Природа индукционного тока, сила Лоренца

Принцип работы генератора переменного тока

Автомобильные генераторы

Лекция 4

Принципы построения системы зарядки

Когда напряжение генератора меньше, чем напряжение бата­реи (двигатель работает на малых оборотах или не работает), направление тока - от батареи к потреби­телям транспортного средства. Диоды генератора закрыты и не пропускают ток внутрь генератора. Когда на­пряжение генератора больше, чем напряжение батареи, ток будет течь от генератора перемен­ного тока к потребителям транспортного сред­ства и к батарее.

Из этого примера ясно, что выходное напряжение электрогенератора должно быть боль­ше напряжения батареи всегда, когда двигатель ра­ботает.

Цифра 14,2 ± 0,2 В при­нята как напряжение зарядки для 12-вольтовых систем. Грузовики, как правило, используют две последовательно соединенные батареи при номи­нальном напряжении 24 В, поэтому принятое на­пряжение зарядки удваивается. Это стандартное напряжение питания для всех потребителей транс­портного средства.

При определении напряжения зарядки, следует учитывать падения напряжения в це­пях зарядки, рабочую температура систе­мы и состояние батареи.

Генератор при работающем двигателе является основным источником

электроэнергии автомобиля. Автомобильные генераторы в отличие от генераторов общепромышленного применения работают при переменной частоте вращения с регуляторами напряжения, которые поддерживают постоянное напряжение.

К генераторам предъявляют следующие основные требования:

1. простота конструкции;

2. долговечность и надежность в эксплуатации;

3. малые габаритные размеры, масса и стоимость;

4. большая удельная мощность;

5. возможность заряда аккумуляторных батарей при малой частоте вращения вала двигателя.

В процессе работы электрического генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции Фарадея:

В замкнутом проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает индукционный ток.

Это открытие является одним из самых фундаментальных открытий в электродинамике.

Пусть прямой участок проводника движется в поле с индукцией В со скоростью v (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

На заряды в проводнике действует силаЛоренца, связанная со скоростью направленного движения

F_маг = evB.

Эта сила заставляет заряды смещаться вдоль проводника. Если проводник не замкнут, то возникает разность потенциалов на его концах. Если проводник замкнут, то в проводнике течет индукционный ток I.

Если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)

E = Blv = Bl(dx/dt) = B(dS/dt) = dФ/dt

где В - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; v - скорость движения проводника, м/с, dx – расстояние на которое перемещается проводник.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2):

1. поставить правую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь;

2. отставленный большой палец направить по направлению движения проводника;

3. направ­ление индуктированной э, д. с. покажут остальные вытянутые пальцы.

Рис. В.2. Правила «правой руки»

Применив это правило, определим направление ЭДС в про­воднике («от нас»).

Если концы проводника замкнуты на внеш­нее сопротивление R, то под действием ЭДС Е в проводнике возникнет ток та­кого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генера­тор, в котором механическая энергия затрачивается на пере­мещение проводника со скоро­стью v. В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возни­кает действующая на проводник электромагнитная сила

F_эм = BlI.

Направление силы F_эм можно определить по правилу «левой ру­ки» (рис. В.2):

1. поставить левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь;

2. вытянутые пальцы по направлению тока;

3. отставленный большой палец покажет напралению направление силы.

Рис. В.2. Правила «левой руки»

В рассматриваемом случае эта сила направлена спра­ва налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким обра­зом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F_эм, является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы равны, т. е. F = F_эм. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника v, получим

Fv = F_эмv.

Подставив в это выражение значение F_эм, получим,

Fv = BlIv = EI.

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, правая часть - значение электрической мощности, развивае­мой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями еще раз подтверждает, что в генераторе меха­ническая мощность Fv, затрачиваемая внешней силой, преобразу­ется в электрическую мощность EI.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от ис­точника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. В.1, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_эм. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике будет индуцироваться ЭДС с направлени­ем, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напря­жения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике,

U = E + Ir,

где r - электрическое сопротивление проводника.

Умножив обе части равенства на ток I, получим

UI = EI+ I²r.

Подставляя вместо E значение ЭДС, получим

UI = BlvI + I²r,

или,

UI = F_эмv + I²r.

Из этого равенства следует, что электрическая мощность UI, поступающая в проводник из сети, частично преобразуется в меха­ническую F_эмv, а частично расходуется на покрытие электриче­ских потерь в проводнике I²r. Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен­тарный электродвигатель.

Описанные явления позволяют сделать вывод:

1. для любой электрической машины обязательно наличие элек­тропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;

2. при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирова­ние ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возник­новение механической силы, действующей на проводник, находя­щийся в магнитном поле, при прохождении по нему электрическо­го тока;

3. взаимное преобразование механической и электрической энер­гий в электрической машине может происходить в любом направ­лении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, это свойство элект­рических машин называют обратимостью.

По конструк­тивному исполнению, большинство электрических машин, включая, автомобильные генераторы по­строено, на принципе вращательного движения их подвижной час­ти. Такая конструкция состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвиж­ная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мяг­кого материала и обладающие небольшим магнитным сопро­тивлением.

Дата добавления: 2014-01-07