Получение синусоидальной ЭДС

Принцип получения синусоидальной ЭДС промышленной частоты основан на вращении рамки в постоянном магнитном поле.

Поместим металлическую рамку в магнитное поле так, чтобы ее ось вращения была перпендикулярна магнитным линиям. Будем вращать рамку с постоянной угловой скоростью ω.

Нетрудно видеть, что угол между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке будет изменяться

Магнитный поток, пронизывающий рамку, тоже будет изменяться

Изменение магнитного потока, как известно, приводит к возникновению в контуре ЭДС индукции. По Закону Фарадея ее можно рассчитать

(1)

Изменение ЭДС со временем представлено на рисунке:

ЭДС дважды за период изменяет знак – это означает изменение полярности ЭДС, возникающей в рамке. Природа ЭДС индукции, возникающей в этом случае, - действие силы Лоренца на заряды в движущихся сторонах рамки АВ и СD.

Максимальное значение ЭДС определяется величиной индукции магнитного поля, площадью рамки и угловой скоростью ее вращения .

На практике чаще всего вращают не рамку, а магнитное поле, индукция которого распределена внутри машины по закону косинуса .

Близкое к такому распределению индукции можно получить специальной формой полюсных наконечников магнита.

На вращающейся части машины – роторе – наложена обмотка возбуждения, питаемая от источника постоянного тока. Этот ток создает магнитное поле нужной конфигурации.

Обмотка, в которой генерируется переменная ЭДС, расположена в пазах неподвижной части машины – статора.

Как видно из выражения (1), циклическая частота ω синусоидальной ЭДС, возникающей в рамке, численно равна угловой скорости вращения рамки. Выразим угловую скорость вращения рамки через частоту и циклическую частоту переменной ЭДС через обычную частоту . Очевидно, что частота переменной ЭДС ν совпадает с частотой вращения рамки n:

Промышленная частота в России составляет v = 50 Гц. Для получения синусоидальной ЭДС такой частоты рамку необходимо вращать с частотой . С такой частотой ротор генератора может вращать только паровая турбина. Частоту вращения ротора можно уменьшить, увеличив число пар полюсов электромагнита: , где р – число пар полюсов, n – частота вращения ротора ( число оборотов в минуту). Например, частота вращения генераторов на Днепровской ГЭС об/мин. Для получения промышленной частоты 50 Гц генераторы ГЭС имеют р = 36 пар полюсов.