Презентация Глушко А. (Пятигорск) (11.55 Mb, 23 May 2012 23:40)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное
общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 28
г. Пятигорска
действующая модель генератора
переменного тока
Выполнил:
ученик 10 класса МБОУ СОШ №28
Глушко Алексей Андреевич
Руководитель:
учитель физики МБОУ СОШ №28
Аулов Александр Викторович
Цели:
1. Изготовление действующей
модели генератора переменного
тока.
2. Изучение принципа работы,
устройства и характеристик
генератора переменного тока.
История развития электротехники
Электротехника (от электро... и техника), отрасль науки и техники, связанная с
применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения
и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи
информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования
электрической энергии в практической деятельности человека.
Историческая справка.
Возникновению электротехники предшествовал длительный период накопления
знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные
попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В XVIIXVIII вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В.
Ломоносова, Г. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, и др. Для становления
электротехники решающее значение имело появление первого источника непрерывного
тока - вольтова столба (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических
элементов, что позволило в 1-й трети XIX в. провести многочисленные исследования
химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим
током(труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея, Дж. Генри, А. М.
Ампера, Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики, открыт
важнейший закон электрической цепи - Ома закон.
Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее
значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П. Л.
Шиллинга,1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е
гг.).Открытие электромагнитной индукции (1831-32) предопределило появление
электрических машин - двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители
электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые
электрические машины были постоянного тока машинами. Исторически электродвигатели
стали создаваться раньше электромашинных генераторов, т. к. в 1-й трети XIX в.
гальванические элементы как источники тока к большей или меньшей мере удовлетворяли
требованиям практики.
Период совершенствования конструкции электродвигателя - от лабораторных
приборов, демонстрировавших возможность превращения электрической энергии в
механическую (установка Фарадея, 1821), до машин промышленного типа - охватывает
приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала
возвратно-поступательное или качательное движение, а момент на валу двигателя был
пульсирующим (например, в двигателе Генри). Начиная с середины 30-х гг. XIX в. стали
строиться двигатели с вращающимся якорем. Таким электродвигателем, получившим
практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834--38). Испытание
этого двигателя, приводившего в движение "электрический бот", показало, с одной
стороны, принципиальную возможность его практического применения, а с другой необходимость создания более экономичного по сравнению с гальваническими элементами
источника электроэнергии. Таким источником стал электромашинный генератор,
прообразом которого была униполярная машина Фарадея (1831).
Первыми практически пригодными электромашинными генераторами были
магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными
магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851
немецкий учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты
электромагнитами, катушки которых питались от самостоятельных магнитоэлектрических
генераторов.
Дальнейшее совершенствование конструкции электромашинного генератора связано с
использованием для возбуждения обмотки электромагнита тока самого генератора.
Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как З. Т.
Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь,
принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 А.
Пачинотти. Генератор Грамма работал не только в генераторном, но и в двигательном
режиме, что положило начало практическому внедрению принципа обратимости
электрических машин (открытому Э. X. Ленцем, 1832-38) и позволило значительно
расширить область использования электрических машин.
Последующее совершенствование машин постоянного тока шло по пути улучшения их
конструктивных элементов - замена кольцевого якоря барабанным (Ф. Хёфнер-Альтенек,
1873), усовершенствование шихтованных якорей (американский изобретатель Х. Максим,
1880), введение компенсационной обмотки (1884), дополнительных полюсов (1885) и др. К
80-м гг. XIX в. электрические машины постоянного тока приобрели основные
конструктивные черты современных машин. Их совершенствованию способствовало
открытие закона о направлении индукционных токов, обнаружение и исследование
противоэдс (Якоби, 1840) и реакции якоря (Ленц, 1847), разработка методов расчёта
электрических цепей (Г. Р. Кирхгоф, 1847) и магнитных цепей ( английский учёный Дж.
Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных свойств железа (А. Г. Столетов, 1871) и др. К
концу 70-х гг. относятся работы Дж. К. Максвелла, сформулировавшего уравнения ,
являющиеся основой современного учения об электромагнитном поле.Наряду с
электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники
тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора
(французский физик Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого
аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов.
Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших
потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие
электротехники связано с возникновением электротехнической промышленности и
массовым распространением электрического освещения, которое в 50-70-х гг. XIX в.
заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана
Петровым в 1802 после открытия дуги электрической. Первыми электрическими
источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее
дешёвой и простой была "свеча Яблочкова" (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870-75 А. Н. Лодыгин
разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А.
Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. XIX в. Достижения в
создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на
становление и развитие светотехники.
С
распространением
электрического
освещения
связано
создание
электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова
имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия
электропередачи, трансформатор, приёмник энергии. Начало применению электроэнергии
для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего
использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения
металлических покрытий.
Но расширение области практического использования электрической энергии стало
возможно лишь в 70-80-е гг. XIX в. с решением проблемы передачи электроэнергии на
расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности
производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или
гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880-81 Д. А.
Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь
электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения.
Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между
городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5-2 кв). Однако
попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т.
к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого
напряжения были ограничены, а с другой - было затруднено его потребление. Поэтому
наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по
применению в тех же целях однофазного переменного тока, напряжение которого можно
было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание
промышленного типа такого трансформатора ( О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и
др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии.
Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности
было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли
требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного
переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.
В 70-80-е гг. XIXв. электроэнергию начали использовать в технологических процессах:
при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки
металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал
промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки
были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).
К концу 70-х гг. относятся также первые попытки использования электроэнергии на
транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен
электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу
в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной
Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В
90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в
Лондонском метрополитене, в 1896 - в Будапештском), а затем на магистральных железных
дорогах.
В конце XIX в. промышленное использование электроэнергии превратилось в
важнейшую комплексную технико-экономическую проблему - наряду с экономичной
электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий
требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания
многофазных, в частности трёхфазных, систем переменного тока. Над этой проблемой
работали многие инженеры и учёные , но комплексное решение предложил в конце 80-х гг.
М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций
трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил
трёхфазную линию электропередачи Лауфен - Франкфурт (длина линии 170 км).
Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается
генераторами переменного тока, создающими гармонические колебания.
• Генератором переменного тока называется электротехническое устройство,
предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.
ЭДС индукции генератора изменяется по синусоидальному закону
где
— амплитудное (максимальное) значение ЭДС. При подключении к
выводам рамки нагрузки сопротивлением R, через нее будет проходить переменный ток. По
закону Ома для участка цепи сила тока в нагрузке
где
— амплитудное значение силы тока.
Основными частями генератора являются (рис. 1):
• индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное
поле;
• якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
• коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с
вращающихся частей или подается по ним ток.
Рис. 1
Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В
зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором.
При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным,
чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.
На современных гидроэлектростанциях вода вращает вал электрогенератора с частотой 1-2
оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну рамку (обмотку), то
получался бы переменный ток частотой 1-2 Гц. Поэтому, для получения переменного тока
промышленной частоты 50 Гц якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих
увеличить частоту вырабатываемого тока. Для паровых турбин, ротор которых вращается очень
быстро, используют якорь с одной обмоткой. В этом случае частота вращения ротора совпадает с
частотой переменного тока, т.е. ротор должен делать 50 об/с.
Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.
Из истории. Первоначально Фарадей обнаружил лишь едва заметный ток в катушке при
движении вблизи нее магнита. «Какая от этого польза?» — спросили его. Фарадей ответил: «Какая
может быть польза от новорожденного?» Прошло немногим более половины столетия и, как сказал
американский физик Р. Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и
изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».
Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной
индукции.
Пусть проводящая рамка площадью S вращается с угловой скоростью ω вокруг оси,
расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией (см.
рис. 1).
При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции
магнитного поля и нормали к плоскости рамки меняется со временем по линейному закону. Если
в момент времени t = 0 угол α0 = 0 (см. рис. 1), то
где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.
В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим
образом
Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции
Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а
затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение
следующего полуоборота.
К1
S М1
~
S
S
N
М3
S
N
К4
К3
К1 – К4 – Катушки статора
М1 – М4 – Постоянные магниты
N
N
М4
М2
К2
Статор генератора изготовлен из металлического кольца, сваренного из
металлической полосы шириной 12 мм и толщиной 2 мм, диаметр статора –
96 мм. Катушки статора в количестве четырех, намотаны на пластиковый
каркас медным проводом диаметром 0,1 мм и содержат 500 витков каждая.
Катушки с металлическими сердечниками приклеены к кольцу статора
клеем «Супер-Момент». Катушки статора соединены при помощи пайки
последовательно и имеют вывода на площадке генератора. Статор закреплен
на деревянной площадке клеем «Супер-Момент».
Ротор генератора изготовлен из деревянного диска диаметром 40 мм, на
котором клеем закреплены четыре постоянных магнита, при этом
определенная опытным путем полярность магнитов чередуется. В центр
диска статора пропущен металлический вал из стальной проволоки
диаметром 3 мм. Вал при помощи деревянных брусьев закреплен таким
образом, чтобы обеспечить равномерное прохождение магнитов ротора
внутри статора на минимальном расстоянии от катушек статора генератора.
Для центровки вала используются отрезки пластиковой трубки диаметром
5-6 мм.
Вся конструкция установлена на деревянном основании шириной 120
мм, длиной 240 мм.
Общие габариты устройства составляют 240х120х120 мм.
Вес изделия 780 г.
Общие габариты устройства составляют 240х120х120 мм.
Вес изделия 780 г.
Напряжение на выходе при частоте вращения вала 1000 об/мин 1-1,5 В.
Максимальный ток нагрузки 300 мА.

Извлечение магнитов
Извлечение магнитов
Собранный ротор
Процесс намотки катушек статора
Готовые катушки статора
Сборка статора
Закрепление ротора
Сборка электрической схемы
Готовая модель
Мебельные магнитные защелки (извлекались постоянные магниты) – 4
шт. по 15 рублей, итого 60 рублей.
Провод медный диаметром 0,1 мм – 1 катушка 25 рублей.
Полоса стальная 12х2 – 1 метр 37 рублей.
Клей «Супер-Момент» – 4 тюбика по 25 рублей, того 100 рублей.
Нож малярный – 1 шт. – 30 рублей.
Реле механическое автомобильное (извлекались каркасы катушек) – 4
шт. по 25 рублей, итого 100 рублей.
ВСЕГО финансовые затраты: 352 рубля.
Изучение литературы, составление плана выполнения работы – 24
чел/час.
Приобретение материалов, подготовительные работы – 16 чел/час.
Разборка магнитных защелок в количестве 4 штук – 0,5 чел/час.
Разборка реле механического автомобильного и снятие обмоток с
катушек в количестве 4 штук – 4 чел/час.
Намотка катушек проводом 0,1 мм в количестве 4 штук по 500 витков –
5 чел/час.
Изготовление стального кольца статора – 3 чел/час.
Изготовление деревянного диска ротора – 5 чел/час.
Изготовление деревянного основания – 0,5 чел/час.
Сборка ротора – 0,5 чел/час.
Сборка статора – 2 чел/час.
Монтаж статора и ротора на основании – 4 чел/час.
Сборка электрической схемы статора – 0,5 чел/час.
ВСЕГО трудозатраты – 55 чел/час.