电磁感应现象在手摇三相发电机演示实验中的应用

目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (1)1引言 (1)2电磁感应现象 (1)2.1电磁感应现象定义 (1)2.2电磁感应现象的实质 (2)3手摇三相交直流发电机演示实验 (2)3.1原理简析 (2)3.2演示仪简介及部件原理详述 (2)3.3三相电流产生机制理论分析 (2)4三相电路组成结构分析 (3)4.1三相电源的星形联接 (3)4.2三相电源的三角形联接 (4)4.3三相负载的星形联接 (4)4.4三相负载的三角形联结 (5)5实验时遇到的问题解析 (5)5.1实验时微噪产生及原因 (5)5.2实验仪选用单极励磁绕组的原因 (5)5.3实验过程中接通电源的瞬间及电源误接交流灯泡发光 (6)5.4实验时电压6V时为何转子吸到定子上 (6)6提出演示实验方案 (6)参考文献 (6)电磁感应现象在手摇三相发电机演示实验中的应用物理学院物理学专业08.2班王吉国摘要：本文分析了手摇三相发电机演示实验的工作原理，解释了电磁感应现象在本实验中的应用，结合本实验室现有仪器从中详述三相电路组成部分，其中着重分析了三相电路的电源联接方式和负载的联接方式以及线电压和相电压与线电流和相电流之间的关系，从而揭示了演示实验中的能量转化方式．进一步通过了实验演示步骤及演示过程对实验中遇到的问题进行理论分析与解释,基于节能理念探寻最佳演示方案，并对实验结果进行理论修正，从而得到研究的实际意义．关键词：电磁感应现象；三相电路；实验疑问；分析；实验方案The Electromagnetic Induction Phenomenon in HandThree-phase Generator Experimental Demonstration ofApplicationWang jiguo Class 2, Grade 2008 Physics MajorSchool of PhysicsAbstract: This paper analyzes the hand three-phase generator experimental demonstration of working principle, explaining the electromagnetic induction phenomenon in the application of this experiment, combined with the laboratory instruments from existing described the three-phase circuit component which focuses on analyzing the power of the three-phase circuit connection mode and a load and line voltage. This way and phase voltage and current line of the relationship between the line and reveals experiment of energy conversion way. Further through the experiment demonstration of the experimental process steps and demonstrates the problems in the theory analysis and explanation, based on energy conservation idea for best demo program and the experimental results are theory point correction, and get the practical significance of the study.Keywords: electromagnetic induction phenomenon; the three-phase circuit; the experiment doubt; analysis; experiment scheme1 引言自一八二零年奥斯特发现电流的磁效应,从此人们开始进行相关的实验探索,一八三一年法拉第发现电磁感应现象,以后人们应用电磁感应现象制作成了发电机和感应加速器等,其中最具影响力的是发电机．2 电磁感应现象2.1 电磁感应现象定义电磁感应是利用磁场产生电流的现象,相应的电流叫感应电流．能够产生电流的方式有很多种,从本质上讲,有两类:一类是由于磁场与回路相对运动引起的,另一类是由于磁场的变化引起的．它们的共同点是使回路中的磁通量发生变化．电磁感应现象中首先产生的是感应电动势,相比之下感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的实质,它不受回路是否闭合以及电阻大小的影响,且法拉第的电磁感应定律表示出了电动势与磁通量的变化率的正比关系,再结合楞次定律可得到电磁感应现象的定律的统一表述：闭合回路中,感应电动势与回路中磁通量的变化率的负值成正比,即ξ=dtd k φ-（ξ表示感应电动势,单位为伏特,t 单位是秒,φ表示磁通量,单位为待定）[1]．2.2 电磁感应现象的实质导体运动和磁场变化都可以产生感应电动势,即有电动势产生时,存在静电力k f 推动电荷做功．研究表明：磁场B 一定,导体运动时,实质上是非静电力k f 洛伦兹力,相应的感应电动势叫动生电动势．导体不动,磁场B 变化时,实质上静电力k f 是感生电场力,相应的电动势叫做感生电动势．3 手摇三相交直流发电机演示实验3.1 原理简析本实验即为动生电动势产生三相电,由直流电源提供稳恒磁场,励磁绕组由转轴带动旋转切割磁场产生感生电动势,产生电流从而达到发电的目的．3.2 演示仪简介及部件原理详述定子：它由机座支架,定子冲片和定子线圈组成．发电机机座支架即转子支架,它起支撑磁极转子的作用．其上还安装有电刷,以便将励磁电能引入磁极绕组．定子冲片由硅钢片叠成,以便为定子线圈产生磁能提供通路；其内壁有槽,槽中镶嵌着三个线圈,即定子线圈,为了清楚地显示三相发电机的基本工作原理,三个线圈外包着黄、绿、红三色彩绸以资识别．线圈采用直径0.35mm 的漆包线,每个线圈绕300匝．组成形状、尺寸和匝数都相同而轴线相差1200的三个绕组,这样在发电机工作时可以形成频率一致、幅值相等、相位相差1200的交流电．磁极转子：它由转子（磁极）转轴、滚珠轴承、滑环和励磁绕组组成．励磁绕组采用直径0.53mm 的漆包绕线400匝．磁极转子由电刷接入稳恒直流电源后通过机械转轴转动为三相电源的产生提供磁场能．底座：木制绝缘．接线柱：三相电流输出端．Y/Δ接线板、Y 接法负载板和三相不平衡中性线带电负载板：负载板减少实验线路连接便于演示实验的成功．3.3 三相电流产生机制理论分析直流电源供电,电压范围4.5V~6V ．经电刷进入励磁绕组,励磁绕组为闭合回路,由电磁感应现象知,物体带电,建立电场使其具有电能．回路载流,建立磁场使其具有磁能．称之为自感磁能,通电时电流从0增加到I ,自感电动势阻碍其增加,因此在电流增加过程中克服自感电动势做功转化为载流线圈即励磁绕组的磁能．即励磁绕组形成磁极产生沿空气隙按正弦规律分布的磁场,这时机械传动装置带动励磁绕组沿顺时针方向以恒速转动时,在轴线相差0120的定子线圈中产生感应电动势,即对称三相电动势1e ,2e ,3e ．选择1e 为参考量,则对称三相电动势表示为：t E e m ωsin 1=,)120sin(02-=t E e m ω,)120sin()240sin(003+=-=t E t E e m m ωω……①,其中m E 为电动势的最大值[2]．4 三相电路组成结构分析4.1 三相电源的星形联接将三相绕组的三个末端L 1′,L 2′,L 3′连接在一起后,三个首段L 1,L 2,L 3一起向外引出四根供电线,或从三个首段引出三个供电线,这种供电方式称为三相电源的星形联接或Y 型联接,就供电方式而言,前者称为三相四线制,后者称为三相三线制．星形联接时,三个绕组的末端的连接点N 称为中性点,三个首端引出的供电线称为相线或端线,俗称火线．应用三相四线制供电方式向用户供电时提供两种电压：每相绕组两端的电压∙1U ,∙2U ,∙3U ,即相线与中性线之间的电压,称为相电压；每两组相绕组端点间的电压,即相线与相线间的电压∙12U ,∙23U ,∙31U 称为电源的线电压．如下图3、图4所示,由KVL ,线电压和相电压之间关系为∙12U =∙1U -∙2U ,∙23U =∙2U -∙3U ,∙31U =∙3U -∙1U …………②．由于三相电动势是对称的,三相绕组的内阻抗一般都是很小所以三个相电压也是对称的,用∙P U 表示,∙1U =∙2U =∙3U =∙P U ,以∙1U 为参考做电压矢量图,三个线电压也是对称的,用∙L U 表示,则有∙12U =∙23U =∙31U =∙L U ,由向量图用几何法得∙L U =3∙P U ．例如,相电压为220V 时线电压为380V ．三相电源工作时,每相绕组中的电流∙1I ,∙2I ,∙3I 称为电源的相电流,由端点输送出去的电流为∙1L I ,称为电源的线电流．相电流和线电流的大小均与负载有关．星形联结时,线电流是对应相电流的,即∙1L I =∙1I ,∙L2I =∙2I ,∙L3I =∙3I ．如果线电流是对称的,则相电流也一定是对称的,他们的有效值可以分别用∙L I ,∙P I 表示,即∙1L I =∙L2I =∙L3I =∙L I ,∙1I =∙2I =∙3I =∙P I ．可见,在电流对称的情况下联接的对称三相电源图3三相四线制星形联接图图4电压相量图中,线电流的有效值等于相电流的有效值,即∙L I =∙P I 在相位上,线电流与对应的相电流相位相同．4.2 三相电源的三角形联接将三相电源中每相绕组的首端依次与另一相绕组的末端连接在一起,形成闭合回路,然后从三个连接点引出三根供电线,这种连接方式为三相电源的三角形联接或Δ联接．显然,这种供电方式只能是三相三线制．三角形联接时,对应的线电压就是相电压,∙12U =∙1U ,∙23U =∙2U ,∙31U =∙3U …………③．而且可以认为他们是对称的．因而,在三角形联接的对称三相电源中,线电压的有效值等于相电压的有效值,即∙L U =∙P U 在相位上,线电压与对应的相电压相位相同．在三角形联接的矢量图中,根据KCL ,线电流与相电流的关系为∙1L I =∙1I -∙3I ,∙L2I =∙2I -∙1I ,∙L3I =∙3I -∙2I ．当它们对称时,用几何的方法由矢量图可以求得线电流的有效值,等于相电流的3倍,即∙L I =3∙P I ．在相位上,线电流是滞后于与之相关的滞后相相电流300,滞后于超前相相电流1500的．例如,与∙1L I 相关的相电流为∙1I 和∙3I ,相电流∙1I 是滞后于相电流∙3I 的,而∙1L I 滞后于∙1I 300滞后于∙3I 1500．4.3 三相负载的星形联接相应的三相负载的联接方式也为两种即：星形联结和三角形联接．需要注意的是无论采用哪种接法,每相负载首末端之间的电压成为负载的相电压；两相负载之间的电压称为负载的线电压；每相负载中通过的电流称为负载的相电流；负载从供电先上取用的电流称为负载的线电流．三相负载应该采用那一种连接方式,应根据电源电压和负载额定电压的大小来决定．原则上,应使附加的实际相电压等于其额定相电压．图7为三相负载的三相四线制星形联接时的电路．三相负载的三个末端连接在一起,接到电源的中性线上,三相负载的三个首端分别接到电源的三根相线上．由图7、图8知,在图示参考方向下,线电压和相电压的关系,线电流和相电流的关系,与星型联接的三相电源中的公式相同,即中性电流为∙∙∙∙∙∙∙++=++=321321I L L L N I I I I I I ,相电压与相电流的关系为： 图5三角形联结图图6电流相量图 图7三相四线制星形联结图111Z U I ∙∙=,212Z U I ∙∙=,333Z U I ∙∙=．由于三相电源提供的线电压和相电压一般是对称的,如果负载是对称的,即负载的阻抗相等．这样负载和电源的相电流及线电流必然是对称的,这样的三相电路称为对称三相电路．这时的向量如上矢量图所示,因此,在对称三相电路中,星形联接的三相负载和星形联接的三相电源,他们的线电压与相电压,线电流与相电流的有效值之间和相位之间的关系是相同的,即可推出在对称三相电路中,中性线的电流为零．三相负载不对称,则中性线的电流不为零,实验过程中演示三相不对称负载时中性线的灯泡会发光[3]．4.4 三相负载的三角形联结如下图是三相负载的三角形联结电路,每相负载的首端都依次与另一项负载的末端联结在一起,形成闭合回路,然后,将三个连接点分别连到三相电源的三根相线上,显然这种接法为三相三线制．由于电源电压的对称性,因此,三相负载的线电压和相电压也是对称的．在如此的三相对称电路中三角形联结与三相负载和三相电源,他们的线电压与相电压,线电流与相电流的有效值之间和相位之间的关系是相同的[4]．5 实验时遇到的问题解析5.1 实验时微噪产生及原因实验时的噪声主要有手摇轮式传动机构的摩擦声音和励磁绕组在通电工作的过程中产生的声音．由于转子为提高励磁绕组磁性作用的硅钢铁心在线圈工作时产生损耗,因消耗电能而产生机械振动从而发声．声音较小,但消耗能源,造成机械磨损,降低仪器使用寿命．损耗计算公式2RI P =[5]． 5.2 实验仪选用单极励磁绕组的原因一方面发电机励磁绕组的极数与原动机转速有关,即本实验中的手摇动速度,生活中大型水电站转速较慢,故采用多极绕组,而本实验中经过机械传动装置转速较快,且仅是演示简单发电机原理,故采用单极绕组．另一方面单极励磁绕组结构简单,在运行过程中既能够满足转速与励磁电流副角的要求,又满足演示实验讲解发电机励磁绕组原理的清晰直观．另附励磁绕组工作环境要求：a 、室内环境不高于零上40C ︒,不低于零下20C ︒；b 、环境空气相对湿度不大于85%；c 、周围环境无损害绝缘的腐蚀性气体或蒸汽；d 、周围环境无易爆气体及导电尘埃；图9三角形联结图图10相量图图8相量图e 、周围环境无剧烈的冲击与强烈的震动．5.3 实验过程中接通电源的瞬间及电源误接交流灯泡发光实验电路连接完毕,在电源接通的瞬间（错误实验：闭合了开关）由电磁感应现象知,在励磁绕组中产生感应电动势,而定子线圈和励磁绕组间发生互感现象,定子中产生电势变化从而使小灯泡发光在误接交流电后,转子线圈和定子发生持续互感现象,即组成变压器向用电器提供电源,使小灯泡发光．此时电压关系应为1U /2U =2N /1N 其中1U 为转子电压2U 为定子电压即向用电器提供电压,1N 为转子线圈数目2N 为定子线圈数目[4]．在实验过程中应尽量避免这种错误,避免瞬间电压过大将小灯泡或线圈烧损．5.4 实验时电压6V 时为何转子吸到定子上本试验仪的定子机械构架,转子铁心为了增强在工作状态下的磁场能量强度均采用硅钢结构,而实验仪器由于长期使用,磨损极为严重,仪器在正常状态下,直流电源通电后励磁绕组的铁心为硅钢,增强了磁性,转子的磁能对同是硅钢构架的定子将产生远超自重的电磁吸力,但由于机械构架的存在,定子转子之间存在 1.5-3mm [5]的气隙,本实验室的仪器磨损过于严重,导致所产生的电磁吸力大于转子自重时,转子就吸在定子上,致使实验无法正常进行．注：电磁吸力计算公式：电磁铁的起重量与被吊物品的形状、尺寸、堆放状态有关,电磁铁的吸力可用麦克斯威尔电磁吸力公式来计算：F =1/5000²*B ²*S式中F =起重电磁力(kg)S =工作气隙面积(cm ²)B =工作气隙磁密(Gs) [6] [8]．6 提出演示实验方案在本实验进行时,使用实验室配备的(6~8V 0.15A)小灯泡,则小灯泡额定电压即负载电压,考虑到励磁绕组的功率损耗,及各学生进行演示实验时的差异．代入上文中三相电路公式①②③及功率损耗相关公式并参考理论值给出实验演示方案（实验演示范围）如下表1表1实验演示方案表联结方式 电压（V ） 转速（r/min ） 手摇速度（r/min ） Y 5-5.51300-1500 30-50 Δ 5.5-61300-1500 30-50 由于本实验在于演示,即现象明显即可,无须长时间做实验,故实验时每项联结演示30s 左右即可[3] [4] [7]．参考文献：[1]王忠亮,封小超.电磁学讨论[M].四川:四川教育出版社,1985.378-405.[2]谢应璞.电机学上册[M].四川:四川大学出版社,2003(8).1-36.[3]唐介.电工学(少学时)（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2005.95-105．[4]谢应璞.电机学下册[M].四川:四川大学出版社,2003(8).44-53,78-80．[5]国际单位制物理量单位.汉典,http ：///appendix/f30.htm.2009．[6]搬运钢板的起重吸盘概述.百度网,/view/3cdd1e2b3169a4517723a387.html ．[7]演示实验在新课标教学中的作用.考试网,/．[8]Handling of steel lifting chuck over view. The nets of Baidu ,/view/3cdd1e2b3169a4517723a387.html.。