實驗室手搖三相發電機演示實驗及故障分析*①

實驗室手搖三相發電機演示實驗及故障分析*①

孫慧娟 楊曉梅

(寧夏大學寧夏 銀川750021)

①*2013年寧夏教育廳本科教學工程項目；2013寧夏大學一省一校教師教育提升項目.

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

摘 要：結合實驗室現有手搖三相交流發電機(JY 23-88)儀器，簡析了三相電路的電源連接方式與負載的連接方式以及線電壓、相電壓與線電流、相電流之間的關系，并對手搖三相交流發電機演示實驗中遇到的問題進了理論分析與解釋.

關鍵詞：手搖三相發電機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論的研究.

收稿日期：(2015-04-13)

1引言

在學習中學物理實驗的過程中，筆者發現手搖三相發電機是師范生很少接觸到的演示實驗儀器，有很多教師和學生都存在原理不清晰、不會連接線路等問題.手搖三相發電機原理涉及電磁感應現象，為了使學生了解交流電的產生過程且增加學生對物理的興趣，筆者介紹了手搖三相發電機的工作機制，以及在做實驗的過程中遇到的線路連接等問題，供教師和學生借鑒.

2電磁感應現象

所謂電磁感應現象是一種“磁生電”的現象，即利用磁場產生電場的現象.閉合回路在磁場中會產生電流，產生的電流即為感應電流.法拉第發現產生感應電流的根本原因體現在“變化”和“運動”上，即變化的磁場和切割磁感線運動的導體棒.它們的共同點是使回路中的磁通量發生變化，產生感應電動勢.法拉第電磁感應定律指出，感應電動勢與磁通量的變化率成正比，其數學表達式為

其中e表示感應電動勢,單位為V, Φ表示磁通量,單位為Wb，N表示線圈匝數.當磁場B變化，導體不動時,產生的電動勢叫感生電動勢.當磁場B一定,導體運動時, 產生的感應電動勢叫動生電動勢，在該過程中，從能量轉換角度看是非靜電力F(使導體運動的外力)做功產生電能，即機械能轉換為電能.在手搖三相發電機演示實驗中，搖動手柄時的機械能使得導體做切割磁感線的運動產生電能，完成能量的轉化.

3手搖三相發電機演示儀器及實驗原理

3.1實驗儀器介紹

手搖三相發電機的主要部件如圖1所示，下面分析其原理.

圖1　儀器主要部件

定子：它由機座、定子沖片和定子線圈組成.發電機機座支撐磁極轉子進行工作，上面安裝有電刷，將勵磁電能引入磁極繞組產生穩恒磁場.定子沖片由硅鋼片疊成,為定子線圈產生磁能提供通路，其內壁有槽,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.

轉子：其主要部分為勵磁繞組.磁極轉子由電刷接入穩恒直流電源后通過機械轉軸轉動為三相電源的產生提供磁場能.

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

機座：木制絕緣.

接線柱：三相電流輸出端.

3.2三相電流產生機制分析

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

圖2　三相電流產生機制分析

由電磁感應現象知,物體帶電時,周圍電場使其具有電能.當閉合回路，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律分布,即B=Bmsinα，其中α表示線圈始邊L1與轉軸構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°，則定子線圈中產生感應電動勢對稱，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,構成中性點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.從中性點引出的導線稱為中性線，即中線.引出中線的三相供電系統稱為三相四線制，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，從連接的各點引出連接負載的導線, 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,對應的線電壓就是相電壓,有

(3)

以上三式統一寫成

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

4.2三相負載的連接方式

對應電源的接法，三相負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負載的星形接法(Y形)

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

將3個負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，構成負載的星形接法.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,如果負載是對稱的,即負載的阻抗相等，那么負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.當三相負載不對稱,則中性線的電流不為零.在演示的過程中，中性線的燈泡會發光.

4.2.2負載的三角形接法(△形)

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

圖8　三角形聯結圖

在演示實驗線路連接過程中，電源和負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實驗中遇到的問題分析

筆者在實驗室做手搖三相發電機的演示實驗時，遇到了一些問題，在查閱相關資料以及向相關技術人員請教后，分析總結出以下兩點，供各位同仁參考.

5.1接通電源瞬間燈泡發光故障原因分析

電源接直流電源后，在勵磁繞組中激發磁場，搖動手柄時轉子切割磁感線產生電流，從而使得小燈泡發光.而在本次實驗的過程中，接通電源的瞬間還未搖動手柄小燈泡便發光，分析其原因為：電源誤接了交流電.在誤接交流電后,轉子線圈和定子發生持續互感現象,即組成變壓器向用電器提供電源,使得小燈泡發光.

在實驗過程中，應仔細檢查電路連接的情況，避免

發生這種錯誤,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

為了增強在工作狀態下的磁場能量強度，實驗儀器的轉子鐵心采用硅鋼結構.在正常狀態下,直流電源通電后，勵磁繞組產生很強的磁場，使得轉子的磁能對定子產生遠超自重的電磁吸力，但由于機械構架的存在,定子、轉子之間存在很小且均勻的空氣間隙，使得轉子可以自由地在軸套中轉動.在本次實驗過程中，當轉子繞組接通直流電源后,再也搖不動手柄.出現這種現象的原因是轉子被定子吸住了.該實驗儀器的轉子與定子之間的空氣間隙一側偏大，一側偏小，不均勻，當轉子繞組通電產生磁場時,空氣間隙小的一側在磁場力的作用下被定子吸住了，故出現搖不動手柄的現象.

如果出現這種現象，可以把儀器轉子一側的軸承支架與底座的螺絲松開,調整轉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行校驗.當轉子與定子間的空氣間隙調整均勻后再把螺絲固定好，然后進行下一步實驗[4].

參 考 文 獻

1趙凱華,陳熙謀.電磁學(第3版).北京：高等教育出版社,2011.322

2謝應璞.電機學(上冊).成都:四川大學出版社,2003.1～36

3謝應璞.電機學(下冊).成都:四川大學出版社,2003.4～53,78～80

4許寶康.手搖三相交流發電機故障排除一例.教學儀器與實驗,1990,6(2)