ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Испытание генератора постоянного тока
Цель работы:
1. Изучить принцип действия, конструкцию и свойства генераторов постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением.
2. Ознакомиться с методикой снятия основных характеристик генераторов: холостого хода, внешней, регулировочной.
3. Выявить по снятым характеристикам рабочие свойства генераторов.
Указания к работе
Используя рекомендованную литературу, ознакомьтесь с принципом действия, конструкцией и назначением основных частей генератора. Обратите внимание на конструкцию таких элементов, как якорь, коллектор, обмотка возбуждения. Четко уясните процессы, происходящие в генераторе и роль коллектора. Уясните процесс самовозбуждения. Выясните, какие характеристики определяют эксплуатационные возможности генератора и почему они имеют такой вид.
Генератор постоянного тока (рис. 1) состоит из двух частей: неподвижной и вращающейся. Неподвижная часть (статор) является остовом машины и одновременно служит для создания магнитного потока. Во вращающейся части, называемой якорем (ротором), индуцируется электродвижущая сила - ЭДС.
Неподвижная часть состоит из станины (1), главных полюсов (2) с обмоткой возбуждения (3) и дополнительных полюсов (4), уменьшаемых искрение под щетками.
Якорь имеет сердечник (5), набираемый из тонких стальных листов, обмотку якоря (6), заложенную в пазы сердечника и коллектор (7). На поверхность коллектора наложены угольно-графитовые щетки (8), обеспечивающие скользящий контакт с обмоткой вращающегося якоря. Коллектор имеет форму цилиндра и выполняется из изолированных медных пластин - ламелей - к которым подсоединены секции якорной обмотки. Вращаясь вместе с обмоткой, коллектор выполняет роль механического выпрямителя.
Обмотка возбуждения (3) создает главный магнитный поток Ф полюсов. В генераторах с независимым возбуждением она питается от постороннего источника постоянного тока (выпрямителя, аккумулятора и т.п.). С генератором с параллельным возбуждением обмотка главных полюсов подключена к главным щеткам, т.е. параллельно цепи якоря. В связи с этим для возникновения магнитного потока и ЭДС необходим хотя бы слабый остаточный магнитный поток. Благодаря наличию остаточного магнетизма возникает процесс самовозбуждения генератора.
Рис. 1. Конструкция генератора постоянного тока
- Станина.
- Главные полюса.
- Обмотка возбуждения.
- Дополнительные полюса.
- Сердечник.
- Обмотка якоря.
- Коллектор.
- Угольно-графитовые щетки.
ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря, определяется следующим выражением:
где: р - число пар полюсов генератора;
N - число активных проводников обмотки якоря;
А - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
Угловая частота вращения в (рад/с)
Ф - магнитный поток полюса.
Обычно используется сокращенная запись выражения (1):
где - конструктивная постоянная.
Поскольку в паспорте генератора приведена частота вращения n, выраженная в (об/мин), то на практике удобнее пользоваться следующей формулой для ЭДС:
где .
Рис. 2. Характеристика холостого хода
Зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря от тока возбуждения I B при постоянной частоте вращения n и токе нагрузки равном нулю, называют характеристикой холостого хода.
Характеристика холостого хода (рис. 2) имеет вид петли гистерезиса и отражает свойства магнитной цепи генератора. По ней можно судить о степени использования (насыщения) стали, остаточном магнетизме, потерях в стали.
Эксплуатационные свойства генератора постоянного тока определяются величиной изменения напряжения при изменении тока нагрузки.
Зависимость напряжения генератора U от тока нагрузки I (или тока якоря) при постоянной частоте вращения n и неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения, называют внешней характеристикой.
Из сравнения внешних характеристик, приведенных на рис. 3, видно, что напряжение на зажимах генератора с параллельным возбуждением (кривая 1) уменьшается с ростом тока нагрузки в большей степени, чем у генератора с независимым возбуждением (кривая 2).
Напряжение генератора определяется следующим выражением:
U = E - I я r я , |
где r я - сопротивление якорной цепи;
I я - ток якоря. (В генераторах с параллельным возбуждением ток якоря принимают равным току нагрузки I, поскольку мал ток возбуждения I B ).
Рис. 3. Внешние характеристики генераторов
Уменьшение напряжения с ростом тока нагрузки (или тока якоря) происходит по следующим причинам:
Увеличение падения напряжения в цепи якоря (I я r я );
Реакция якоря оказывает размагничивающее действие на магнитный поток полюсов. Вследствие этого уменьшается ЭДС.
В генераторах с параллельным возбуждением уменьшается ток обмотки возбуждения I В . Уменьшение тока I B вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС и напряжения генератора. Следствием этого является дальнейшее уменьшение тока возбуждения и размагничивание полюсов.
Рис. 4. Регулировочная характеристика
У генератора с независимым возбуждением отсутствует третья причина, поэтому напряжение изменяется менее интенсивно.
Регулировочная характеристика (рис. 4) показывает зависимость тока возбуждения I B от тока нагрузки I при постоянном напряжении на зажимах генератора U и постоянной частоте вращения n. Регулировочная характеристика показывает как нужно изменять ток возбуждения, чтобы напряжение генератора оставалось неизменным.
Генераторы постоянного тока применяются в электрохимии для питания электролизных ванн, для сварки, в качестве возбудителей синхронных машин, в регулируемом электроприводе и т.п.
Рабочее задание
а) Генератор с параллельным возбуждением
Подготовьте лабораторную экспериментальную установку для снятия основных характеристик генератора с параллельным возбуждением. Схема установки приведена на рис. 5. На схеме приняты следующие обозначения:
Якорь генератор постоянного тока; |
|
АД | Приводной асинхронный двигатель. Обмотка статора С1 - С6 соединяется по схеме треугольник установкой перемычек, показанных жирными линиями; |
Я 1 , Я 2 | Выводы обмотки якоря; |
Д 1 , Д 2 | Выводы обмотки дополнительных полюсов; |
ОВГ | Обмотка возбуждения генератора; |
Ш 1 , Ш 2 | Выводы обмотки возбуждения; |
Регулировочный резистор для изменения тока возбуждения I B ; |
|
Нагрузочные резисторы; |
|
Т1 ÷ Т9 | Тумблеры нагрузочных резисторов; |
Вольтметр переносной Э533, 300 В; |
|
А 1 | Амперметр переносной Э 514 (Э 526), 5 А. Измеряет ток нагрузки генератора, I Г ; |
А В | Амперметр переносной Э 513 (Э 525), 0,5 А; 1 А. Измеряет ток обмотки возбуждения генератора; |
Клеммы 4-х проводной трехфазной питающей сети. Расположены на панели питания в правой части стенда; |
|
0 ± 250 В | Клеммы источника регулируемого напряжения постоянного тока для подключения обмотки возбуждения генератора. Расположены на панели питания в правой части стенда. |
Ознакомьтесь с оборудованием стенда. Выпишите паспортные данные машины постоянного тока типа 2ПН90МУХЛ4, используемой в качестве генератора:
Рис. 5. Схема генератора с параллельным возбуждением
Структура условного обозначения машин постоянного тока серии 2П:
2 П Н 90 М УХЛ4
порядковый номер серии | климатическое исполнение |
||||||||
машина постоянного тока | условная длина сердечника |
||||||||
исполнение по роду защиты и охлаждения, Н-защищеное | высота оси вращения в мм |
||||||||
с самовентиляцией | |||||||||
Ознакомьтесь с техническими характеристиками приводного двигателя АД, которым служит трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель серии 4А.
Частота вращения асинхронного двигателя мало зависит от нагрузки на валу. В связи с этим при снятии всех характеристик генератора контроль за частотой вращения можно не осуществлять.
Выпишите в таблицу 1 основные сведения об электроизмерительных приборах.
- Таблица 1
Соберите схему (рис. 5) и предъявите цепь для проверки преподавателю или лаборанту.
ОПЫТ 1
Характеристика холостого хода Е = f(I B ) при n = const, I = 0.
1 - Т 9 .
2. Разомкните вспомогательный тумблер S 1 .
3. Поверните рукоятку R p в крайнее правое положение, соответствующее наибольшему сопротивлению резистора.
4. Пустите в ход приводной двигатель АД, для этого сначала включите автомат АП, расположенный в правой части стенда на панели питания (при этом загорится сигнальная лампа). Затем нажмите правую кнопку ”Пуск” (одновременно с пуском АД загорается вторая сигнальная лампа).
5. Повышая через равные промежутки ток возбуждения I B , запишите 10-12 показаний вольтметра V и амперметра А 2 в графу ”прямой ход” таблицы 2. Последняя точка прямого хода должна соответствовать крайнему левому положению R p . 6. Снимите нисходящую ветвь характеристики, постепенно уменьшая ток возбуждения I B до минимального значения. Запишите 5 показаний в графу ”обратный ход” таблицы 2.
Таблица 2
Прямой ход | Обратный ход | Среднее |
||||
I B , A | E, B | I B , A | E, B | E, B |
||
Примечание:
При снятии каждой из ветвей характеристики поворот рукоятки R p должен производиться только в одном направлении с тем, чтобы ток возбуждения или только возрастал, или только убывал. В противном случае из-за перемагничивания генератора на характеристике появятся выпадающие точки.
ОПЫТ 2
Внешняя характеристика U = f(I) при n = const, R p + r B = const.
1. Резистором R p установите напряжение холостого хода U o = 100-120 В (точное значение получите у преподавателя).
2. Постепенно увеличивая нагрузку генератора тумблерами Т 1 -Т 9 , запишите 10 показаний V и А 1 в таблицу 3.
Таблица 3
I, A | ||||||||||
U, B |
ОПЫТ 3
1. Отключите нагрузочные резисторы Т 1 -Т 9 и установите резистором R p напряжение генератора U = 90-110 B (точное значение получите у преподавателя).
2. Увеличьте нагрузку генератора, включив тумблер Т 1 . Одновременно резистором R p установите такой ток возбуждения, при котором напряжение генератора вновь будет равно заданному значению. Запишите показания амперметров А 1 и А 2 в таблицу 4.
I B уменьш, A
I СР , A
3. Аналогично снимайте остальные точки регулировочной характеристики, включая тумблеры Т 2 , Т 3 и т.д.
Автоматом АП отключите стенд от питающей сети. Все сигнальные лампы должны погаснуть, а генератор остановиться. По данным таблиц 2,3,4 постройте характеристики и предъявите их преподавателю.
б) Генератор с независимым возбуждением
Подготовьте лабораторную установку для снятия характеристик генератора с независимым возбуждением. Схема установки приведена на рис. 6. Клеммы источника независимого возбуждения ”0-250 B” расположены на панели питания в правой части стенда. Для регулирования тока возбуждения предусмотрен резистор R p (можно использовать также рукоятку ЛАТР на панели блока питания).
Характеристика холостого хода ничем не отличается от ранее снятой, поэтому она не входит в программу испытаний.
ОПЫТ 4
Внешняя характеристика U = f(I) при n = const, I B = const.
1. Пустите в ход приводной двигатель АД автоматом АП и кнопкой ”Пуск”.
2. Включите источник независимого возбуждения. Для этого нажмите левую кнопку ”Пуск” на панели питания (загорится третья сигнальная лампа).
3. Резистором R p или рукояткой регулятора установите такой ток возбуждения, при котором напряжение холостого хода генератора U 0 будет равно заданному в опыте 2.
4. Постепенно повышая нагрузку генератора, снимите зависимость напряжения от тока нагрузки. Для записи результатов измерений используйте форму таблицы 3.
ОПЫТ 5
Регулировочная характеристика I B = f(I) при n = const, U = const.
1. Отключите нагрузочные резисторы тумблерами Т 1 - Т 9 .
2. Установите ток возбуждения, при котором напряжение холостого хода генератора будет равно заданному в опыте 3.
3. Постепенно повышая нагрузку генератора, регулируйте ток возбуждение генератора так, чтобы напряжение не изменялось. При этом записывайте показания амперметров А 1 и А 2 в таблицу. Форма таблицы аналогична табл. 4.
Отключите стенд автоматом АП. Постройте внешнюю и регулировочную характеристики генератора с независимым возбуждением. Используйте координатные оси, на которых построены аналогичные характеристики генератора с параллельным возбуждением.
Покажите графики преподавателю и получите разрешение на разборку схемы.
Рис. 6. Схема генератора с независимым возбуждением
Обработка результатов
- Объясните вид характеристики холостого хода и причину несовпадения восходящей и нисходящей ветвей.
- Сопоставьте внешние характеристики генераторов с параллельным и независимым возбуждением. Кратко объясните их вид.
- Объясните вид регулировочных характеристик.
- Дайте заключение об эксплуатационных свойствах генераторов и объясните причины снижения напряжения с ростом нагрузки.
- Наименование и цель работы.
- Технические сведения об оборудовании и электроизмерительных приборах.
- Схемы экспериментальных установок.
- Таблицы с результатами измерений.
- Графические материалы - характеристики.
- Выводы о соответствии результатов эксперимента теоретическим положениям.
Контрольные вопросы
- В чем состоит назначение генератора постоянного тока и на чем основан принцип его работы?
- Для каких целей предназначены обмотка возбуждения, якорь, коллектор, щетки?
- В чем различие между генераторами с параллельным и независимым возбуждением?
- Чем объясняется, что характеристика холостого хода имеет две ветви?
- В чем состоит процесс самовозбуждения генератора?
- Почему с увеличением нагрузки генератора напряжение на зажимах якоря снижается?
- Почему с ростом нагрузки напряжение генератора с независимым возбуждением снижается менее интенсивно, чем генератора с параллельным возбуждением?
- Для какого из генераторов режим короткого замыкания наиболее опасен? Почему?
- Каким образом можно регулировать напряжение генератора?
- Где применяются генераторы постоянного тока?
Урок на тему «Получение переменного электрического тока».
Тип урока: изучение нового материала.
Цели урока:
Обучающая
Закрепление знаний по теме «Явление электромагнитной индукции».
Изучение устройства и принципа действия генератора переменного тока и его применения.
Развивающая
Развитие познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдений и демонстрации эксперимента.
Воспитательная
Воспитание интереса к предмету, вооружение учащихся научными методами познания, позволяющими получить объективные знания об окружающем мире.
Воспитание ответственного отношения к природе, как социальной черты личности.
Оборудование
Источник тока (ВС - 24М);
Демонстрационный разборный трансформатор;
Ключ, гальванометр, электронный осциллограф, лампочки (220В, 40Вт; 3,5В, 0,2А)
Плакаты.
Компьютер и проектор.
Ход урока
Проверка домашнего задания.
1. Какую задачу в 1821 году поставил перед собой учёный М. Фарадей?
2. Как он решил эту задачу? (Ученик демонстрирует опыты)
3. Сделать вывод: при каком условии во всех опытах в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
4. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
5. В чём практическая важность открытия явления электромагнитной индукции?
6. Назовите фамилии отечественных учёных, внесших большой вклад в разработку и создание генераторов электрической энергии?
Итак, мы переходим к устройству, которое дает возможность получить электрический ток, и называется генератором.
Идея получения электрического тока таким способом впервые пришла Майклу Фарадею. В его рисунках даже сохранился чертеж первого генератора.
Большинство генераторов - это т.н. электромеханические генераторы, в них за счет механического движения подвижной части такого генератора создается переменный электрический ток.
На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток.
Объясняется это тем, что очень удобно, во-первых, получить переменный электрический ток, а во-вторых, удобно передавать его на большие расстояния. Вот поэтому в мире везде и всюду используется именно переменный ток.
Обозначают его на всех схемах волнистой линией.
Современный генератор представляет собой довольно сложное устройство, но в основном состоит он из двух частей - ротора и статора.
Рисунок 12 - Устройство генератора.
Статор - это неподвижная часть. Ротор - подвижная. Можно сказать, что статор - это аналог катушки с большим числом витков. А ротор - это магнит, который вращается и создает изменяющийся магнитный поток с течением времени, пронизывая те витки, которые находятся в статоре, индуцирует, наводит в этих витках электрический ток.
Если генератор маломощный, то обычно ротор делают из постоянного магнита. Ему придают определённую форму, создают внутри несколько отдельных полюсов. Этот постоянный магнит, вращаясь прямо внутри статора, непосредственно создаёт индукционный электрический ток. Если же необходим мощный генератор, то в этом случае ротор - уже не постоянный магнит, а электромагнит.
Конечно, необходимо сказать, что во всех генераторах ротор вращается за счет работы сторонней силы. Если этот генератор установлен на гидроэлектростанции, то там используется энергия падающей воды. В этом случае ротор вращается с небольшой скоростью. Поэтому приходится делать ротор сложной формы, чтобы создать большое изменение магнитного потока при вращении ротора и получить значительный электрический ток. Например, у генератора на тепловых электростанциях ротор будет вращаться за счет поступающего пара, там частота вращения достаточно большая, и в этом случае количество полюсов и форма ротора будет совсем иная.
Рисунок 13 - Устройство ротора и статора.
Если говорить про статор, то это неподвижная часть генератора. В ней прорезаются пазы. Представьте себе цилиндр, в котором прорезаны пазы, в этих пазах укладывается обмотка статора, где и создается индукционный электрический ток. Так устроены генераторы переменного тока.
Большое значение имеет вопрос о передаче переменного электрического тока. Передача переменного электрического тока на большие расстояния связана с электромагнитной индукцией. Чтобы передать переменный электрический ток, используются приборы, которые называются трансформаторами. Трансформатор - прибор для преобразования электрического тока и напряжения. Он состоит из двух катушек, они называются обмотками, и эти две катушки (катушек может быть и больше на самом деле) надеты на один сердечник.
Рисунок 14 - Внешний вид трансформатора.
Трансформатор - это устройство, которое состоит из двух или большего количества катушек, надетых на общий сердечник. Когда мы подключаем переменный электрический ток к одной из катушек, в ней создается переменное магнитное поле. Магнитное поле одной катушки усиливается за счет железного сердечника и своим магнитным потоком пронизывает витки другой катушки. Тем самым в другой катушке тоже будет создаваться электрический ток. Если мы будем теперь изменять количество витков в одной катушке и в другой катушке, то будут меняться значения электрического тока в различных катушках.
Вот здесь и происходит самое главное. Дело в том, что, когда электрический ток протекает по проводам, главная потеря связана с тем, что провода нагреваются, т.е. сказывается тепловое действие электрического тока. Это является главным неудобством при передаче постоянного электрического тока.
А если мы говорим о переменном токе, то за счет трансформатора, изменяя витки в катушках, можно регулировать значение электрического тока. Если мы уменьшим количество витков, то можем изменить и значение электрического тока. Мы можем его уменьшить, и потери электрического тока при передаче тоже уменьшатся. Следовательно, трансформатор дает возможность уменьшить значение электрического тока и увеличить при этом напряжение электрического тока.
Таким образом, удобно передавать переменный электрический ток, трансформатор называется повышающим тогда, когда напряжение увеличивается. Когда такой электрический ток приходит уже непосредственно к нам в квартиры, то включают другой трансформатор, который называется понижающим. В этом случае напряжение уменьшается до 220 Вт, но сила тока в цепи возрастает.
Этот электрический ток мы используем в бытовых приборах. Если мы будем рассматривать отдельно каждую линию электропередач (кратко ее называют ЛЭП), то каждая такая линия отдельно разрабатывается для конкретной электростанции, с которой мы получаем электроэнергию. На пути ее передачи устанавливаются трансформаторные станции, которые меняют напряжение переменного электрического тока.
Задача
Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 1).
Стрелочки, изображенные рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д - вращается вокруг оси 00". В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?
Рисунок 15
Ответ:
Индукционный ток в кольце возникает только в случае г) , так как только в этом случае изменяется магнитный поток, пронизывающий контур кольца.
Изучение нового материала.
Учитель демонстрирует опыт Фарадея, акцентируя внимание на том, что модуль и направление индукционного тока периодически меняется.
Демонстрация опыта.
Рисунок 16 - Схема демонстрации опыта и полученной осциллограммы.
Наблюдая опыт по осциллограмме напряжения, ученики должны подойти к выводу: сила тока (напряжение) в осветительной сети меняется со временем по гармоническому закону (то есть по закону синуса или косинуса). Учитель дополняет вывод информацией, что стандартная частота тока, применяемая в осветительной сети и промышленности России и большинства стран мира, равна 50Гц.
Учитель демонстрирует модель генератора переменного тока (вращение проволочной рамки в магнитном поле). Учитель заостряет внимание учащихся на том, что в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую.
4 . Объяснение по плакату устройства современного электромеханического индукционного генератора и назначения его основных элементов.
Рисунок 17 - Устройство современного электромеханического индукционного генератора.
Вопрос к классу : каким образом приводится во вращение ротор генератора на гидроэлектростанции, на тепловой электростанции?
Обсуждаются и уточняются ответы учащихся.
Добиться ответа:
На гидроэлектростанциях - потоком падающей воды;
На тепловых - паром высокого давления и температуры.
5. Учитель демонстрирует действующую модель электростанции.
Содержание демонстрационного опыта:
Соединяем шкив водяной турбины с помощью резинового ремня со шкивом генератора. Генератор замыкаем на низковольтовую лампочку 3,5В. Подаём воду из водопроводного крана в турбину. Вращение турбины передаётся генератору. Наблюдаем свечение лампочки.
Ученики должны подойти к выводу: что механическая энергия воды (пара) превращается в механическую энергию ротора, которая в свою очередь превращается в электрическую энергию!
6. На экран проецируются фотографии промышленных предприятий.
Закрепление знаний, полученных на уроке.
1) Вопросы:
Какой электрической ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?
Где используют переменный электрический ток?
На каком явлении основано действие наиболее распростра-ненных в настоящее время генераторов переменного тока?
Расскажите об устройстве и принципе действия промыш-ленного генератора.
Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции? на гидроэлектростанции?
Какова стандартная частота промышленного тока, приме-няемого в России и многих других странах?
2) Решение задачи:
Волжская ГЭС им. В.И. Ленина построена в 1950-1957 г.г., имеет напор 30м (разность высот между верхним и нижним течением), и электрическую мощность 2300 МВт.
Оценить ежесекундный расход воды.
Дано: Решение:
V = 1 м 3
1) Ep = m·g·h m = ρ·V Ep = ρ·V·g·h ≈ 300 ·103 Дж
2) P = W = n·Ep
Количество кубометров ежесекундно падающих с плотины
Ответ: Ep = 300 кДж, ≈
ρ = 10 3 кг/м 3
P = 2,3 ·10 9 Вт
E p - ? n = = ?
Подведение итогов.
Учитель подводит итоги урока, выставляет оценки ученикам, комментируя каждый ответ и оценку.
Основной материал § 50. Упр. 40(2), стр. 168.
Дополнительный материал: подготовить сообщения по теме «Тепловые станции Тольятти» и «Экологические проблемы, связанные с работой тепловых и гидроэлектростанций».
МОУ "СОШ имени Героя Советского Союза З.И.Маресевой с. Черкасское Вольского района Саратовской области"
План–конспект урока по физике
на тему: «Генерирование электрической энергии. Трансформаторы»
Выполнил учитель физики
А.А. Лысов
Цель: показать преимущества электрической энергии перед другими видами энергии; дать учащимся понятие о принципиальном устройстве промышленного генератора переменного тока; изучить назначение, устройство и принцип действия трансформатора.
Оборудование: модель генератора и трансформатора.
Ход урока
I . Орг. Момент.
II . Сообщение темы, цели урока. Работа над новым материалом. (слайд 1,2)
1. Применение электрической энергии в народном хозяйстве и быту. Преимущества электрической энергии перед другими видами энергии и преимущества переменного тока по сравнению с постоянным.
Преимущества перед другими видами энергий:
А). передавать на огромные расстояния с малыми потерями
Б) удобно распределять между потребителями
В) легко превращать в любые другие виды энергий: механическую, внутреннюю, энергию света и т. д.
Преимущество переменного тока перед постоянным: напряжение и силу тока можно преобразовывать почти без потерь энергии. Эти преобразования необходимы во многих устройствах, особенно при передачи на большие расстояния.
Поэтому познакомимся с устройствами, вырабатывающие электрический ток-генераторами и устройствами преобразующими его- трансформаторы.
2. Генератор
Генератор - устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энер гию (гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи).
Преобладающую роль в наше время играют электромеханиче ские индукционные генераторы переменного тока, в которых механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют по лучать большие токи при достаточно высоком напряжении.
3. Устройство генератора переменного тока и его работа.
Генератор состоит: (слайд 3,4)
А) подвижная часть ротор.
Б) неподвижная часть статор.
Насаженный на вал ротор представляет собой электромагнит или магнит (индуктор), который вращается внутри статора. В пазах статора уложены проводящие «контуры- обмотки» (якорь), в которых при вращении ротора переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Возникает электродвижущая сила, в обмотках возникает индукционный ток. Этот ток передаётся от генератора во внешнюю цепь.
Если ротор является электромагнитом, то он снабжается контактными кольцами и щётками-неподвижными пластинами, прижатыми к кольцам, осуществляющим связь обмотки ротора с внешней цепью. Через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту подводится слабый ток, вырабатываемый отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.
Цель урока : сформировать у учащихся представление о преимуществе электрической энергии перед другими видами энергий, познакомить с устройствами производящими электрический ток.
Ход урока
Анализ контрольной работы
Изучение нового материала (эвристическая беседа)
1. Какими преимуществами обладает электрическая энергия?
А) Ее можно передавать на большие расстояния с малыми потерями.
Б) Ее удобно распределять между потребителями.
В) Ее легко превратить в другие виды энергий: тепловую, механическую, световую..
2. Какими, преимуществами обладает переменный ток перед постоянным током?
А) Легко изменять силу тока и напряжение почти без потерь и в широких пределах.
3. На каких устройствах вырабатывается электрическая энергия?
А) Машина для создания электрического тока называется Генератором.
Б) К генераторам относятся – солнечные батареи, термобатареи, гальванические элементы, аккумуляторы, электростатические машины.
4. Какие генераторы самые распространенные в наше время?
А) Индукционные электромеханические генераторы переменного тока. Они имеют простое устройство; позволяют получать большие токи при высоком напряжении.
5. Превращение, какого вида энергии происходит при работе данного типа генератора?
А) Механическая энергия превращается в электрическую энергию.
6. Принцип действия генератора
А) Хотя типов генераторов много, но основные части у них одинаковые: постоянный магнит или электромагнит, для создания магнитного поля; , 
Обмотка, в которой наводится переменная ЭДС (зависит от числа витков).
Для увеличения магнитного потока используют магнитную систему из двух сердечников (изготавливают из электротехнической стали). В одном сердечнике размещают обмотки, создающие магнитное поле, в другом – обмотки для получения ЭДС индукции.
Сердечник, вращающийся вдоль горизонтальной либо вертикальной оси, называют Ротором.
Неподвижный сердечник вместе с его обмоткой называют статором.
Между сердечниками существует зазор, чтобы обеспечить максимальный поток магнитной индукции, зазор должен быть как можно меньше.
На верхнем рисунке модели генератора – ротором является проволочная рамка, а неподвижный постоянный магнит – Статором.
Можно поступить наоборот: заставить вращаться магнит – он тогда будет ротором, а обмотку уложить в пазы неподвижного сердечника – это будет статор.
Для производства генераторов используют оба принципа.
Так для промышленных генераторов делают вращающимся электромагнит (ротор), а обмотка неподвижная – это статор. Генерируемый ток проще снимать с неподвижных обмоток, через скользящие контакты поводят ток к вращающемуся электромагниту (этот ток слабый).
В генераторах с небольшой мощностью постоянный магнит создает вращающееся магнитное поле.
ЭДС индукции появляется в обмотках статора из-за вихревого электрического поля, которое порождается меняющимся магнитным потоком, возникающим при вращении ротора.
На нижнем рисунке мы видим современный генератор, для получения электрической энергии.
Его размеры достаточно большие, в тоже время отдельные части должны быть изготовлены с точностью до десятых долей миллиметра.
Закрепление изученного материала
1. Какие преимущества имеет электрическая энергия перед другими видами энергий?
Всероссийский фестиваль педагогического творчества
(2016/2017 учебный год)
Номинация: Педагогические идеи и технологии
Название работы: Конспект урока по теме «Генератор переменного тока. Трансформатор» 9 кл
Урок по теме: Генератор переменного тока. Трансформатор.
Цель урока: повторение и обобщение знаний о промышленном способе получения электрической энергии, детальное изучение трансформатора.
Задачи
Обучающая
Закрепить знания по темам «Явление электромагнитной индукции и Переменный ток».
Изучить принцип получения и передачи переменного тока.
Познакомить с техническими устройствами: генератором переменного тока и трансформатором.
Развивающая
Создать условия для развития познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдения за демонстрацией эксперимента и самостоятельной работы на уроке.
Развивать умения выдвигать и проверять гипотезы, обнаруживать зависимости между электрическим током и магнитным полем, объяснять полученные результаты.
Воспитательная
Создать условия для воспитания интереса к предмету, вооружения учащихся научными методами познания, позволяющими получить объективные знания об окружающем мире.
Воспитывать необходимость соблюдения правил безопасного использования технических устройств, выступать в роли грамотного потребителя электрической энергии.
План урока:
Организационный момент.
Изучение материала о переменном токе (+ демонстрация).
Изучение принципа работы генератора переменного тока.
Знакомство с трудностями передачи переменного тока.
Изучение устройства трансформатора.
Знакомство с принципами передачи переменного тока.
Подведение итогов урока
Домашнее задание.
Ход урока
Оргмомент. Повторение д/з. Мотивация:
Знаете ли вы какое-нибудь физическое явление явление, открытое в начале 19-го века, которое лежит в основе всей современной цивилизациии и даже личный комфорт каждого из нас напрямую связан с этим явлением? Выслушать детей
(Это явление ЭМИ)
Существует ли связь между явлением ЭМИ и производством электроэнергии, которая поступает в каждый наш дом, квартиру?
О том как создаётся электроэнергия мы с вами говорили еще в 9 классе.
(проверка повторения с Plikers)
Итак, тема сегодняшнего урока: «Генератор переменного тока. Трансформатор»
Сегодня на уроке мы разберёмся более детально с физическими основами получения электроэнергии и её передачи потребителям.
Предлагаю рассмотреть эксперимент
катушка и магнит при приближении и удалении,
катушка и магнит при движении перпендикулярно оси катушки
Независимо от полученных предложений провести демонстрацию возникновения индукционного тока (с помощью программы Logger Lite).
Обратить внимание учащихся на отклонение колебаний в противоположных направлениях.
Задать вопросы:
-менялось ли направление индукционного тока при изменении магнитного потока, пронизывающего контур?
-можно ли утверждать, что значение модуля силы индукционного тока было постоянным?
-можно ли для системы катушка-магнит добиться непрерывного изменения магнитного потока?
3. Демонстрация возникновения индукционного тока при вращении магнита. Пошаговый анализ результатов демонстрации. Использовать Logger Lite.
Из графика зависимости значения индукционного тока от времени следует, что переменный ток периодически меняется по модулю и направлению за время, равное времени полного оборота рамки.
Демонстрация видеофрагмента о местной гидроэлектростанции.
Таблица «Генератор переменного тока» + рисунок в учебнике - сравнить, что не понятно?
2. Пояснения к устройству:
В турбогенераторах – ротор (вращается с большой частотой) поэтому он представляет массивный стальной цилиндр с осевыми пазами, где размещены обмотки постоянного тока.
В гидрогенераторах (тихоходные) ротор изготавливают в форме звезды, на внешней поверхности которой укрепляют электромагниты чередующейся полярности, возбуждаемые постоянным током.
РОТОР генератора переменного тока приводится в движение первичным двигателем: паровой турбиной, гидротурбиной, ДВС, ветродвигателем. Его обмотка питается от генератора постоянного тока, который обычно размещают на общем валу с генератором переменного тока, а иногда от выпрямительного устройства, которое подключено к зажимам самого генератора.
Вопрос: Почему в мощных генераторах переменного тока индукционный ток возбуждается не во вращающейся рамке, а в неподвижной обмотке статора за счет вращения индуктора.
Ответ: В статоре мощной машины, например, на на 500 кВт, генерирующей ток напряжением 20 кВ, сила тока в обмотке равна 25кА. Снять такой ток с помощью скользящего контакта невозможно. А возбудители имеют небольшие мощности, токи намагничивания не превышают сотни ампер, что вполне позволяет подавать их в обмотку ротора с помощью скользящего контакта. Кроме того, статор легче охлаждать.
Важной характеристикой генератора является частота, наводимой ЭДС.
$=р·п, где р- число пар полюсов, п- частота вращения ротора.
В) Применение генератора переменного тока - на различных электростанциях. Генераторы мощностью 300-500 МВт имеют КПД 99% - это весьма совершенные установки.
С) об электростанциях: тепловых, гидравлических, атомных.
КПД тепловых электростанций не больше 40%.
ГЭС – потери энергии очень малы.
D) ОГРАНИЧЕНИЯ:
Чем больше мощность генератора, тем меньше расходуется топлива на 1 кВт.час энергии. Это экономически выгодно. Но чем больше мощность, тем больше сила тока, больше нагревание и потери. Применение различных способов охлаждения (воздухом, водой, водородом, маслом) уже дошло до разумных пределов – дальнейший рост мощности приведет к размерам энергоблоков, невыгодным с точки зрения металлоемкости и потерь электроэнергии.
Поэтому разрабатываются турбогенераторы новой конструкции, в которых используются сверхпроводящие обмотки.
О КРИОГЕННЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРАХ – СООБЩЕНИЕ НА СЛЕДУЮЩИЙ УРОК?
Итак, если магнитный поток пронизывающий контур меняется, то возникает переменный индукционный ток. При этом совершенно неважно будет ли в этом случае магнит двигаться относительно катушки или катушка относительно магнита: главное, чтобы магнитный поток, пронизывающий контур непрерывно менялся.
Машина, в которой магнитный поток, пронизывающий контур меняется непрерывно периодическим образом и при этом генерируется переменный, ток называют электромеханическим индукционным генератором.
Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная статором.
Генераторы, производящие большие индукционные токи, в качестве ротора используют электромагнит и как правило не один, а несколько. Это позволяет снизить скорость вращения и уменьшить износ генератора. Стандартная частота переменного тока в промышленной и осветительной сети России 50 Гц.
Генераторы, вырабатывающие большие переменные токи, приводит в движение механическая энергия: падающей воды (ГЭС), пара (ТЭС, АЭС). Но электростанции располагают вблизи энергоресурсов, а электроэнергию по проводам передают к потребителю. При протекании тока по проводам возникает нагрев проводов. Поэтому некоторое количество теплоты по закону Джоуля-Ленца теряется.
Но сечение провода не может быть очень большим, поэтому для передачи электроэнергии к потребителю на большие расстояния необходимо понизить значение переменного тока
Трансформатор.
Изменять значение переменного тока и напряжения помогло изобретение в 1876 году П.Н. Яблочковым трансформатора.
Назначение: 1 – повышать и понижать напряжение переменного тока при передаче его от источника на дальние расстояния к потребителю.
2- для питания различных приборов и установок от сети переменного тока.
Устройство: самостоятельная работа на модели трансформатора и по плакату.
Задание: - рассмотреть устройство, зарисовать схематически, работа трансформатора на холостом ходу (????- почему при разомкнутой вторичной цепи трансформатор почти не потребляет энергию)
Демонстрации: понижение напряжения (Logger Lite).
Использовать рисунок и обозначение на схемах.
13 QUOTE 13 QUOTE 1415 1415 13 QUOTE 1415
Предлагаю вам оценить свои знания по теме «переменный ток, трансформатор»
Далее тест с Plikers.
Домашнее задание: 51 упр 42 (1, 2)
Рисунок 5515
Приложенные файлы