1、目 錄摘 要1關鍵詞1Abstract1Keywords11引言12電磁感應現象12.1電磁感應現象定義12.2電磁感應現象的實質23手搖三相交直流發電機演示實驗23.1原理簡析23.2演示儀簡介及部件原理詳述23.3三相電流產生機制理論分析24三相電路組成結構分析34.1三相電源的星形聯接34.2三相電源的三角形聯接44.3三相負載的星形聯接44.4三相負載的三角形聯結55實驗時遇到的問題解析55.1實驗時微噪產生及原因55.2實驗儀選用單極勵磁繞組的原因55.3實驗過程中接通電源的瞬間及電源誤接交流燈泡發光65.4實驗時電壓6V時為何轉子吸到定子上66提出演示實驗方案6參考文獻6電磁感應現

2、象在手搖三相發電機演示實驗中的應用物理學院物理學專業08.2班王吉國摘 要：本文分析了手搖三相發電機演示實驗的工作原理，解釋了電磁感應現象在本實驗中的應用，結合本實驗室現有儀器從中詳述三相電路組成部分，其中著重分析了三相電路的電源聯接方式和負載的聯接方式以及線電壓和相電壓與線電流和相電流之間的關系，從而揭示了演示實驗中的能量轉化方式進一步通過了實驗演示步驟及演示過程對實驗中遇到的問題進行理論分析與解釋,基于節能理念探尋最佳演示方案，并對實驗結果進行理論修正，從而得到研究的實際意義關鍵詞：電磁感應現象；三相電路；實驗疑問；分析；實驗方案 The Electromagnetic Induction

3、 Phenomenon in Hand Three-phase Generator Experimental Demonstration of ApplicationWang 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 pheno

4、menon 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

5、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 expe

6、rimental 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引言自一八二零年奧斯特發現電流的磁效應,從此人們開始進行相關的實驗探索,一八三一年法拉第發現電磁感應現象,以后人們應用電磁感應現象制作成了發電機和感應加速器等,其中最

7、具影響力的是發電機2電磁感應現象 2.1電磁感應現象定義電磁感應是利用磁場產生電流的現象,相應的電流叫感應電流能夠產生電流的方式有很多種,從本質上講,有兩類:一類是由于磁場與回路相對運動引起的,另一類是由于磁場的變化引起的它們的共同點是使回路中的磁通量發生變化電磁感應現象中首先產生的是感應電動勢,相比之下感應電動勢比感應電流更能反映電磁感應現象的實質,它不受回路是否閉合以及電阻大小的影響,且法拉第的電磁感應定律表示出了電動勢與磁通量的變化率的正比關系,再結合楞次定律可得到電磁感應現象的定律的統一表述：閉合回路中,感應電動勢與回路中磁通量的變化率的負值成正比,即=（表示感應電動勢,單位為伏特,單

8、位是秒,表示磁通量,單位為待定）12.2電磁感應現象的實質 導體運動和磁場變化都可以產生感應電動勢,即有電動勢產生時,存在靜電力推動電荷做功研究表明：磁場B一定,導體運動時,實質上是非靜電力洛倫茲力,相應的感應電動勢叫動生電動勢導體不動,磁場B變化時,實質上靜電力是感生電場力,相應的電動勢叫做感生電動勢3手搖三相交直流發電機演示實驗 3.1原理簡析本實驗即為動生電動勢產生三相電,由直流電源提供穩恒磁場,勵磁繞組由轉軸帶動旋轉切割磁場產生感生電動勢,產生電流從而達到發電的目的3.2演示儀簡介及部件原理詳述 定子：它由機座支架,定子沖片和定子線圈組成發電機機座支架即轉子支架,它起支撐磁極轉子的作用

9、其上還安裝有電刷,以便將勵磁電能引入磁極繞組定子沖片由硅鋼片疊成,以便為定子線圈產生磁能提供通路；其內壁有槽,槽中鑲嵌著三個線圈,即定子線圈,為了清楚地顯示三相發電機的基本工作原理,三個線圈外包著黃、綠、紅三色彩綢以資識別線圈采用直徑0.35mm的漆包線,每個線圈繞300匝組成形狀、尺寸和匝數都相同而軸線相差120的三個繞組,這樣在發電機工作時可以形成頻率一致、幅值相等、相位相差120的交流電 磁極轉子：它由轉子（磁極）轉軸、滾珠軸承、滑環和勵磁繞組組成勵磁繞組采用直徑0.53mm的漆包繞線400匝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底座：木制絕緣接線柱：

10、三相電流輸出端 Y/接線板、Y接法負載板和三相不平衡中性線帶電負載板：負載板減少實驗線路連接便于演示實驗的成功3.3三相電流產生機制理論分析圖1結構示意圖圖2繞組示意圖圖3三相電動勢示意圖直流電源供電,電壓范圍4.5V6V經電刷進入勵磁繞組,勵磁繞組為閉合回路,由電磁感應現象知,物體帶電,建立電場使其具有電能回路載流,建立磁場使其具有磁能稱之為自感磁能,通電時電流從0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即勵磁繞組的磁能即勵磁繞組形成磁極產生沿空氣隙按正弦規律分布的磁場,這時機械傳動裝置帶動勵磁繞組沿順時針方向以恒速轉動時,在軸線相差的定子線圈中產

11、生感應電動勢,即對稱三相電動勢,選擇為參考量,則對稱三相電動勢表示為：,其中為電動勢的最大值24三相電路組成結構分析4.1三相電源的星形聯接將三相繞組的三個末端L1,L2,L3連接在一起后,三個首段L1,L2,L3一起向外引出四根供電線,或從三個首段引出三個供電線,這種供電方式稱為三相電源的星形聯接或Y型聯接,就供電方式而言,前者稱為三相四線制,后者稱為三相三線制星形聯接時,三個繞組的末端的連接點N稱為中性點,三個首端引出的供電線稱為相線或端線,俗稱火線應用三相四線制供電方式向用戶供電時提供兩種電壓：每相繞組兩端的電壓,即相線與中性線之間的電壓,稱為相電壓；每兩組相繞組端點間的電壓,即相線與相

12、線間的電壓,稱為電源的線電壓如下圖3、圖4所示,由KVL,線電壓和相電壓之間關系為=-,=-,=-圖3三相四線制星形聯接圖 圖4電壓相量圖由于三相電動勢是對稱的,三相繞組的內阻抗一般都是很小所以三個相電壓也是對稱的,用表示,=,以為參考做電壓矢量圖,三個線電壓也是對稱的,用表示,則有=,由向量圖用幾何法得=例如,相電壓為220V時線電壓為380V三相電源工作時,每相繞組中的電流,稱為電源的相電流,由端點輸送出去的電流為,稱為電源的線電流相電流和線電流的大小均與負載有關星形聯結時,線電流是對應相電流的,即=,=,=如果線電流是對稱的,則相電流也一定是對稱的,他們的有效值可以分別用,表示,即=,=

13、可見,在電流對稱的情況下聯接的對稱三相電源中,線電流的有效值等于相電流的有效值,即=在相位上,線電流與對應的相電流相位相同4.2三相電源的三角形聯接將三相電源中每相繞組的首端依次與另一相繞組的末端連接在一起,形成閉合回路,然后從三個連接點引出三根供電線,這種連接方式為三相電源的三角形聯接或聯接顯然,這種供電方式只能是三相三線制圖5三角形聯結圖圖6電流相量圖三角形聯接時,對應的線電壓就是相電壓,=,=,=而且可以認為他們是對稱的因而,在三角形聯接的對稱三相電源中,線電壓的有效值等于相電壓的有效值,即=在相位上,線電壓與對應的相電壓相位相同在三角形聯接的矢量圖中,根據KCL,線電流與相電流的關系為

14、=-,=-,=-當它們對稱時,用幾何的方法由矢量圖可以求得線電流的有效值,等于相電流的倍,即=在相位上,線電流是滯后于與之相關的滯后相相電流30,滯后于超前相相電流150的例如,與相關的相電流為和,相電流是滯后于相電流的,而滯后于30滯后于1504.3三相負載的星形聯接相應的三相負載的聯接方式也為兩種即：星形聯結和三角形聯接需要注意的是無論采用哪種接法,每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負載的線電壓；每相負載中通過的電流稱為負載的相電流；負載從供電先上取用的電流稱為負載的線電流圖7三相四線制星形聯結圖三相負載應該采用那一種連接方式,應根據電源電壓和負載額定電壓的大

15、小來決定原則上,應使附加的實際相電壓等于其額定相電壓圖7為三相負載的三相四線制星形聯接時的電路三相負載的三個末端連接在一起,接到電源的中性線上,三相負載的三個首端分別接到電源的三根相線上由圖7、圖8知,在圖示參考方向下,線電壓和相電壓的關系,線電流和相電流的關系,與星型聯接的三相電源中的公式相同,即中性電流為,相電壓與相電流的關系為：圖圖8相量圖,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,即負載的阻抗相等這樣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這時的向量如上矢量圖所示,因此,在對稱三相電路中,星形聯接的三相負載和星形聯接的三相電源,他們的

16、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,中性線的電流為零三相負載不對稱,則中性線的電流不為零,實驗過程中演示三相不對稱負載時中性線的燈泡會發光34.4三相負載的三角形聯結圖9三角形聯結圖如下圖是三相負載的三角形聯結電路,每相負載的首端都依次與另一項負載的末端聯結在一起,形成閉合回路,然后,將三個連接點分別連到三相電源的三根相線上,顯然這種接法為三相三線制由于電源電壓的對稱性,因此,三相負載的線電壓和相電壓也是對稱的在如此的三相對稱電路中三角形聯結與三相負載和三相電源,他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4

17、5實驗時遇到的問題解析圖10相量圖5.1實驗時微噪產生及原因實驗時的噪聲主要有手搖輪式傳動機構的摩擦聲音和勵磁繞組在通電工作的過程中產生的聲音由于轉子為提高勵磁繞組磁性作用的硅鋼鐵心在線圈工作時產生損耗,因消耗電能而產生機械振動從而發聲聲音較小,但消耗能源,造成機械磨損,降低儀器使用壽命損耗計算公式55.2實驗儀選用單極勵磁繞組的原因一方面發電機勵磁繞組的極數與原動機轉速有關,即本實驗中的手搖動速度,生活中大型水電站轉速較慢,故采用多極繞組,而本實驗中經過機械傳動裝置轉速較快,且僅是演示簡單發電機原理,故采用單極繞組另一方面單極勵磁繞組結構簡單,在運行過程中既能夠滿足轉速與勵磁電流副角的要求,

18、又滿足演示實驗講解發電機勵磁繞組原理的清晰直觀另附勵磁繞組工作環境要求：a、室內環境不高于零上40,不低于零下20；b、環境空氣相對濕度不大于85%；c、周圍環境無損害絕緣的腐蝕性氣體或蒸汽；d、周圍環境無易爆氣體及導電塵埃；e、周圍環境無劇烈的沖擊與強烈的震動5.3實驗過程中接通電源的瞬間及電源誤接交流燈泡發光實驗電路連接完畢,在電源接通的瞬間（錯誤實驗：閉合了開關）由電磁感應現象知,在勵磁繞組中產生感應電動勢,而定子線圈和勵磁繞組間發生互感現象,定子中產生電勢變化從而使小燈泡發光在誤接交流電后,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,使小燈泡發光此時電壓關系應為/=/

19、其中為轉子電壓為定子電壓即向用電器提供電壓,為轉子線圈數目為定子線圈數目4在實驗過程中應盡量避免這種錯誤,避免瞬間電壓過大將小燈泡或線圈燒損5.4實驗時電壓6V時為何轉子吸到定子上本試驗儀的定子機械構架,轉子鐵心為了增強在工作狀態下的磁場能量強度均采用硅鋼結構,而實驗儀器由于長期使用,磨損極為嚴重,儀器在正常狀態下,直流電源通電后勵磁繞組的鐵心為硅鋼,增強了磁性,轉子的磁能對同是硅鋼構架的定子將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1.5-3mm5的氣隙,本實驗室的儀器磨損過于嚴重,導致所產生的電磁吸力大于轉子自重時,轉子就吸在定子上,致使實驗無法正常進行注：電磁吸力計算公式：電磁鐵的起重量與被吊物品的形狀、尺寸、堆放狀態