Меню

Амплитуда силы тока в обмотке генератора

Генерирование электрической энергии

Генератор переменного тока

Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток (см. § 31).

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращают вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращают проволочную рамку, которая является ротором (но без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

1. Какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с постоянным?

2. На каком принципе основана работа генераторов переменного тока?

Источник

Амплитуда силы тока в обмотке генератора

Расчет параметров низкооборотного 196-полюсного электрогенератора
с ротором диаметром 1 метр на постоянных магнитах

При использовании низкооборотных приводов, ось которых напрямую соединена с осью электрического генератора, возникает проблема получения достаточно высокого выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения — многополюсный электрогенератор с ротором достаточно большого диаметра. Ротор электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Применение постоянных магнитов с высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы позволяет существенно улучшить электрические характеристики генератора или уменьшить его габариты.

Читайте также:  Генератор не заводится причины бензиновый двигатель

2 . Варианты конструкции электрогенератора

Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по различным схемам, отличающимся друг от друга совместным расположением обмоток и магнитов. Магниты с чередующейся полярностью располагаются на роторе генератора. Обмотки с чередующимся направлением намотки располагаются на статоре генератора. Если ротор и статор представляют из себя соосные диски, то такой тип генератора назовем аксиальным или дисковым (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах аксиального (дискового) типа.

Если ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры, то такой тип генератора назовем радиальным или цилиндрическим (рис. 2.2). В генераторе радиального типа ротор может быть внутренним или внешним по отношению к статору.

Рис. 2.2. Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах радиального (цилиндрического) типа.

3. Расчет выходного напряжения электрогенератора

Попробуем оценить электрические параметры электрического генератора, конструкция которого определяется следующими данными:

  1. Внешний диаметр ротора электрогенератора 1 м.
  2. Ширина (или высота) ротора 0.05 м.
  3. Постоянные магниты состава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), остаточная индукция примерно 1. 2 Тл, коэрцитивная сила примерно 900 кА/м.
  4. Число полюсов – 196.
  5. Рабочая частота вращения 1 оборот в секунду.
  1. Выходная мощность.
  2. Выходное напряжение при заданном способе намотки.
  3. Способы оптимизации генератора.

Принятые обозначения (расчеты ведутся в системе СИ):

B – магнитная индукция в зазоре между магнитным полюсом и полюсным наконечником обмотки , Тл
B – амплитуда магнитной индукции в зазоре , Тл
BS – усредненное по площади полюса значение магнитной индукции в зазоре , Тл
d – диаметр обмоточного провода , м
E – электродвижущая сила (эдс) одной обмотки генератора , В
E – амплитуда эдс одной обмотки генератора , В
ED – действующее значение эдс одной обмотки генератора , В
EGEN – действующее выходное напряжение генератора (напряжение холостого хода) , В
f – частота вращения генератора , Гц
j — плотность тока в проводах обмоток генератора, А/мм 2
L – средняя длина витка обмотки , м
n – число полюсов генератора
N – число витков обмотки
PMAX – электрическая мощность генератора в режиме короткого замыкания , Вт
PV — удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в обмотках генератора, Вт/м 3
R – сопротивление одной обмотки генератора , Ом
RGEN – внутреннее сопротивление генератора (суммарное сопротивление обмоток) , Ом
S – площадь полюса магнита (полюсного наконечника обмотки) , м 2
t – текущее время , с
T – период вращения генератора , с
F – магнитный поток через сердечник обмотки , Вб
F – амплитуда (максимальное значение) магнитного потока через полюсной наконечник обмотки , Вб
l – фактор упаковки обмотки
r E – удельное электрическое сопротивление провода обмотки , Ом · м
w – круговая частота вращения генератора , рад/с

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея [4] напряжение на выходе каждой обмотки генератора может быть рассчитано по формуле:

Можно считать, что магнитный поток через обмотку изменяется по гармоническому закону:

где F – максимальное значение магнитного потока, которое может быть найдено по формуле:

Читайте также:  Как включить генератор привет сосед

Тогда для действующего значения напряжения одной обмотки получаем:

Действующее значение выходного напряжения генератора в режиме холостого хода (n обмоток соединены последовательно):

что соответствует ранее произведенным расчетам [7] и подтверждено опытными конструкциями электрогенераторов [1, 5].

4. Расчет допустимой плотности тока в обмотках

Для провода с электрическим током удельная мощность (мощность на единицу объема), рассеиваемая в проводе из-за наличия электрического сопротивления и превращающаяся в тепло, может быть найдена по формуле:

От плотности тока в обмотке зависит мощность тепловыделения и, соответственно, температура обмотки. Эта температура не должна превышать допустимой для данной марки провода. Расчет температуры внутри обмотки и, соответственно, допустимой плотности тока в обмотках можно произвести методом конечных элементов [2, 3, 6, 8] . Величина допустимой плотности тока в проводах обмоток зависит от конструкции статора и условий охлаждения и для данного расчетного случая может достигать 10 А/мм 2 , если фактор упаковки принять равным 0.6.

5 . Расчет магнитной индукции в межполюсном зазоре

Расчет магнитной индукции в зазоре, а также магнитного потока, пронизывающего обмотку, можно произвести разными способами, в частности, методом конечных элементов [2, 3, 6, 8] . Конструкция части магнитной системы (статор с обмотками и ротор с постоянными магнитами) приведена на рис. 5 .1. Магнитные цепи аксиального и радиального генераторов практически одинаковы: на стальном статоре сделаны прорези, в которые уложены обмотки, на стальном роторе крепятся постоянные магниты соответствующего размера. Между магнитами и стальными сердечниками обмоток имеется межполюсной зазор, величина которого определяется допусками при изготовлении деталей генератора и должна быть по возможности минимальной.

Рис. 5.1. Магнитная система электрогенератора на постоянных магнитах.

Распределение магнитного потока в магнитной системе электрогенератора показано на рис. 5 .2.

Рис. 5 .2. Распределение магнитного потока в магнитной системе электрогенератора на постоянных магнитах. Плотность тока в обмотках – 6 А/мм 2 , в проводах обмоток – 10 А/мм 2 (фактор упаковки 0.6). Ширина полюса 8 мм, ширина промежутка 8 мм, глубина прорези под обмотку 10 мм. Величина зазора между ротором и статором 1 мм.

При использовании магнитов состава неодим-железо-бор с остаточной индукцией примерно 1.2 Тл и коэрцитивной силой примерно 900 кА/м усредненное значение магнитной индукции через сердечник катушки BS составляет приблизительно 0.75 Тл при плотности тока в обмотках 6 А/мм 2 (в проводах обмоток – 10 А/мм 2 , если фактор упаковки принять равным 0.6).

6. Расчет выходного напряжения и выходной мощности генератора

Для расчета выходного напряжения EGEN по формуле (1) имеем:

N = (4 ∙ 10 ∙ 0.6) / 2 = 12 витков (провод диаметром 1.6 мм (сечение 2 мм 2 ) наматывается в окно размером 10 х 4 мм 2 , фактор упаковки равен 0.6

Выходное напряжение генератора EGEN по формуле (1) получаем равным 307 вольт. Для медного провода диаметром 1.6 мм (сечение примерно 2 мм 2 ) допустимая величина тока может составить 20 А. Тогда выходная мощность генератора при частоте вращения 1 оборот в секунду будет равна примерно 6 кВт. Часть мощности будет передаваться в нагрузку, а часть – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора. Чтобы найти, какая часть мощности будет передаваться в нагрузку, а какая – рассеиваться на внутреннем сопротивлении обмоток генератора, необходимо рассчитать сопротивление обмоток.

Сопротивление одной обмотки может быть найдено по формуле:

Читайте также:  Замена щеток генератора вольво фш 12

r E = 1.67 ∙ 10 -8 Ом ∙ м ( медный обмоточный провод)

L = 2 ∙ (8 + 4 + 50 + 4) ∙ 12 = 1584 мм = 1.584 м

Тогда сопротивление одной обмотки R ≈ 0 .0132 Ом, а внутреннее сопротивление генератора при последовательном включении 196 обмоток RGEN = 196 ∙ 0.0132 ≈ 2.6 Ом

При токе в 20 А на внутреннем сопротивлении генератора будет рассеиваться мощность примерно 1 кВт, а остальная мощность (около 5 кВт) будет передаваться в нагрузку. Сопротивление нагрузки для тока 20 А должно быть равно (307 / 20) – 2.6 = 12.75 Ом.

7. Замечание

При изготовлении рассчитанного выше электрогенератора необходимо учитывать следующее . Если число обмоток равно числу магнит ов , то при нахождении сердечника обмотки напротив магнита за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления , для преодоления котор ого потребуется значительное усилие на валу . Поэтому можно увеличить или уменьшить число обмоток на единицу по сравнению с числом магнитов ( 195 или 197 обмоток, 196 магнитов ), что позволит существенно уменьшить амплитудные значения момента сопротивления. Подобное решение использовано в конструкции 6-полюсных генераторов [1] (число полюсов магнита n = 6, число обмоток m = 7) и [5] (число полюсов магнита n = 6, число обмоток в каждой из двух групп m = 5, дополнительно группы обмоток сдвинуты друг относительно друга на угол в 36 градусов). Можно вообще отказаться от применения стальных сердечников в обмотках , тогда момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора. Такие обмотки не обходимо делать минимальной высоты, сравнимой с в еличиной зазора между магнитом и обмоткой, чтобы уменьшение магнитной индукции в зазоре было не слишком существенным . Число обмоток может быть при этом равно числу магнит ов ( 196).

По вопросам расчета конкретных схем электрических генераторов обращайтесь к автору (см. раздел Контактная информация ).

  1. 6-полюсный низкооборотный электрогенератор для ветрогенератора
  2. Бреббия К. и др. Методы граничных элементов: Пер. с англ. / Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. — М.: Мир, 1987. — 524 с., ил.
  3. Громадка II Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 303 с., ил.
  4. Законы и уравнения магнитного поля
  5. Низкооборотный многополюсный электрогенератор на кольцевом постоянном магните (6 полюсов, 10 обмоток)
  6. Норри Д., Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 304 с., ил.
  7. Расчет выходного напряжения многополюсного низкооборотного электрогенератора на основе постоянных магнитов
  8. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. — 229 с., ил.
  • Активное сопротивление — часть полного сопротивления электрического контура, связанная с тепловыделением в контуре.
  • Ветродвигатель — преобразователь энергии воздушного потока в механическую энергию движения.
  • Фактор упаковки (коэффициент заполнения) — отношение объема проводника к объему обмотки; при равномерной намотке равен отношению суммарной площади проводников в поперечном сечении обмотки (без учета изоляции) к площади поперечного сечения обмотки.
  • Холостой ход — режим работы привода или преобразователя в отсутствие противодействующей силы (нагрузки).
  • Цилиндрический соленоид — соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).
  • Электрогенератор (электрический генератор) — преобразователь неэлектрической энергии источника в электрическую энергию.

Источник

Adblock
detector