Как работает генератор переменного тока

Конструкция генератора переменного тока

Рассмотрим схематически конструкцию генератора:

При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

Принцип работы генератора

Рассмотрим наглядно принцип работы генератора переменного тока на примере следующей модели:

Здесь мы видим магнитопровод статора, фазную обмотку статора и вращающийся магнит. При вращении магнита за счет его магнитного поля в фазной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС). На этом, казалось бы, можно и закончить рассмотрение принципа работы генератора. Но мы не будем повторять прописные истины, а постараемся заглянуть немного глубже в процесс генерирования электроэнергии.

Начнем с ротора — вращающегося магнита. В генераторах в роли магнита выступает электромагнит. И важно рассмотреть некоторые его особенности. Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Теперь обратим внимание на магнитные линии. В обычном магните магнитные линии (замкнутые кривые) направлены от северного полюса к южному. В электромагните все также. Единственное, нужно обращать внимание на то, в какую сторону намотана катушка, и на полярность подключения к источнику постоянного тока. С учетом таких особенностей можно выделить правило правой руки для магнитного поля:

Воспользуемся правилом правой руки и покажем магнитные линии магнита и электромагнита в нашей модели генератора: 

Прежде чем переходить к рассмотрению процесса наведения в фазной обмотке переменной электродвижущей силы (ЭДС), отметим еще одну важную деталь. Если катушка электромагнита подключена к источнику постоянного тока, соответственно в ее витках потенциал от плюса к минусу плавно изменяется. Примем условно, что напряжение источника постоянного тока, подключенного к обмотке электромагнита, равно 2×m Вольт. Тогда потенциалы на выводах источника +m и -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт.

С учетом всех вышеперечисленных особенностей и значений разберемся, что происходит с фазной обмоткой статора при вращении ротора (электромагнита):

Когда магнит находится в положении 1 оба его полюса равноудалены от магнитопровода статора. Фазная обмотка перпендикулярна магнитному полю. Она находится на нейтрали, то есть между полюсами. В связи с этим ЭДС в ней не возникает.

При движении ротора из положения 1 в положение 3 положение магнитного поля изменяется. Максимальное взаимодействие магнитного поля с фазной катушкой возникает в точке 3. В процессе движения магнита (по мере приближения к точке 3 и обратно к нейтральному положению) фазная обмотка противодействует этому движению.

В чем заключается противодействие фазной обмотки? Обмотка статора должна создать соответствующее магнитное поле. То есть, когда магнит приближается северным полюсом, ему должен оказывать сопротивление северный полюс, так как одноименные полюса отталкиваются.  Чтобы создать магнитное поле по обмотке должен протекать ток, направление которого определяется по рассмотренному выше правилу правой руки.

Для протекания тока в фазной обмотке необходимо напряжение (разность потенциалов). Вспоминаем, что электромагнит у нас — это также катушка, подключенная к источнику постоянного тока. В ее витках потенциал от плюса к минусу плано изменяется от +m до -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт. По такому же принципу определяем, что в точке 3, где происходит максимальное взаимодействие магнитных полей, потенциалы на выводах фазной обмотки максимальны и равны +u и -u Вольт. Потенциалы на выводах фазной обмотки равны нулю, когда магнит находится в положении 1. Двигаясь к точке 3 потенциалы на выводах фазной обмотки по модулю увеличиваются, а при дальнейшем движении к нейтральному положению уменьшаются. Таким образом мы получаем синусоиды потенциалов на выводах генератора. Вычитая одну синусоиду из другой (разность потенциалов) мы приходим к синусоиде переменной ЭДС (напряжения, если подключена нагрузка) генератора.

Важно! Магнит (ротор) должен постоянно вращаться. Как только он остановится, например в положении 3, в фазной обмотке образуется разность потенциалов и моментально она пропадет. Для постоянного поддержания переменной разности потенциалов в обмотке статора необходимо непрерывное изменение магнитного поля.

Разобравшись с приведенной моделью генератора переменного тока кратко рассмотрим следующую привычную модель:

По сути обе модели генераторов функционально одинаковы. Мы всего лишь фазную обмотку первого генератора разделили пополам и изменили форму статора. Единственное отличие заключается в том, что при одинаковом положении ротора на выводах фазной обмотки знаки потенциалов изменятся. К примеру возьмем положение 3, северный полюс сверху. В этом положении у первой модели генератора потенциал верхнего вывода фазной обмотки имел знак «+» (+u Вольт). Проанализируем, какой знак в этом положении будет у второй модели генератора. Середина обмотки в любом положении — это нулевой потенциал. Нужно определить направление тока, таким образом, чтобы образованное магнитное поле противодействовало магнитному полю ротора. По правилу правой руки при обхвате верхней катушки большой палец должен быть направлен вниз. То есть ток течет от нижнего вывода к нулю и далее к верхнему выводу. Ток течет от плюса к минусу, соответственно потенциал на верхнем выводе в рассматриваемый момент -u Вольт.