Испытательный генератор тока промышленной частоты ИГП 1.1 с индукционной катушкой ИК 1.1
- Испытательное оборудование
- Испытательные машины
- Испытательный генератор тока промышленной частоты ИГП 1.1 с индукционной катушкой ИК 1.1
Каталог товаров
Антитеррористическая и криминалистическая диагностика Аварийно-спасательное оборудование Авиационная продукция Аппаратура АЛС Аппаратура связи Аппаратура ТРЦ Аппаратура УЗП Аппараты воздушного охлаждения Блоки нештепсельные Блоки релейные ЭЦ, ГАЦ, полуавт. блок. и очистки стрелок Блоки штепсельные Виброоборудование Вулканизаторы Выравниватели и разрядники Высоковольтное оборудование Газовое оборудование Гаражное оборудование Геодезия Гидравлическое оборудование Горно-шахтное оборудование Горноспасательная техника Грузоподъёмное оборудование Дроссель-трансформаторы, дроссели Другое оборудование Запорная арматура Испытательное оборудование — Водо-воздухопроницаемость — Воспламеняемость материалов — Высоковольтное испытательное оборудование — Другие машины для технологических испытаний — Захваты и приспособления для испытательных машин — Испытательные машины — Контроль параметров буровых и тампонажных растворов — Копры маятниковые — Линейные измерения — Механические измерения — Отдельные приборы — Приборы для испытания текстильных материалов или обуви — Разрывные машины — Системы температурных испытаний — Системы температурных испытаний к разрывным машинам — Технологическое оборудование — Эл измерения Кабельная продукция КИПиА КИПиА Колесотокарные станки Компрессорное оборудование Крановое оборудование Медоборудование Нестандартное оборудование Нефтегазовое оборудование Низковольтное оборудование Оборудование для волочения Оборудование для Ж/Д и Метрополитена Оборудование для нефтебаз и АЗС Оборудование для термообработки Оптческий Рефлектометр Осветительные приборы Охранное оборудование Панели питания, устройства электропитания Перемычки, соединители Плазмаферез и гемосорбция — аппараты серии «Гемос» Пневматическое оборудование Предохранители, выключатели Продукция из цветного металла Произоводство отводов Пульты, табло Разное оборудование Резисторы Реле и автоматика Сварочное оборудование Светофоры, указатели световые Сетевые фильтры Стативы ЭЦ Сырье и материалы Телевизионное оборудование Техногенная диагностика Торкрет-установки Углекислотное оборудование Устройства перекл.
Код товара (149-54-9372)
| Менеджер | Боровик-Кретова Марина Юрьевна |
| [email protected] | |
| Многоканальный телефон/факс: | |
| Харьков | +38 (057) 729-80-81 (доб. 149) |
| Киевстар | +38 (067) 573-21-01 (доб. 149) |
| МТС | +38 (066) 750-14-96 ( доб. 149) |
| Лайф | +38 (093) 963-12-34 (доб. 149) |
Количество
- Описание
Испытательный генератор тока промышленной частоты ИГП 1.1 с индукционной катушкой ИК 1.1 предназначен для создания нормированного магнитного поля промышленной частоты (с индукционной катушкой ИК 1.1) и токов кратковременных синусоидальных помех в цепях защитного и сигнального заземления, при проведении испытаний технических средств (в дальнейшем «ТС»), которые могут подвергаться воздействию помех по ГОСТ Р 50648-94, ГОСТ Р 50746-2000, (МЭК 1000-4-8-93).
|
Технические характеристики:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5.9
5, 2.0, 2.5, 3.0с
Степени жёсткости испытаний
| Степень жёсткости испытаний | Непрерывное магнитное поле (напряжённость магнитного поля промышленной частоты, А/м).  | Кратковременное магнитное поле(1-3 с) (напряжённость магнитного поля промышленной частоты, А/м). |
| 1 | 1 | Не применяют |
| 2 | 3 | то же |
| 3 | 10 | то же |
| 4 | 30 | 300 |
| 100 | 1000 |
Генератор переменного тока в катушке индуктивности
Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для получения радиочастотного магнитного поля в катушках индуктивности устройств для переворота спина поляризованных нейтронов при физических исследованиях, где используются нейтронные пучки.
Генератор переменного тока содержит схему включения-выключения генерации, два силовых транзистора, трансформатор тока положительной обратной связи и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности нагрузки и обеспечивающий необходимую резонансную частоту, причем первичная обмотка трансформатора тока положительной обратной связи соединена последовательно с колебательным контуром. Новым в заявляемой полезной модели является то, что силовые транзисторы имеет разные типы проводимости NPN и PNP, базы силовых транзисторов соединены между собой. Эмиттеры силовых транзисторов соединены между собой, коллектор силового транзистора NPN соединен с плюсом внешнего источника питания и катодом первого диода. Анод первого диода соединен с базами силовых транзисторов, а коллектор транзистора PNP соединен с минусом внешнего источника питания и анодом второго диода, а катод второго диода соединен с базами силовых транзисторов. Вторичная обмотка трансформатора тока подсоединена одним выводом к базам силовых транзисторов, а вторым выводом к эмиттерам силовых транзисторов.
Схема включения-выключения генерации содержит ключевой транзистор, первый и второй инверторы и дифференцирующую цепь. Коллектор ключевого транзистора соединен с базами силовых транзисторов и выходом второго инвертора, эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом внешнего источника питания, база ключевого транзистора соединена с выходом первого инвертора, а вход второго инвертора соединен через дифференциальную цепь с выходом первого инвертора, вход которого соединен с внешним источником сигнала включения-выключения.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, в основном, для получения радиочастотного магнитного поля в катушках индуктивности устройств переворота спина поляризованных нейтронов при физических исследованиях, где используются нейтронные пучки.
Источником нейтронных пучков являются ядерные реакторы, каждый час работы которых стоит весьма дорого. Поэтому все устройства, расположенные вдоль пролета пучка нейтронов, должны обладать очень высокой надежностью работы.
Генераторы переменного тока для устройств радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов должны обеспечивать амплитудное значение тока в катушках до 10 Ампер на частоте 50-250 килогерц (при этом напряжение на выводах катушек достигает нескольких киловольт). По условиям физических исследований необходимо иметь возможность периодически включать и выключать генератор. Переворот спина происходит при включении генератора. Как правило, требуемая периодичность включения генератора лежит в пределах от десятков секунд до единиц минут.
Известны устройства (например [1]: Препринт ФТИ-398), обеспечивающие переменные поля в катушках индуктивности устройств радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов, представляющие собой усилитель, выполненный на мощных электровакуумных лампах, приводимый в действие внешним генератором. Необходимость использования ламп в этих устройствах вызвана тем, что для получения необходимых магнитных полей в катушке требуется ток до 10 А и напряжение на катушке при этом может достигать нескольких киловольт.
Включение и выключение тока в катушках осуществляется путем включения и выключения внешнего генератора. Источник питания устройства [1] должен иметь выходное напряжение порядка 1000 вольт. Это очень громоздкая, дорогая и ненадежная в работе установка.
Известны устройства [2, 3]: Патент RU 2260899, Патент RU 2264027 для создания переменного магнитного поля в индуктивной нагрузке (катушка индуктивности, трансформатор), активными элементами которых являются полупроводниковые приборы (транзисторы). Для питания этих устройств достаточно напряжения не более 100 вольт. Однако, эти устройства близки к заявляемому по схемотехнике, но не по назначению. Устройство [2] предназначено для питания резонансной нагрузки в виде пьезоизлучателя
и работает на механической резонансной частоте излучателя. Устройство [3] служит для зарядки накопительной емкости. Основная задача устройств [2, 3] заключается в эффективном преобразовании активной мощности, получаемой от внешнего источника питания в активную мощность в нагрузке.
В нашем же случае требуется получение максимальной реактивной мощности в нагрузке при минимальной активной мощности рассеяния в элементах генератора. Таким образом, устройства [2, 3] не могут быть использованы в данном случае.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор [4]: Препринт ПИЯФ N1164 (прототип), предназначенный для питания переменным током катушки индуктивности устройств переворота спина поляризованных нейтронов (схему генератора прилагаем). Схема генератора опубликована также в работе [5]: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 332 (1993), pp.534-536.
Генератор [4] запитывается от внешнего источника постоянного напряжения (U+, U-) и работает на резонансной частоте последовательного колебательного контура, состоящего из конденсатора С4 и индуктивности L нагрузки.
В состав генератора входят силовые транзисторы Т1 и Т2 одинакового типа проводимости (в данном случае используются транзисторы типа NPN). Коллектор транзистора Т1 подсоединен к плюсу источника питания (U+), а эмиттер его соединен с коллектором Т2.
Эмиттер Т2 соединен с минусом источника питания (U-). На эмиттерно-базовые переходы транзисторов Т1 и Т2 через разделительные конденсаторы С1 и С2 подается напряжение положительной обратной связи со вторичных обмоток II и III трансформатора тока ТТ. Первичная обмотка I трансформатора тока ТТ соединена последовательно с колебательным контуром.
Резистивные делители R1, R5 и R2, R4 служат для обеспечения начального смещения рабочей точки транзисторов Т1 и Т2, гарантирующего самовозбуждение генератора при подаче на него напряжения от внешнего источника питания постоянного напряжения (U+, U-)через мощный ключевой транзистор Т3.
Элементы Т3, Т4, R7, R8, R9, R10 составляют схему включения-выключения генератора по внешнему управляющему сигналу On/Off.
Возбуждение генератора происходит на резонансной частоте последовательного колебательного контура, образованного конденсатором С4 и индуктивностью катушки L. В большинстве случаев добротность этого контура Q>10 (Q=wL/r, где r -сопротивление потерь в контуре).
Переменное напряжение на реактивных элементах L и С4 находится в противофазе и по величине в Q раз превышает величину переменного напряжения на входе контура (т.А).
К примеру, если для обеспечения необходимого поля в катушке L к ней нужно приложить напряжение 1000 В, то при Q=50 достаточно иметь напряжение на входе контура (т.А) всего 20 В. Такое переменное напряжение генератор обеспечивает при напряжении источника питания генератора не более 40 В.
Таким образом, генератор [4] выгодно отличается от [1]: собран на полупроводниковых приборах, более экономичен, имеет малые габариты, не требует высоковольтного источника питания.
Однако генератор [4] имеет ряд существенных недостатков.
1. Отсутствие защиты транзисторов T1, T2 и Т3 в случае обрыва или закорачивания цепи нагрузки.
При обрыве или коротком замыкании цепи нагрузки генерация прекращается (исчезает положительная обратная связь через обмотки трансформатора ТТ). Из-за наличия резистивных делителей R1, R5, R2, R4 силовые транзисторы T1 и T2 переходят в линейный режим (при генерации они работают в ключевом режиме и мощность, рассеиваемая на них, мала).
Начинает протекать сквозной ток от источника питания через транзисторы Т3, T1 и T2. Они разогреваются, что приводит, в конце концов, к выходу транзисторов и генератора из строя.
2. При включенном состоянии на ключевом транзисторе Т3 рассеивается приблизительно такая же мощность, как и на силовых транзисторах T1 и T2, что приводит к увеличению мощности, потребляемой от источника питания и дополнительному нагреву элементов генератора (ухудшение экономичности).
3. Дополнительная мощность и тепло выделяются на резистивных делителях R1, R5, R2, R4, обеспечивающих начальное смещение рабочей точки силовых транзисторов T1 и T2 (ухудшение экономичности).
4. При работе на повышенных частотах значительно увеличивается мощность, рассеиваемая на силовых транзисторах T1 и T2 из-за увеличения среднего значения сквозного тока в момент переключения транзисторов. Предварительно выключенный транзистор быстро переходит в проводящее состояние, а предварительно проводящий транзистор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока не рассосутся носители в базе транзистора и все это время протекает большой сквозной ток через транзисторы.
Среднее значение величины тока и разогрев транзисторов пропорциональны рабочей частоте. Все это приводит к ухудшению экономичности и не позволяет генератору работать на повышенных частотах.
5. Необходимость использования разделительных конденсаторов С1 и С2 сравнительно большой емкости (падение напряжения на конденсаторах должно быть не больше напряжения насыщения эмиттерно-базовых переходов транзисторов Т1 и Т2), что приводит к усложнению схемы.
6. Необходимость иметь две обмотки II и III обратной связи трансформатора тока ТТ, что тоже усложняет схему.
Задачей данного предложения является повышение надежности, экономичности и расширение рабочих частот генератора при одновременном его упрощении.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом генераторе переменного тока в катушке индуктивности, запитанном от внешнего источника питания постоянного напряжения и содержащем схему включения — выключения генерации, два силовых транзистора, трансформатор тока положительной обратной связи и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности нагрузки и обеспечивающий необходимую рабочую резонансную частоту, причем первичная обмотка трансформатора тока положительной обратной связи соединена последовательно с колебательным контуром, новым является то, что в схему генератора дополнительно введены первый и второй диоды, а силовые транзисторы имеют разные типы проводимости NPN и PNP и базы силовых транзисторов соединены между собой, эмиттеры силовых транзисторов соединены между собой, коллектор силового транзистора NPN соединен с плюсом внешнего источника питания и катодом первого диода, анод первого диода соединен с базами силовых транзисторов, а коллектор транзистора PNP соединен с минусом внешнего источника питания и анодом второго диода, а катод второго диода соединен с базами силовых транзисторов, вторичная обмотка трансформатора тока подсоединена одним выводом к базам силовых транзисторов, а вторым выводом к эмиттерам силовых транзисторов, а схема включения-выключения генерации содержит ключевой транзистор, первый и второй инверторы и дифференцирующую цепь, причем коллектор ключевого транзистора соединен с базами силовых транзисторов и выходом второго инвертора, эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом внешнего источника питания, база ключевого транзистора соединена с выходом первого инвертора, а вход второго инвертора соединен через дифференцирующую цепь с выходом первого инвертора, вход которого соединен с внешним источником сигнала включения — выключения.
Схема предлагаемого устройства изображена на Фиг.1.
Устройство содержит силовые транзисторы 1 и 2 разного типа проводимости (1 — NPN, 2 — PNP), трансформатор тока 3, конденсатор 4, первый и второй диоды 5 и 6 и
схему включения — выключения генератора, в состав которой входят ключевой транзистор 7, первый инвертор 8 (транзистор 9, резистор 10), дифференцирующая цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) и второй инвертор 14 (транзистор 15). Базы силовых транзисторов 1 и 2 соединены между собой. Эмиттеры силовых транзисторов 1 и 2 соединены между собой. Коллектор транзистора 1 соединен с плюсом источника питания (U+) и катодом первого диода 5, анод первого диода 5 соединен с базами транзисторов 1 и 2. Коллектор транзистора 2 соединен с минусом источника питания (U-) и анодом второго диода 6. Катод второго диода 6 соединен с базами транзисторов 1 и 2, Вторичная обмотка II трансформатора тока 3 подсоединена одним выводом к базам транзисторов 1 и 2, а другим выводом — к эмиттерам транзисторов.
Коллектор ключевого транзистора 7 соединен с базами силовых транзисторов 1 и 2, а эмиттер транзистора 7 соединен с минусом источника питания (U-). База транзистора 7 соединена через диод 16 с выходом первого инвертора 8 (с коллектором транзистора 9) и через резистор 17 — с плюсом источника питания (U+). Вход второго инвертора 14 (база транзистора 15) соединен через дифференцирующую цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) с выходом инвертора 8 (с коллектором транзистора 9). Вход первого инвертора 8 (база транзистора 9) соединен через резистор 18 с разъемом ON/OFF, на который подается управляющий сигнал включения генерации.
Работает предлагаемое устройство (как и прототип) на резонансной частоте последовательного колебательного контура следующим образом.
В отсутствие управляющего сигнала включения генерации (напряжение на входе инвертора 8 равно нулю) инвертор 8 (транзистор 9) находится в непроводящем состоянии, а ключевой транзистор 7 включен и насыщен благодаря току, втекающему в базу транзистора 7 через резистор 17.
Базы силовых транзисторов 1 и 2 закорочены через транзистор 7 на минус источника питания (U-), благодаря чему возникновение генерации невозможно.
При подаче управляющего сигнала на вход первого инвертора 8 транзистор 9 переходит в проводящее состояние и через диод 16 перехватывает на минус источника (U-) ток базы транзистора 7, который при этом переходит в непроводящее состояние, отключая базы силовых транзисторов 1 и 2 от минуса источника питания (U-). Одновременно с этим отрицательный перепад напряжения на выходе первого инвертора 8 (коллектор транзистора 9) через дифференцирующую цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) поступает на вход второго инвертора 14 (на базу транзистора 15) и переводит транзистор 15 в проводящее состояние на время, определяемое постоянной времени конденсатора 12 и резистора 13 дифференцирующей цепи. В это время ток с выхода второго инвертора 14
проводящее состояние. Ток силового транзистора 1 начинает протекать по цепи: плюс источника питания (U+) — коллектор транзистора 1 — эмиттер транзистора 1 — первичная обмотка I трансформатора тока 3 — конденсатор 4 — нагрузка 19 — минус источника питания (U-).
Благодаря положительной обратной связи через трансформатор тока 3 возникает устойчивая генерация.
При снятии управляющего сигнала со входа первого инвертора 8 ключевой транзистор 7 закорачивает базы силовых транзисторов 1 и 2 на минус источника питания (U-), при этом генерация прекращается. Потребление мощности от источника питания при этом пренебрежимо мало, так как все активные элементы схемы находятся в непроводящем состоянии и очень малый ток протекает лишь по цепи: плюс источника питания (U+) — резистор 17 — база транзистора 7 — эмиттер транзистора 7 — минус источника питания (U-).
Первый и второй диоды 5 и 6 служат для ускорения рассасывания носителей из баз силовых транзисторов 1 и 2 в момент их переключения (для уменьшения сквозных токов через транзисторы). Применение диодов 5 и 6 позволило значительно уменьшить потребляемую от источника питания мощность (увеличить экономичность) и увеличить рабочую частоту генератора.
Генератор защищен от обрыва и закорачивания цепи нагрузки 19.
При обрыве цепи нагрузки 19 прекращается ток через первичную обмотку трансформатора тока 3, исчезает положительная обратная связь и генерация срывается. При закорачивании цепи нагрузки 19 происходит быстрый перезаряд конденсатора 4 и положительная обратная связь также исчезает. В обоих случаях силовые транзисторы 1 и 2 переходят в непроводящее состояние без повреждения, что обеспечивает сохранение целостности генератора в аварийных ситуациях (повышение надежности).
Результаты испытаний предлагаемого устройства.
Цель испытаний — экспериментальное подтверждение преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
Повышение надежности.
Экспериментально проверено, что при закорачивании или обрыве цепи нагрузки 19 в предлагаемой схеме генерация срывается, силовые транзисторы 1 и 2 без повреждения переходят в непроводящее состояние.
При закорачивании или обрыве цепи нагрузки L схемы прототипа силовые транзисторы Т1 и Т2 переходят в линейный режим, перегреваются, происходит внутреннее «спекание» эмиттеров с коллекторами, после чего выходит из строя транзистор Т3.
Восстановление работоспособности схемы прототипа возможно за сравнительно длительное время.
Повышение экономичности и расширение диапазона рабочих частот.
При экспериментальных испытаниях необходимо было выяснить, что введение в схему диодов 5 и 6 действительно повышает экономичность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и позволяет повысить рабочую частоту генерации.
Сначала были произведены сравнительные испытания предлагаемого устройства без диодов 5 и 6 и прототипа при одинаковых токах нагрузки.
В результате испытаний выяснено, что мощность, потребляемая от источника питания предлагаемым устройством равна 72 Вт, прототипом 89 Вт.
Затем в схеме предлагаемого устройства были установлены диоды 5 и 6. В результате испытаний выяснилось, что введение диодов 5 и 6 повышает экономичность предлагаемого устройства (по сравнению с прототипом) в 2-2.5 раза или позволяет повысить рабочую частоту в 2-3 раза.
Упрощение схемы.
В состав предлагаемой схемы генератора входит 15 элементов, а в состав схемы прототипа — 22 элемента, причем, мощных транзисторов (монтируемых на теплоотводящих радиаторах) в предлагаемой схеме два (1 и 2), а в схеме прототипа три.
Трансформатор тока 3 имеет две обмотки, а в прототипе три. Упрощение схемы позволяет существенно уменьшить затраты при изготовлении генератора.
Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают, что заявляемый генератор переменного тока в катушке индуктивности с высокой надежностью может применяться в экспериментальной физике для переворота спина поляризованных нейтронов.
Возможное применение генератора (не по основному назначению).
Предлагаемая схема генератора может использоваться во всех устройствах перечисленных аналогов. Эффективность использования схемы тем выше, чем выше рабочая частота генератора.
На нашем предприятии схема генератора была проверена в двух применениях.
1. Охранная сигнализация об обрыве (или воровстве) проводов электрического освещения на длине 1,5 км. Два генератора, установленные на концах линии, являются передатчиками сигнала целостности проводов на центральный пульт контроля (сигнал на пульт поступает по охраняемым проводам).
2. Устройство питания люминесцентной осветительной лампы от источника постоянного напряжения 3…12 Вольт. Нагрузкой генератора является повышающий трансформатор, ко вторичной обмотке которого подсоединена лампа. Устройство не
требует пуско-регулирующей аппаратуры (стартеры, дросселя), так как на вторичной обмотке в момент включения напряжение достигает 1000 и более Вольт, что позволяет зажечь любую (даже дефектную) лампу. Устройство предназначено для экономичного освещения небольших помещений в походных условиях.
Литература
1. Я.А.Касман, А.И.Окороков, Е.И.Забидаров. Препринт ФТИ-398, Ленинград, 1972, 31 с
2. Патент RU 2260899 С1, 20.09.2005, Новиков А.А. (RU)
3. Патент RU 2264027 С1, 10.11.2005, Моренко С.А. (RU)
4. В.Н.Слюсарь, В.А.Князьков, А.Н.Пирожков, Препринт ПИЯФ N 1164, февраль 1986, 20 с. — прототип.
5. A.N.Bazhenov, V.M.Lobashev, A.N.Pirozhkov and V.N.Slusar, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 332 (1993), pp.
534-536.
Генератор переменного тока в катушке индуктивности, запитанный от внешнего источника питания постоянного напряжения и содержащий схему включения — выключения генерации, два силовых транзистора, трансформатор тока положительной обратной связи и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности нагрузки и обеспечивающий необходимую рабочую резонансную частоту, причем первичная обмотка трансформатора тока положительной обратной связи соединена последовательно с колебательным контуром, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй диоды, а силовые транзисторы имеют разные типы проводимости NPN и PNP и базы силовых транзисторов соединены между собой, эмиттеры силовых транзисторов соединены между собой, коллектор силового транзистора NPN соединен с плюсом внешнего источника питания и катодом первого диода, анод первого диода соединен с базами силовых транзисторов, а коллектор транзистора PNP соединен с минусом внешнего источника питания и анодом второго диода, а катод второго диода соединен с базами силовых транзисторов, вторичная обмотка трансформатора тока подсоединена одним выводом к базам силовых транзисторов, а вторым выводом к эмиттерам силовых транзисторов, а схема включения-выключения генерации содержит ключевой транзистор, первый и второй инверторы и дифференцирующую цепь, причем коллектор ключевого транзистора соединен с базами силовых транзисторов и выходом второго инвертора, эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом внешнего источника питания, база ключевого транзистора соединена с выходом первого инвертора, а вход второго инвертора соединен через дифференцирующую цепь с выходом первого инвертора, вход которого соединен с внешним источником сигнала включения — выключения.
Электрогенераторы | Физика
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Рассчитать ЭДС, индуцируемую в генераторе.
- Рассчитайте пиковую ЭДС, которая может быть наведена в конкретной генераторной системе.
Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко описано в ЭДС индукции и магнитном потоке. Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример.
Пример 1. Расчет ЭДС, наведенной в катушке генератора
Катушка генератора, показанная на рисунке 1, поворачивается на четверть оборота (от θ = 0º до θ = 90º) за 15,0 мс. Круглая катушка из 200 витков имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 1,25 Тл. Чему равна средняя ЭДС индукции?
Рис. 1. Когда катушка этого генератора поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.
Мы используем закон индукции Фарадея, чтобы найти среднюю ЭДС, индуцированную за время Δ t :
[латекс]\text{ЭДС}=-N\frac{\Delta\Phi}{\ Дельта т}\\[/латекс].
Мы знаем, что N = 200 и Δ t = 15,0 мс, поэтому мы должны определить изменение потока Δ Φ , чтобы найти ЭДС.
РешениеПоскольку площадь петли и напряженность магнитного поля постоянны, мы видим, что
[латекс]\Delta\Phi =\Delta\left(BA\cos\theta\right)=AB\Delta\left(\cos\theta \right)\\[/latex].
Теперь Δ (cos θ ) = −1,0, поскольку было дано, что θ изменяется от 0° до 90°. Таким образом, Δ Φ = − AB и
[латекс]\text{emf}=N\frac{AB}{\Delta t}\\[/latex].
Площадь петли A = πr 2 = (3,14…)(0,0500м) 2 = 7,85 × 10 −3 м 2 . Ввод этого значения дает 9{-3}\text{ s}}=131\text{ V}\\[/latex].
Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в домашнем хозяйстве.
ЭДС, рассчитанная в приведенном выше примере 1 , представляет собой среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной w и высотой ℓ в однородном магнитном поле, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, которая изменяется синусоидально во времени . Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот.
Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, так как движутся в магнитном поле.
На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения принимается равной ЭДС = 9.0013 Bℓv , где скорость v перпендикулярна магнитному полю B . Здесь скорость составляет угол θ с B , так что ее составляющая, перпендикулярная B , равна v sin θ (см. рис. 2). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна ЭДС = Bℓv sin θ , и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС вокруг петли тогда равна
[латекс]\текст{ЭДС}=2{B\ell v}\sin\theta\\[/латекс].
Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω .
Угол θ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt , так что
[латекс]\текст{ЭДС}=2{B\ell v}\sin\omega t\\[/ латекс].
Теперь линейная скорость v связана с угловой скоростью ω соотношением v = rω . Здесь r = w /2, так что v = ( w /2) ω , и
[латекс]\text{emf}=2 B\ell \frac }{2}\omega\sin\omega t=\left(\ell w\right)B\omega\sin\omega t\\[/latex].
Заметив, что площадь петли равна A = ℓ w , и учитывая N петель, мы находим, что
[латекс]\text{emf}=NAB\omega\sin\omega t\\[/latex]
— ЭДС , индуцированная в катушке генератора N витков и площадь A вращающаяся с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле B . Это также может быть выражено как
[латекс]\text{emf}={\text{emf}}_{0}\sin\omega t\\[/latex],
, где
[латекс]{\ text{emf}}_{0}=NAB\omega\\[/latex]
— максимальная (пиковая) emf .
Обратите внимание, что частота колебаний равна f = ω /2π , а период равен T = 1/ f = 2π/ ω . На рис. 3 показан график зависимости ЭДС от времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.
Рис. 3. ЭДС генератора подается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. emf0 — пиковая эдс. Период T = 1/ f = 2π/ω, где f — частота. Обратите внимание, что буква E означает emf.
Тот факт, что пиковая ЭДС, ЭДС 0 = NABω , имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше ω ), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых. Один из авторов, будучи подростком, находил забавным ехать на велосипеде достаточно быстро, чтобы сжечь его фары, пока однажды темной ночью ему не пришлось ехать домой без света.
На рисунке 4 показана схема, с помощью которой можно сделать генератор для получения импульсного постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.
Рис. 4. Разъемные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают на выходе импульсную ЭДС постоянного тока.
Пример 2. Расчет максимальной ЭДС генератора
Рассчитать максимальную ЭДС, ЭДС 0 , генератора, рассмотренного в Примере 1. , определено, ЭДС 0 = NABω можно использовать для нахождения ЭДС 0 . Все остальные величины известны.
РешениеУгловая скорость определяется как изменение угла в единицу времени:
[латекс]\омега =\фракция{\Дельта\тета}{\Дельта t}\\[/латекс].
Одна четвертая оборота составляет π/2 радиана, а время составляет 0,0150 с; таким образом,
[латекс]\begin{array}{lll}\omega & =& \frac{\pi /2\text{rad}}{0,0150 \text{s}}\\ & =& 104,7\text{ рад/с}\end{массив}\\[/latex].
104,7 рад/с — это ровно 1000 об/мин. Подставляем это значение на 9{2}\right)\left(1.25\text{ T}\right)\left(104.7 \text{ рад/с}\right)\\ & =& 206\text{ V}\end{массив}\\ [/латекс].
ОбсуждениеМаксимальная ЭДС больше средней ЭДС 131 В, найденной в предыдущем примере, как и должно быть.
В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. На рис. 5 показан вид в разрезе паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.
Рисунок 5. Паровая турбина/генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Nabonaco, Wikimedia Commons)
Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее.
Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В разделе «Обратная ЭДС» мы дополнительно исследуем работу двигателя как генератора.
Резюме раздела
- Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, определяемую как функция времени
[латекс]\text{emf}=2{B\ell v}\sin\omega t\\[/latex],
где A является площадью N -витковой катушки, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле B .
- Пиковая ЭДС ЭДС 0 генератора равна
эдс 0 = NABω
Концептуальные вопросы
- Используя RHR-1, покажите, что ЭДС на сторонах контура генератора на рисунке 4 одинаковы, и, таким образом, добавьте.
- Источником электрической энергии генератора является работа, совершаемая для вращения его катушек.
Как работа, необходимая для поворота генератора, связана с законом Ленца?
Как работа, необходимая для поворота генератора, связана с законом Ленца?Задачи и упражнения
1. Рассчитайте пиковое напряжение генератора, который вращает катушку из 200 витков диаметром 0,100 м со скоростью 3600 об/мин в поле 0,800 Тл.
2. При какой угловой скорости в об/мин пиковое напряжение генератора составит 480 В, если его 500-витковая катушка диаметром 8,00 см вращается в поле 0,250 Тл?
3. Какова пиковая ЭДС, создаваемая вращением катушки диаметром 20,0 см из 1000 витков в магнитном поле Земли 5,00 × 10
4. Какова пиковая ЭДС, создаваемая катушкой радиусом 0,250 м, состоящей из 500 витков, которая поворачивается на четверть оборота за 4,17 мс, первоначально имея плоскость, перпендикулярную однородному магнитному полю. (Это 60 об/с.)
5. (a) Велосипедный генератор вращается со скоростью 1875 рад/с, производя пиковую ЭДС 18,0 В.
Он имеет прямоугольную катушку размером 1,00 на 3,00 см в поле 0,640 Тл. Сколько витков в катушке? (b) Практично ли такое количество витков провода для катушки размером 1,00 на 3,00 см?
6. Интегрированные понятия Эта задача относится к велосипедному генератору, рассмотренному в предыдущей задаче. Он приводится в движение колесом диаметром 1,60 см, которое катится по внешнему ободу велосипедной шины. а) Какова скорость велосипеда, если угловая скорость генератора равна 1875 рад/с? б) Какова максимальная ЭДС генератора, когда велосипед движется со скоростью 10,0 м/с, учитывая, что в первоначальных условиях она составляла 18,0 В? (c) Если сложный генератор может изменять свое собственное магнитное поле, какая напряженность поля ему потребуется при скорости 5,00 м/с, чтобы произвести 90,00 В максимальная ЭДС?
7. (a) Автомобильный генератор вращается со скоростью 400 об/мин, когда двигатель работает на холостом ходу. Его 300-витковая прямоугольная катушка размером 5,00 на 8,00 см вращается в регулируемом магнитном поле, так что она может создавать достаточное напряжение даже при низких оборотах.
Какая напряженность поля необходима для создания пиковой ЭДС 24,0 В? (b) Обсудите, как эта требуемая напряженность поля соотносится с напряженностью поля, доступной для постоянных и электромагнитов.
8. Покажите, что если катушка вращается с угловой скоростью ω , период ее выхода переменного тока равен 2π/ ω .
9. Катушка диаметром 10,0 см из 75 витков вращается с угловой скоростью 8,00 рад/с в поле 1,25 Тл, начиная с плоскости катушки, параллельной полю. а) Чему равна пиковая ЭДС? б) В какой момент времени достигается максимальная ЭДС? в) В какой момент ЭДС достигает своего максимального отрицательного значения? (d) Каков период выходного напряжения переменного тока?
10. а) Если ЭДС катушки, вращающейся в магнитном поле, равна нулю при t = 0 и возрастает до своего первого максимума при t = 0,100 мс, какова угловая скорость катушки? б) В какое время произойдет ее следующий максимум? в) Каков период выпуска продукции? (d) Когда объем выпуска составляет первую четверть своего максимума? (e) Когда она составляет следующую четверть своего максимума?
11.
Необоснованные результаты Катушка из 500 витков площадью 0,250 м 2 вращается в поле Земли 5,00 × 10 −5 Тл, производя максимальную ЭДС 12,0 кВ. а) С какой угловой скоростью должна вращаться катушка? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?
Глоссарий
- электрогенератор:
- Устройство для преобразования механической работы в электрическую энергию; он индуцирует ЭДС, вращая катушку в магнитном поле
- ЭДС, индуцированная в катушке генератора:
- эдс = NAB ω sin ωt , где A — площадь N -витковой катушки, вращаемой с постоянной угловой скоростью ω B, за период B в однородном магнитном поле. времени т
- пиковая ЭДС:
- эдс 0 = NABω
Избранные решения задач и упражнений
1.
474 В
3. 0,247 В
5. (а) 50 (б) да
7. (а) 0,477 Тл (б) Эта напряженность поля достаточно мала, чтобы ее можно было получить с помощью либо постоянного магнит или электромагнит.
9. (а) 5,89 В (б) При t = 0 (в) 0,393 с (г) 0,785 с
11. (а) 1,92 × 10 6 рад/с (б) Эта угловая скорость неоправданно высока, выше, чем может быть получена для любой механической системы. (c) Предположение, что можно получить напряжение до 12,0 кВ, неразумно.
23.8: Электрические генераторы — Физика LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 2711
- OpenStax
- OpenStax
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Рассчитать ЭДС, индуцируемую в генераторе.
- Рассчитайте пиковую ЭДС, которая может быть наведена в конкретной генераторной системе.
Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко описано в разделе «ЭДС индукции и магнитный поток». Теперь мы рассмотрим генераторы более подробно. Рассмотрим следующий пример. 9{\circ}\) ) за 15,0 мс. Круглая катушка из 200 витков имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 1,25 Тл. Чему равна средняя ЭДС индукции?
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Когда эта генераторная катушка поворачивается на четверть оборота, магнитный поток \(\Phi\) изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС.Стратегия:
Мы используем закон индукции Фарадея, чтобы найти среднюю ЭДС, индуцированную за время \(\Delta t\): \[ЭДС = -N\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}. \label{23.6.1}\] Мы знаем, что \(N = 200\) и \(\Delta t = 15,0 мс\), поэтому мы должны определить изменение потока \(\Delta \Phi\), чтобы найти э.
д.с. 9{-3}s} = 131 В.\]
Обсуждение:
Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в домашнем хозяйстве.
ЭДС, рассчитанная в этом примере, представляет собой среднее значение за одну четвертую оборота. Чему равна ЭДС в каждый момент времени? Оно изменяется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной \(\w\) и высотой \(l\) в однородном магнитном поле, как показано на рисунке \(\ Индекс страницы{2}\).
Рисунок \(\PageIndex{2}\): Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, которая изменяется синусоидально во времени. Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для создания тока, а не наоборот. Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, так как движутся в магнитном поле.
На заряды в вертикальных проводах действуют силы, параллельные проводу, вызывающие токи. Но находящиеся в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения определяется как \(ЭДС = Blv\), где скорость \(v\) перпендикулярна магнитному полю \(B\). Здесь скорость составляет угол \(\theta\) с \(B\), так что ее составляющая, перпендикулярная \(B\), равна \(v\sin{\theta}\) (рис. \(\PageIndex{ 2}\)). Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна \ (ЭДС = Blv \ sin {\ theta} \), и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС контура тогда равна 9.0005
\[ЭДС = 2Blv\sin{\theta}.\label{23.6.4}\]
Это выражение верно, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью \(\omega\). Угол \(\theta\) связан с угловой скоростью соотношением \(\theta = \omega t\), так что
\[ ЭДС = 2Blv\sin{\omega t}.
\label{23.6.5}\]
Теперь линейная скорость \(v\) связана с угловой скоростью \(\omega\) соотношением \(v=r\omega\). Здесь \(r = \omega/2\), так что \(v = \left(w/2\right)\omega\), и
\[ЭДС = 2Bl\frac{w}{2} \omega \sin{\omega t} = \left(w\right)B \omega \sin{\omega t}.\label{23.6.6}\ ]
Заметив, что площадь петли равна \(A = w\), и учитывая \(N\) петель, мы находим, что
\[ЭДС = NAB \omega \sin{\omega t}\label{23.6.7}\]
— это ЭДС, индуцируемая в генераторной катушке из \(N\) витков и площади \(A\), вращающейся с постоянной угловой скоростью \(\omega\) в однородном магнитном поле \(B\). Это также может быть выражено как
\[ЭДС = ЭДС_{0}\sin{\omega t},\метка{23.6.8}\]
, где \[ЭДС_{0} = NAB \omega \label{23.6.9}\] — максимальная (пиковая) ЭДС . Обратите внимание, что частота колебаний равна \(f = \omega / 2\pi\), а период равен \(T = 1/f = 2\pi / \omega\). На рисунке \(\PageIndex{3}\) показан график ЭДС как функции времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение является синусоидальным.
Тот факт, что пиковая ЭДС, \(ЭДС_0=NABω\), имеет смысл. Чем больше количество катушек, тем больше их площадь, и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее раскручивается генератор (больше ω), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах, по крайней мере, на более дешевых. Один из авторов, будучи подростком, находил забавным ехать на велосипеде достаточно быстро, чтобы сжечь его фары, пока однажды темной ночью ему не пришлось ехать домой без света.
На рисунке показана схема, по которой можно сделать генератор для получения импульсного постоянного тока. Более сложное расположение нескольких катушек и разъемных колец может обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.
Рисунок \(\PageIndex{4}\): Разъемные кольца, называемые коммутаторами, создают в этой конфигурации импульсную ЭДС постоянного тока.
Пример \(\PageIndex{2}\): Расчет максимальной ЭДС генератора
Рассчитайте максимальную ЭДС, emf0, генератора, рассмотренного в Примере.
Стратегия
Как только \(ω\), угловая скорость, определена, \(emf_0=NABω\) можно использовать для нахождения \(emf_0\). Все остальные величины известны.
Решение
Угловая скорость определяется как изменение угла в единицу времени:
\(ω=\frac{Δθ}{Δt}\).
Одна четвертая оборота равна \(π/2\) радианам, а время равно 0,0150 с; таким образом, 92)(1,25Тл)(104,7рад/с)=206В\).
Обсуждение
Максимальная ЭДС больше, чем средняя ЭДС 131 В, найденная в предыдущем примере, как и должно быть.
В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же.
Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. \(\PageIndex{5}\) показывает паровую турбину в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.
Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически двигатель становится генератором, когда его вал вращается. Некоторые ранние автомобили использовали свой стартер в качестве генератора. В разделе «Обратная ЭДС» мы дополнительно исследуем работу двигателя как генератора.
- Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, заданную как функция времени
\(ЭДС=NABωsinωt,\)
где \(A\) — площадь \(N\)-витка, вращающегося с постоянной угловой скоростью ω в однородном магнитном поле \(B\).
- Пиковая ЭДС \(ЭДС_0) генератора равна
\(ЭДС_0=NABω\).
Глоссарий
- электрогенератор
- Устройство для преобразования механической работы в электрическую энергию; он индуцирует ЭДС, вращая катушку в магнитном поле
- ЭДС, индуцируемая в катушке генератора
- \(ЭДС=NABωsinωt\), где \(A\) — площадь \(N\)-виткового витка, вращающегося с постоянной угловой скоростью \(ω\) в однородном магнитном поле \(B\), за период времени \(t\)
- пиковая ЭДС
- (ЭДС_0=NABω\)0=NABω
Эта страница под названием 23.8: Electric Generators распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или страница
- Автор
- ОпенСтакс
- Лицензия
- СС BY
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- ОпенСтакс
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- Электрогенераторы
- генераторы
- источник@https://openstax.
