Teoria generatora prądu przemiennego

Fizyka - Obwody prądu przemiennego (część I - RL oraz RC) (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Teoria generatora prądu przemiennego

Obwody elektryczne prądu zmiennego


Pytanie 1

Jeśli przez ten przewód przepuszczany jest prąd elektryczny, w którym kierunku zostanie popchnięty przewód (przez interakcję pól magnetycznych) "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00382x01. png ">

Czy jest to przykład silnika elektrycznego lub generatora elektrycznego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Drut zostanie przesunięty w górę w tym przykładzie silnika .

Uwagi:

Wizualną pomocą w zrozumieniu oddziaływania dwóch pól magnetycznych jest diagram przedstawiający linie strumienia wydobywające się z magnesów stałych, w stosunku do okrągłych linii strumienia wokół drutu. Poproś uczniów, którzy natknęli się na podobne ilustracje w swoich badaniach, aby narysowali to zdjęcie na tablicy przed klasą, dla tych, którzy jej nie widzieli.

pytanie 2

Jeśli ten drut (między biegunami magnesu) zostanie przesunięty w kierunku do góry, jaka polaryzacja napięcia wskaże miernik?

Opisz czynniki wpływające na wielkość napięcia indukowanego ruchem i określ, czy jest to przykład silnika elektrycznego czy generatora elektrycznego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Woltomierz wskaże ujemne napięcie w tym przykładzie generatora .

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoje odpowiedzi dotyczące czynników wpływających na wielkość napięcia. Skąd się wzięły informacje "panel panelu roboczego - domyślnie" itemscope>

pytanie 3

Jeśli ten przewód (między biegunami magnesu) jest przesuwany w górę, a końce przewodów są połączone z obciążeniem rezystancyjnym, w jaki sposób prąd przepłynie przez drut?

Wiemy, że prąd przesuwający się przez drut stworzy pole magnetyczne i że to pole magnetyczne będzie wytwarzać siłę reakcji przeciwko statycznym polom magnetycznym pochodzącym z dwóch magnesów stałych. W którym kierunku ta siła reakcji popchnie przewód podtrzymujący prąd "# 3"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Siła reakcji będzie bezpośrednio przeciwna do kierunku ruchu, jak opisuje prawo Lenza.

Pytanie uzupełniające: Co oznacza dla nas to zjawisko w związku z łatwością poruszania się mechanizmu generatora pod obciążeniem, w porównaniu do rozładunku? Jaki wpływ ma obciążenie mechaniczne na zaciski wyjściowe generatora na wysiłek mechaniczny potrzebny do obrócenia generatora?

Uwagi:

Jeśli masz duży silnik prądu stałego z magnesami stałymi dostępny w klasie, możesz łatwo zademonstrować tę zasadę swoim uczniom. Wystarczy, że zakręcą trzonem silnika (generatora) dłońmi, z zaciskami zasilania otwartymi w stosunku do zwartych razem. Twoi uczniowie zauważą ogromną różnicę w łatwości poruszania się pomiędzy tymi dwoma stanami.

Po tym, jak uczniowie mieli okazję przedyskutować to zjawisko i / lub doświadczyć go samodzielnie, zapytaj ich, dlaczego producenci elektromechanicznych urządzeń do przesuwania mierników zwykle przesyłają mierniki z drutem zwierającym łączącym dwa terminale miernika. W jaki sposób ruch miernika PMMC przypomina generator elektryczny? W jaki sposób zwarcie zacisków razem pomaga chronić przed uszkodzeniami spowodowanymi wibracjami podczas transportu?

Poproś uczniów, aby opisali, jakie czynniki wpływają na wielkość tej siły reakcji.

Pytanie 4

Określ biegunowość indukowanego napięcia między końcami tej pętli drucianej, ponieważ jest obracana między dwoma magnesami:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie dotyczące wyzwania: gdyby rezystor był podłączony między końcami tej pętli, "widziałby" prąd stały (DC) lub prąd przemienny (AC) "zauważa ukryty"> Uwagi:

Zwróć uwagę, że dwa końce drutu przełączają biegunowość w miarę obracania się pętli. Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego biegunowość jest taka jaka jest.

Pytanie 5

Opisać charakter napięcia indukowanego w uzwojeniach stacjonarnych ("stojanowych"), gdy wirnik z magnesem trwałym obraca się w tej maszynie:

Jakie czynniki determinują wielkość tego napięcia "# 5"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zwiększ szybkość zmiany ((dφ) / dt) lub zwiększ liczbę zwojów uzwojenia stojana, aby zwiększyć wartość napięcia zmiennego wytwarzanego przez to urządzenie.

Pytanie uzupełniające: Generatory prądu przemiennego lub alternatory, jak się je czasami nazywa, są zwykle maszynami o długiej żywotności, gdy działają w odpowiednich warunkach. Ale jak wszystkie maszyny, ostatecznie zawiodą. Na podstawie ilustracji podanej w pytaniu określ prawdopodobne tryby awarii alternatora i jakie warunki mogą przyspieszyć takie awarie.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby napisali równanie do Prawa Faradaya na tablicy, a następnie przeanalizuj je w sensie jakościowym (ze zmiennymi zwiększającymi lub zmniejszającymi wartość), aby potwierdzić odpowiedzi.

Pierwsza odpowiedź na to pytanie (zwiększenie ((dφ) / dt)) została celowo niejasna, aby skłonić uczniów do myślenia. Co konkretnie trzeba zmienić, aby zwiększyć tempo zmian w czasie? Które zmienne świata rzeczywistego można zmienić po wytworzeniu generatora, a które nie?

Pytanie 6

Aby uczynić najbardziej praktyczny generator prądu przemiennego (lub alternator, jak to jest również znane), który projekt ma więcej sensu: nieruchomy magnes stały z obrotową cewką drutu lub obrotowy magnes stały ze stacjonarną cewką? Wyjaśnij swój wybór.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Praktycznie bardziej praktyczne jest skonstruowanie alternatora ze stacjonarną cewką drutu i obracającym się magnesem, niż skonstruowanie z nieruchomym magnesem i obrotową cewką drutu, ponieważ maszyna z obrotową cewką wymagałaby jakiejś formy szczotek i pierścieni ślizgowych do doprowadzać moc z wału obrotowego do ładunku.

Pytanie uzupełniające: co jest tak źle w szczotkach i pierścieniach ślizgowych, że w miarę możliwości chcemy ich uniknąć w projektowaniu alternatora?

Uwagi:

Odpowiedź na kolejne pytanie może wymagać trochę badań ze strony uczniów. Poproś ich o opisanie, czym są "szczotki" i jakie są "pierścienie ślizgowe", a następnie mechaniczne aspekty tych części powinny stać się jasne.

Pytanie 7

Wiemy, że w celu indukowania sinusoidalnego napięcia w cewce drutu, strumień magnetyczny łączący zwoje drutu w cewce musi podążać sinusoidalną ścieżką w czasie, przesuniętą w fazie o 90o od fali napięcia. Ta zależność między strumieniem a wzbudzonym napięciem wyraża się w równaniu Faradaya v = N ((dφ) / dt):

Opierając się na tym fakcie, narysuj położenie wirnika magnetycznego w alternatorze, gdy napięcie znajduje się na jednym z jego szczytów:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Napięcie prądu alternatora osiąga wartości szczytowe, gdy strumień magnetyczny znajduje się w punkcie przejścia przez zero:

(Rzeczywiste polaryzacje magnesów nie są istotne dla odpowiedzi: nie wiedząc, w którą stronę nawijane są cewki i w jaki sposób wirnik się obraca, niemożliwe jest określenie dokładnej polaryzacji magnetycznej, więc jeśli twoja odpowiedź miała "N" skierowaną w dół i " S "w górę, jest nadal akceptowalny.)

Uwagi:

To pytanie rzuca wyzwanie uczniom powiązania przebiegu fali magnetycznej (φ) z chwilową pozycją wirnika. Odpowiedź może zaskoczyć niektórych, którzy spodziewali się, że maksymalne indukowane napięcie wystąpi, gdy wirnik znajdzie się w linii z biegunami stojana. Ta odpowiedź powoduje jednak błąd polegający na myleniu strumienia (φ) ze zmianą szybkości strumienia w czasie (((dφ) / dt)). Wirnik ustawiony w linii z biegunami stojana spowodowałby maksymalny strumień (φ) przez te bieguny, ale nie maksymalną zmianę strumienia w czasie (((dφ) / dt)).

Pytanie 8

Jeśli ten alternator jest obracany z prędkością 4500 obr./min (obroty na minutę), jaka będzie częstotliwość jego napięcia wyjściowego "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00819x01.png">

Podpowiedź: ile cykli prądu przemiennego powstaje dla każdego obrotu wirnika?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

f = 75 Hz

Uwagi:

Uczniowie powinni zdawać sobie sprawę, że istnieje jeden cykl napięcia zmiennego wytwarzany dla każdego obrotu wału wirnika. Od tego momentu problemem jest po prostu kwestia konwersji jednostek.

Pytanie 9

Jak szybko musi wirować 12-biegunowy alternator, aby wytworzyć moc prądu przemiennego 60 Hz? Napisz równanie matematyczne rozwiązujące dla prędkości (S) pod względem częstotliwości (f) i liczby biegunów (N).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

S = 600 obr / min, dla f = 60 Hz.

S = 120 f


N

Pytanie uzupełniające: algebraicznie manipuluj tym równaniem, aby rozwiązać liczbę wymaganych biegunów (N) w generatorze o zadanej prędkości (S) i częstotliwości (f).

Uwagi:

Może to być szczególnie mylące dla niektórych studentów, dopóki nie zorientują się, że bieguny alternatora są zawsze wielokrotnościami 2 (najprostszy alternator mający 2 bieguny).

Pytanie 10

Ile biegunów ma alternator, jeśli generuje moc 400 Hz przy prędkości wałka 6000 obr / min?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

8 biegunów, które są takie same jak 4 pary biegunów.

Pytanie uzupełniające: algebraicznie manipuluj równaniem prędkości / biegunów / częstotliwości, aby rozwiązać wygenerowaną częstotliwość (f), biorąc pod uwagę liczbę biegunów (N) i prędkość generatora (S).

Uwagi:

Niektóre odniesienia dostarczają równania w kategoriach par biegunów zamiast indywidualnych biegunów alternatora.

Pytanie 11

Zakładając, że częstotliwość wyjściowa alternatora musi pozostać stała (jak w przypadku krajowych systemów elektroenergetycznych, gdzie częstotliwość wszystkich elektrowni musi być taka sama), w jaki sposób można regulować napięcie wyjściowe? Innymi słowy, skoro nie mamy luksusu zwiększania lub zmniejszania prędkości obrotowej w celu kontrolowania napięcia, ponieważ to zmieniłoby częstotliwość, w jaki sposób możemy nakłonić alternator do wytwarzania mniej więcej napięcia na żądanie?

Podpowiedź: alternatory samochodowe są produkowane z tą funkcją, chociaż celem w tym zastosowaniu jest utrzymanie stałego napięcia pomimo zmian w prędkości obrotowej silnika. W samochodowych układach elektrycznych częstotliwość wyjściowa alternatora jest nieistotna, ponieważ prąd zmienny jest "rektyfikowany" na prąd stały (częstotliwość = 0 Hz) w celu naładowania akumulatora.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wirnik nie może być magnesem trwałym, ale musi być elektromagnesem, w którym możemy dowolnie zmieniać jego siłę pola magnetycznego.

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób można przewodzić elektryczność do uzwojeń wirującego wirnika? Czy powinniśmy zasilać uzwojenie wirnika prądem zmiennym lub stałym? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, jak ta strategia regulacji napięcia jest porównywalna do strategii generatorów prądu stałego. Poproś, aby opisali różnicę między "prętami komutatora" i "pierścieniami ślizgowymi".

Pytanie 12

Załóżmy, że mamy alternator z dwoma zestawami uzwojeń, A i B :

Każda para uzwojeń w każdym zestawie jest połączona szeregowo, więc działają one jak dwa oddzielne zwoje:

Jeśli jeden koniec każdej pary uzwojeń był połączony ze sobą we wspólnym punkcie uziemiającym, a każde wyjście pary uzwojeń 70 woltów RMS, to ile napięcia zostanie zmierzone między końcami otwartych końcówek uzwojenia "// www.beautycrew.com.au//sub .allaboutcircuits.com / images / quiz / 01886x03.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

99 woltów

Wskazówka: jeśli nie rozumiesz, w jaki sposób obliczono tę wartość napięcia, wykreśl napięcie wyjściowe dwóch uzwojeń, tak jak pokazano na oscyloskopie. Zależność fazowa pomiędzy tymi dwoma napięciami jest kluczem do rozwiązania.

Pytanie uzupełniające: narysuj wykres wskazowy pokazujący, w jaki sposób różnica potencjałów (napięcia) między końcówkami drutu jest równa 99 woltów, gdy każde napięcie cewki uzwojenia wynosi 70 woltów.

Uwagi:

To pytanie jest dobrym ćwiczeniem wiedzy studentów na temat przesunięcia fazowego, w bardzo praktycznym kontekście.

Pytanie 13

Załóżmy, że mamy alternator z trzema zestawami uzwojeń, A, B i C :

Każda para uzwojeń w każdym zestawie jest połączona szeregowo, więc działają one jak tylko trzy oddzielne zwoje (zwróć szczególną uwagę na kropki do znakowania fazy!):

Jeżeli jeden koniec każdej pary uzwojeń byłby połączony ze sobą we wspólnym punkcie uziemiającym, a każde wyjście pary uzwojeń 70 woltów RMS, to ile napięcia zostanie zmierzone między dowolnymi dwoma otwartymi przewodami "// www.beautycrew.com.au//sub. allaboutcircuits.com/images/quiz/01887x03.png ">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

121, 2 woltów

Pytanie uzupełniające: narysuj wykres wskazowy pokazujący, w jaki sposób różnica potencjałów (napięcia) między końcówkami drutu jest równa 121, 2 wolta, gdy każde napięcie cewki uzwojenia wynosi 70 woltów.

Uwagi:

To pytanie jest dobrym ćwiczeniem wiedzy studentów na temat przesunięcia fazowego, w bardzo praktycznym kontekście.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →