.с. безперервну лінію, отримаємо криву, яка називається синусоїдою. За допомогою кривої ми можемо легко визначити величину е.р.с. в будь-який момент часу. Для цього на горизонтальній осі відкладаємо цікавий для нас кут повороту провідника від початкового положення. Потім від цієї точки, підіймали перпендикуляр. Відрізок, укладений між точками перетину перпендикуляра з кривою і горизонтальною віссю, буде в масштабі висловлювати величину индуктированной е.р.с. в провіднику в цей момент часу.
У нашому прикладі провідник обертався в магнітному полі. У провіднику индуктироваться змінна е.р.с. змінюється за законом синуса. Така е.р.с. називається синусоїдальної.
Надалі ми побачимо, що електротехніка вважає за краще користуватися змінними величинами, що змінюються за синусоїдальним законом.
Пристрій, показаний на рис. 121, дозволяє знімати і відводити в зовнішній ланцюг змінну е.р.с. Зігнутий у вигляді рамки провідник обертається в магнітному полі з постійною швидкістю з під дією сторонньої сили. Кінці рамки приєднані до двох мідних кілець 3 і 4, на яких накладено дві вугільні щітки 5 і 6. У зовнішній ланцюга буде протікати змінюється за величиною і напрямком струм. Такий струм називається змінним на відміну від постійного, який дають гальванічні елементи та акумулятори. Змінний струм на електричних схемах прийнято позначати умовним знаком # 8764 ;.
Мал. 121. Пристрій для відводу змінного струму від ротора генератора
У створенні индуктированной е.р.с. братимуть участь в повному обсязі боку рамки, а лише ті, які перетинають магнітні лінії. Ці сторони називаються активними сторонами (на рис. 121 вони позначені цифрами 1 і 2).
Недоліком розглянутого вище пристрою є складність створення однорідного магнітного поля і велике магнітне опір магнітного потоку, який значний шлях проходить по повітрю.
У конструкціях електричних машин між полюсами електромагніту поміщають сталевий барабан, в пази якого укладають провідники обмотки. Така конструкція машини представлена на рис. 122. Магнітним лініях в цьому випадку доводиться проходити по повітрю короткий шлях між сталлю полюсів і барабана. Магнітні лінії, проходячи повітряний проміжок, будуть входити в барабан в радіальному напрямку і в такому ж напрямку будуть виходити з нього, щоб потрапити в інший полюс. У цьому випадку напрямок окружної швидкості в кожен момент перпендикулярно напрямку магнітних ліній, т. Е. Швидкість буде весь час # 965; = # 965; n. ∠ # 945; = 90 °.
Мал. 122. Магнітний потік машини при наявності сталевого барабана
Для отримання индуктированной е.р.с. в генераторах байдуже, чи буде рухомий провідник перетинати нерухоме магнітне поле або рухоме поле перетинатиме нерухомий провідник. У розглянутій конструкції обмотка, де индуктироваться змінна е.р.с. розміщувалася на поворотній частині машини - роторі, а полюса розташовувалися на нерухомої частини машини - статорі. Однак для того щоб поставити якірну обмотку змінного струму в більш сприятливі умови, її зазвичай розташовують на статорі, а обмотку збудження полюсів поміщають на роторі *. Генератор такої конструкції представлений на рис. 123.
* (Обмотки змінного струму в сучасних генераторах розраховуються на високі напруги і на досить значні струми. Нерухому якірну обмотку легше ізолювати і від неї простіше відвести значний струм в зовнішній ланцюг.)
Мал. 123. Двополюсний генератор змінного струму: 1 - статор, 2 - частина обмотки змінного струму, 3 - ротор, 4 - обмотка збудження
Постійний струм, необхідний для створення магнітного потоку машини, подається в обмотку збудження від спеціального генератора-збудника постійного струму, що сидить на одному валу з генератором змінного струму, або від випрямного пристрою.
Прагнення отримати синусоидальную е.р.с. змушує конструктора машини змінного струму надати таку форму полюсним наконечником, при якій магнітна індукція (щільність магнітних ліній) в повітряному проміжку змінювалася б за законом синуса:
де Вм - максимальна магнітна індукція в повітряному зазорі при # 945; = 90 °, т. Е.
У цей момент е.р.с. индуктированная в провіднику, також має максимальне значення: