Тип уроку: Формування нових знань.
- Освітня: сформувати у студентів поняття про призначення синхронного генератора, його будову та принцип дії.
- Виховна: Прищепити студентам інтерес до дисципліни і навички роботи в колективі.
- Розвиваюча: Сприяти розвитку самостійності мислення. Розвивати творчу діяльність.
- Дидактична: Навчити використовувати різні дидактичні матеріали. Показати форми і методи управління пізнавальною діяльністю учнів на уроці.
Наочність на уроці:
- Плакат «Синхронний генератор»
- Настінний стенд «Машини змінного струму»
- Макет синхронного генератора
- Картки-завдання (Додаток 1)
- Тести для закріплення матеріалу (Додаток 2)
- Слайди на електронному носії
1. Організаційний момент:
1.2. визначення відсутніх
1.3. Перевірка готовності учнів до уроку
1.4. Організація уваги.
2. Цілепокладання і мотивація:
2.1. Постановка мети перед студентами
2.2. Ознайомлення студентів з планом уроку
2.3. Формування установок на сприйняття і осмислення навчальної інформації.
3. Актуалізація раніше засвоєних знань:
3.1. Яка електрична машина називається генератором?
Відповідь: Генератором називається електрична машина, що перетворює механічну енергію в електричну.
3.2. На якому законі електромагнетизму заснований принцип дії генераторів?
Відповідь: Принцип дії генератора заснований на законі електромагнітної індукції: ЕРС індукується в двох випадках: при русі провідника в магнітному полі і при зміні магнітного потоку навколо провідника.
3.3. Що являє собою магнітне поле?
Відповідь: Магнітним полем називається матеріальне середовище, виявити яку можливо тільки досвідченим шляхом - внісши в це поле інше намагнічене тіло або провідник зі струмом, так як навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле.
3.4. Яке електротехнічний пристрій називається електромагнітом і для чого воно призначене?
Відповідь: Електромагніт - це електротехнічний пристрій, що складається з котушки і феррімагнітном сердечника, призначене для створення магнітного потоку.
3.5. Особливі вимоги, що пред'являються до електричних машин ПС
Відповідь: До основних вимог, що пред'являються електричним машинам ПС відносяться:
3.6. Специфічні умови експлуатації електричних машин ПС.
Відповідь: До специфічних особливостей роботи електричних машин ПС відносяться:
- коливання температури навколишнього середовища (від -50 ° С до + 50 ° С);
- коливання вологості (95 * 3%);
- запилення машин, встановлених на відкритому повітрі, зустрічним потоком повітря;
- конструкція машин і умови розміщення її на рухомому складі повинні забезпечувати зручний доступ до обслуговуваних частин.
4. Формування нових понять:
4.1. Синхронний генератор - це машина змінного струму, перетворювати будь-якої вид енергії в електричну енергію.
Генератором називається електрична машина, перетворювати механічну енергію в електричну.
4.2. Чому машина називається синхронної?
Синхронної називається безколекторна машина змінного струму, швидкість обертання якої постійна і визначається (при заданій частоті) числом пар полюсів: n = 60 * f / p; (f = 50 Гц). де р - кількість пар полюсів.
Наприклад: двадцатіполюсний генератор повинен мати швидкість п = 60 * 50/10 = 300 об / хв.
4.3. Застосування синхронних генераторів на залізничному транспорті
На залізничному транспорті синхронні машини найчастіше застосовуються в якості генераторів змінного струму на тепловозах і в рефрижераторних секціях.
4.4. Индуктирование ЕРС в синхронних генераторах
Индуктирование ЕРС в синхронних генераторах здійснюється згідно із законом електромагнітної індукції: E = B * L * U * sin L.
Рис.1. Принцип дії синхронного генератора.
Так як принципово байдуже, чи буде рухомий провідник перетинати магнітне поле, або, навпаки рухливе магнітне поле буде перетинати нерухомий провідник, то конструктивно синхронні генератори можуть бути виготовлені двох видів. У першому з них (ріс.1.а.) магнітні полюси можна помістити на статорі, а провідник на роторі і знімати з них за допомогою кілець і щіток змінний струм.
Ту частину, яка створює магнітне поле, називають індуктором. а ту частину машини, де розташовується обмотка, в якій індукується ЕРС, називають якорем.
Отже: в першому типі генератора індуктор нерухомий, а якір обертається. У таких генераторах ковзний контакт в ланцюзі великої потужності створює значні втрати енергії, а при високій напрузі наявність такого контакту стає недоцільним. Тому генератори з обертовим якорем і нерухомими кільцями виконують тільки при невисоких напругах (до 380/220 В) і невеликих потужностях (до 15 кВт).
Найбільш широке застосування отримали синхронні генератори, в яких полюси поміщені на роторі, а якір - на статорі (ріс.1.б.).
4.5. Однофазні та трифазні синхронні генератори
З курсу електротехніки відомо, що якщо обертати ротор-індуктор, то в обмотці статора буде индуктироваться змінна ЕРС (ріс.2.а.), Це явище лежить в основі пристрою однофазного генератора змінного струму. Обмотку статора можна також зробити багато фазної, але на практиці найбільшого поширення набула трифазна система змінного струму (ріс.2.б.).
4.6. Пристрій синхронного генератора
На тепловозах з передачею потужності змінно-постійного і змінного струму в якості тягових використовують синхронні генератори, первинними двигунами яких служать двигуни внутрішнього згоряння (дизелі). Їх також використовують в якості допоміжних машин на тепловозах, електровозах і в пасажирських вагонах.
Рис.3. Пристрій синхронного генератора.
Статор є нерухомою частиною синхронної машини (ріс.3.а.) і складається з корпусу і сердечника, в пазах якого розташовується статорна обмотка, призначена для индуктирование в ній ЕРС. Сердечник статора набирається з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 або 0,5 мм, в яких вирубують пази для укладання провідників обмотки статора.
4.7. Явновираженние і неявновираженние полюса електромагнітів
Ротор синхронного генератора являє собою вал, на якому укріплені сердечники полюсів в явновираженних синхронних машинах (ріс.3.б.) або набирають з листів електротехнічної сталі в неявновираженних синхронних машинах (3.В.).
У високошвидкісних синхронних генераторах виконуються неявновираженние полюса для забезпечення потрібної механічної міцності.
Рис.4. Явновираженние і неявновираженние полюса електромагнітів.
Обмотка збудження виконується з мідного дроту прямокутного перетину, кінці якої виводяться на контактні кільця, встановлені на роторі. Токос'ём з контактних кілець (плакат «Синхронний генератор») здійснюється за допомогою щіток, встановлених в щіткотримачів і притискаються до контактної поверхні пружинами.
У синхронних генераторах застосовують два основних способи збудження: незалежне (ріс.5.а.) і самозбудження (ріс.5.б.)
Рис.5. Незалежне збудження і самозбудження машини.
При незалежному збудженні обмотка збудження живиться від генератора постійного струму з незалежним обмоткою збудження, розташованого на валу ротора синхронного генератора і обертового разом з ним (великої потужності).
При самозбудженні харчування обмотки збудження здійснюється самим синхронним генератором через випрямляч (малої і середньої потужності).
4.8. Принцип дії синхронного генератора
За допомогою первинного двигуна ротор-індуктор обертається. Магнітне поле знаходиться на роторі і обертається разом з ним, тому швидкість обертання ротора дорівнює швидкості обертання магнітного поля - звідси назва синхронна машина.
Рис.6. Генераторний режим роботи синхронної машини.
При обертанні ротора магнітний потік полюсів перетинає статорних обмотку і наводить в ній ЕРС за законом електромагнітної індукції: E = 4,44 * f * w * kw * Ф, де:
f - частота змінного струму, Гц; w - кількість витків; kw - обмотувальний коефіцієнт; Ф - магнітний потік.
Частота индуктированной ЕРС (напруги, струму) синхронного генератора: f = p * n / 60, де:
р - число пар полюсів; п - швидкість обертання ротора, об / хв.
Замінивши: E = 4,44 * (п * р / 60) * w * kw * Ф і, визначивши: 4,44 * (р / 60) * w * kw - відноситься до конструкції машини і створює конструктивний коефіцієнт: C = 4.44 * (р / 60) * w * kw.
Таким чином, як і у будь-якого генератора, заснованого на законі електромагнітної індукції, индуктированная ЕРС пропорційна магнітному потоку машини і швидкості обертання ротора.
4.9. Оборотність синхронного генератора
Синхронні машини застосовуються також в якості електричного двигуна, особливо в установках великої потужності (понад 50 кВт)
Рис.7. Руховий режим роботи синхронної машини.
Для роботи синхронної машини в режимі двигуна обмотку статора підключають до трифазної мережі, а обмотку ротора до джерела постійного струму. В результаті взаємодії магнітного поля машини з постійним струмом обмотки збудження, виникає крутний момент М, який захоплює його зі швидкістю магнітного поля.
4.10. Умови включення синхронного генератора в мережу
Для включення генератора в мережу необхідно:
- однакове чергування фаз в мережі і генераторі;
- рівність напруги мережі і ЕРС генератора;
- рівність частот ЕРС генератора і напруги мережі;
- включати генератор в той момент, коли ЕРС генератора в кожній фазі спрямована зустрічно напрузі мережі.
Невиконання цих умов веде до того, що в момент включення генератора в мережу виникають струми, які можуть виявитися більшими і вивести генератор з ладу.
5. Закріплення отриманих знань:
5.1. Контрольні питання:
- Яка електрична машина називається генератором?
Відповідь: Генератором називається машина, перетворювати механічну енергію в електричну.
- Чому машина називається синхронної?
Відповідь: Магнітне поле знаходиться на роторі і обертається разом з ним, тому швидкість обертання магнітного поля дорівнює швидкості обертання ротора - через це і назва синхронна.
- За яким законом здійснюється индуктирование ЕРС в якорі машини?
Відповідь: Згідно із законом електромагнітної індукції - ЕРС індукується в двох випадках: при русі провідника в магнітному полі або при зміні магнітного поля навколо провідника.
- Які два основних способів збудження Ви знаєте?
Відповідь: незалежне збудження і самозбудження.
- Яка залежність між р і п в синхронних генераторах при заявленій частоті змінного струму?
Відповідь: оберненопропорційна залежність: чим більше, тим менше.
№1: Число пар полюсів синхронного генератора 4. Визначити частоту обертання магнітного поля статора, якщо частота генерованого струму 50 Гц.
f = 50 Гц; n = f * 60 / p = 50 * 60/4 = 750 об / хв.
№2: Яка кількість полюсів має бути у синхронного генератора з частотою ЕРС 50 Гц, якщо ротор його обертається з частотою 500 об / хв.
n = 500 об / хв; р = f * 60 / n = 50 * 60/500 = 6 пар.
№3: Генератор змінного струму має 10 пар полюсів і його ротор обертається з частотою 1200 об / хв. Скільки разів на секунду ток змінює свій напрямок?
n = 1200 об / хв; f / 2 = p * n / 60 * 2 = 10 * 1200/60 * 2 = 100 раз;
№4: Знайти ЕРС, індуковану в одній фазі статора генератора змінного струму, якщо кількість витків 24; обмотувальний коефіцієнт 0,9; частота ЕРС 50 Гц, а магнітний потік 0,05 Вб.
kw = 0,9; Ф = 0,05 Вб; Е = 4,44 * f * kw * w * Ф = 4.44 * 50 * 0,9 * 0,05 = 10 В.
№5: Вибрати необхідне число витків обмотки шестіполюсного синхронного генератора, ротор якого обертається з частотою 1000 об / хв, щоб ЕРС на його висновках була 220 В, якщо магнітний потік, створюваний обмоткою збудження ротора, дорівнює 0,05 Вб, а обмотувальний коефіцієнт обмотки обмотки 0,92.
N = 6 полюсів; Ф = 0,05 Вб; Е = 4,44 * f * w * kw * Ф;
n = 1000 об / хв; kw = 0,92; f = p * n / 60 = (6/2) * 1000/60 = 50Гц;
Визначити: w =. w = E / 4,44 * f * kw * Ф = 220 / 4,44 * 50 * 0,92 * 0,05 = 22 в.