實(shí)驗(yàn)室手搖三相發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)及故障分析*①

孫慧娟 楊曉梅

(寧夏大學(xué)寧夏 銀川750021)

①*2013年寧夏教育廳本科教學(xué)工程項(xiàng)目；2013寧夏大學(xué)一省一校教師教育提升項(xiàng)目.

指導(dǎo)教師：楊曉梅(1963-)，女，碩士，教授，主要從事物理教育教學(xué)及科研工作.

摘 要：結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有手搖三相交流發(fā)電機(jī)(JY 23-88)儀器，簡析了三相電路的電源連接方式與負(fù)載的連接方式以及線電壓、相電壓與線電流、相電流之間的關(guān)系，并對手搖三相交流發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)了理論分析與解釋.

關(guān)鍵詞：手搖三相發(fā)電機(jī)三相電路連接方式故障分析

作者簡介：孫慧娟(1990-),女，在讀碩士研究生,主要從事物理課程與教學(xué)論的研究.

收稿日期：(2015-04-13)

1引言

在學(xué)習(xí)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)手搖三相發(fā)電機(jī)是師范生很少接觸到的演示實(shí)驗(yàn)儀器，有很多教師和學(xué)生都存在原理不清晰、不會連接線路等問題.手搖三相發(fā)電機(jī)原理涉及電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為了使學(xué)生了解交流電的產(chǎn)生過程且增加學(xué)生對物理的興趣，筆者介紹了手搖三相發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制，以及在做實(shí)驗(yàn)的過程中遇到的線路連接等問題，供教師和學(xué)生借鑒.

2電磁感應(yīng)現(xiàn)象

所謂電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一種“磁生電”的現(xiàn)象，即利用磁場產(chǎn)生電場的現(xiàn)象.閉合回路在磁場中會產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流即為感應(yīng)電流.法拉第發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流的根本原因體現(xiàn)在“變化”和“運(yùn)動”上，即變化的磁場和切割磁感線運(yùn)動的導(dǎo)體棒.它們的共同點(diǎn)是使回路中的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.法拉第電磁感應(yīng)定律指出，感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中e表示感應(yīng)電動勢,單位為V, Φ表示磁通量,單位為Wb，N表示線圈匝數(shù).當(dāng)磁場B變化，導(dǎo)體不動時,產(chǎn)生的電動勢叫感生電動勢.當(dāng)磁場B一定,導(dǎo)體運(yùn)動時, 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫動生電動勢，在該過程中，從能量轉(zhuǎn)換角度看是非靜電力F(使導(dǎo)體運(yùn)動的外力)做功產(chǎn)生電能，即機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能.在手搖三相發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)中，搖動手柄時的機(jī)械能使得導(dǎo)體做切割磁感線的運(yùn)動產(chǎn)生電能，完成能量的轉(zhuǎn)化.

3手搖三相發(fā)電機(jī)演示儀器及實(shí)驗(yàn)原理

3.1實(shí)驗(yàn)儀器介紹

手搖三相發(fā)電機(jī)的主要部件如圖1所示，下面分析其原理.

圖1　儀器主要部件

定子：它由機(jī)座、定子沖片和定子線圈組成.發(fā)電機(jī)機(jī)座支撐磁極轉(zhuǎn)子進(jìn)行工作，上面安裝有電刷，將勵磁電能引入磁極繞組產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場.定子沖片由硅鋼片疊成,為定子線圈產(chǎn)生磁能提供通路，其內(nèi)壁有槽,槽中鑲嵌有3個軸線相差120°，外包黃、綠、紅三色彩綢的線圈,即定子線圈.

轉(zhuǎn)子：其主要部分為勵磁繞組.磁極轉(zhuǎn)子由電刷接入穩(wěn)恒直流電源后通過機(jī)械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動為三相電源的產(chǎn)生提供磁場能.

負(fù)載板：有Y/△接線板、Y接法負(fù)載板和三相不平衡中性線帶電負(fù)載板3種負(fù)載板.用負(fù)載板可以減少線路連接，使實(shí)驗(yàn)操作簡單化.

機(jī)座：木制絕緣.

接線柱：三相電流輸出端.

3.2三相電流產(chǎn)生機(jī)制分析

直流電源(電壓范圍4.5～6V)供電，電流經(jīng)電刷進(jìn)入閉合的勵磁繞組，如圖2所示.

圖2　三相電流產(chǎn)生機(jī)制分析

由電磁感應(yīng)現(xiàn)象知,物體帶電時,周圍電場使其具有電能.當(dāng)閉合回路，建立磁場使其具有磁能，稱之為自感磁能.通電時電流從零增加到I,自感電動勢阻礙其增加,因此在電流增加過程中克服自感電動勢做功轉(zhuǎn)化為載流線圈(勵磁繞組)的磁能，其形成的磁極使得空氣隙中磁場均沿半徑方向且按正弦規(guī)律分布,即B=Bmsinα，其中α表示線圈始邊L1與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面和中性面的夾角.若線圈邊長為l，線速度為v，則有

e1=2Blv=2Bmlvsinα

設(shè)線圈的角速度為ω，令Em=2Bmlv,可得

e1=Emsinωt

由于3個軸線對稱且相差120°，則定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢對稱，故有

e1=Emsinωt

e2=Emsin(ωt-120°)

e3=Emsin(ωt-240°)=

Emsin(ωt+120°)

(1)

其中Em為電動勢的最大值[2].

4三相電路連接方式

4.1三相電源連接方式

三相電源有星形接法(Y形接法)和三角形接法(△接法)兩種連接方式.

4.1.1電源的星形連接(Y形接法)

將繞組的3個末端連接起來,構(gòu)成中性點(diǎn)N，3個首端引出相線,俗稱火線.這種接法為星形接法，又稱Y形接法.從中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為中性線，即中線.引出中線的三相供電系統(tǒng)稱為三相四線制，不引出中線的稱三相三線制.

(2)

圖3　三相四線制星形連接圖

圖4　電壓相量圖

且

4.1.2電源的三角形連接(△形接法)

將電源中每相繞組的首端與另一相繞組的末端順次連接,形成閉合回路，從連接的各點(diǎn)引出連接負(fù)載的導(dǎo)線, 如圖5所示，這種連接方式為三角形接法或△接法.

圖5　三角形連接圖

三角形連接時,對應(yīng)的線電壓就是相電壓,有

(3)

以上三式統(tǒng)一寫成

三角形連接方式，在接入負(fù)載前就已構(gòu)成閉合回路，且其阻抗很小，所以只有當(dāng)閉合回路內(nèi)的電動勢之和為零時才可使用這種接法.

4.2三相負(fù)載的連接方式

對應(yīng)電源的接法，三相負(fù)載的連接方式也有兩種，即星形(Y)接法和三角形(△)接法.

4.2.1負(fù)載的星形接法(Y形)

三相電路中，各相負(fù)載首末端之間的電壓成為負(fù)載的相電壓，兩相負(fù)載之間的電壓稱為線電壓.各相負(fù)載中通過的電流稱為相電流，負(fù)載從供電線上取用的電流稱為負(fù)載的線電流.

將3個負(fù)載的一端分別接到電源的3根相線上，另一端全部接到電源的中性線上, 如圖6所示，構(gòu)成負(fù)載的星形接法.由圖6可知，線電流等于相電流，即 Il=Ip.

圖6　三相四線制星形連接圖

由于三相電源提供的線電壓和相電壓一般是對稱的,如果負(fù)載是對稱的,即負(fù)載的阻抗相等，那么負(fù)載和電源的相電流及線電流必然是對稱的,這樣的三相電路稱為對稱三相電路.在對稱三相電路中,星形連接的三相負(fù)載和星形連接的三相電源,如圖7所示.

圖7　星形電源與星形負(fù)載連接方式

它們的線電壓與相電壓,線電流與相電流的有效值之間和相位之間的關(guān)系是相同的,即可推出在對稱三相電路中,中性線的電流為零.當(dāng)三相負(fù)載不對稱,則中性線的電流不為零.在演示的過程中，中性線的燈泡會發(fā)光.

4.2.2負(fù)載的三角形接法(△形)

將負(fù)載的一端與另一負(fù)載的一端順次連接,形成閉合回路，從連接的各點(diǎn)引出連接電源相線的3根導(dǎo)線, 如圖8所示，這種接法為三角形接法.負(fù)載的線電壓和相電壓是對稱的.三相對稱電路中，負(fù)載和電源的三角形接法所對應(yīng)的線電壓與相電壓、線電流與相電流的有效值之間和相位之間的關(guān)系是相同的[3].

圖8　三角形聯(lián)結(jié)圖

在演示實(shí)驗(yàn)線路連接過程中，電源和負(fù)載的連接方式可以參照圖9和圖10.

圖9　定子繞組的星形( Y)

圖10　定子繞組的三角形(△)

5實(shí)驗(yàn)中遇到的問題分析

筆者在實(shí)驗(yàn)室做手搖三相發(fā)電機(jī)的演示實(shí)驗(yàn)時，遇到了一些問題，在查閱相關(guān)資料以及向相關(guān)技術(shù)人員請教后，分析總結(jié)出以下兩點(diǎn)，供各位同仁參考.

5.1接通電源瞬間燈泡發(fā)光故障原因分析

電源接直流電源后，在勵磁繞組中激發(fā)磁場，搖動手柄時轉(zhuǎn)子切割磁感線產(chǎn)生電流，從而使得小燈泡發(fā)光.而在本次實(shí)驗(yàn)的過程中，接通電源的瞬間還未搖動手柄小燈泡便發(fā)光，分析其原因?yàn)椋弘娫凑`接了交流電.在誤接交流電后,轉(zhuǎn)子線圈和定子發(fā)生持續(xù)互感現(xiàn)象,即組成變壓器向用電器提供電源,使得小燈泡發(fā)光.

在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)仔細(xì)檢查電路連接的情況，避免

發(fā)生這種錯誤,使瞬間電壓過大將小燈泡或線圈燒損.

5.2接通直流電源后搖動手柄不動故障原因分析

為了增強(qiáng)在工作狀態(tài)下的磁場能量強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)儀器的轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼結(jié)構(gòu).在正常狀態(tài)下,直流電源通電后，勵磁繞組產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，使得轉(zhuǎn)子的磁能對定子產(chǎn)生遠(yuǎn)超自重的電磁吸力，但由于機(jī)械構(gòu)架的存在,定子、轉(zhuǎn)子之間存在很小且均勻的空氣間隙，使得轉(zhuǎn)子可以自由地在軸套中轉(zhuǎn)動.在本次實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組接通直流電源后,再也搖不動手柄.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是轉(zhuǎn)子被定子吸住了.該實(shí)驗(yàn)儀器的轉(zhuǎn)子與定子之間的空氣間隙一側(cè)偏大，一側(cè)偏小，不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通電產(chǎn)生磁場時,空氣間隙小的一側(cè)在磁場力的作用下被定子吸住了，故出現(xiàn)搖不動手柄的現(xiàn)象.

如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可以把儀器轉(zhuǎn)子一側(cè)的軸承支架與底座的螺絲松開,調(diào)整轉(zhuǎn)子與定子之間的空氣間，使其四周的氣隙基本相同，可用厚度約為0.3mm的硬紙片對空氣間隙進(jìn)行校驗(yàn).當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子間的空氣間隙調(diào)整均勻后再把螺絲固定好，然后進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)[4].

參 考 文 獻(xiàn)

1趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)(第3版).北京：高等教育出版社,2011.322

2謝應(yīng)璞.電機(jī)學(xué)(上冊).成都:四川大學(xué)出版社,2003.1～36

3謝應(yīng)璞.電機(jī)學(xué)(下冊).成都:四川大學(xué)出版社,2003.4～53,78～80

4許寶康.手搖三相交流發(fā)電機(jī)故障排除一例.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),1990,6(2)