AC generator: how electricity is generatedเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ: ไฟฟ้าถูกผลิตขึ้นอย่างไร

Turn a coil in a magnetic field and watch Faraday’s law draw a sine wave. Change the poles, the speed and the coil, and see what sets the voltage and what sets the frequency.หมุนขดลวดในสนามแม่เหล็ก แล้วดูกฎของฟาราเดย์วาดคลื่นไซน์ ลองเปลี่ยนจำนวนขั้ว ความเร็ว และขดลวด เพื่อดูว่าอะไรกำหนดแรงดันและอะไรกำหนดความถี่

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Why a turning coil makes a sine wave

A coil of N turns and area A sits in a magnetic field of flux density B. As it turns through angle θ, the flux linking it is N·B·A·cos θ: largest when the coil faces the poles, zero when it lies along the field.

Faraday’s law says the induced EMF is the rate of change of that flux linkage. Differentiate cos θ at a steady angular speed ω and you get a sine:

λ = N·B·A·cos(ωt)
e = −dλ/dt = N·B·A·ω·sin(ωt)
Emax = N·B·A·ω,   Erms = Emax / √2

When the EMF is zero, and when it peaks

The EMF depends on how fast the flux changes, not on how much flux there is. Facing the poles (θ = 0°) the coil holds the most flux, but for that instant it isn’t changing, so e = 0. A quarter turn later the coil holds no flux at all, yet the flux is changing fastest, so e is at its peak.

In the simulator the coil sides are marked ⊙ (current out of the page) and ⊗ (into the page). Watch them fade out and swap each half turn: that swap is the alternation in alternating current.

Frequency: poles and speed

A machine with P poles passes P/2 north–south pairs for every mechanical turn, so each turn of the shaft gives P/2 electrical cycles. With the speed n in revolutions per minute:

That is why grid generators run at fixed speeds: a 2-pole steam turbine at 3000 rpm and a 4-pole machine at 1500 rpm both give 50 Hz, and a slow hydro turbine needs many poles to reach the same frequency.

ωe = (P/2)·ωm
f = P·n / 120

From EMF to terminal voltage and power

Slip rings and brushes carry the coil’s current out to the load. The coil itself has resistance Ra, so some voltage is lost inside the machine: the terminal voltage is a little below the EMF, and the gap widens as the load draws more current.

I = E / (R + Ra)
V = I·R
P = V·I,   torque = P_gen / ωm

Worked example (the simulator’s default values)

  1. N = 100 turns, B = 0.50 T, A = 0.010 m², 2 poles at 3000 rpm, load R = 100 Ω, Ra = 1 Ω.
  2. ωm = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; with 2 poles ωe = ωm, so f = 2·3000/120 = 50 Hz and T = 20 ms.
  3. N·B·A = 100·0.50·0.010 = 0.50 Wb-turns, so Emax = 0.50·314.2 = 157.1 V and Erms = 111.1 V.
  4. I = 111.1 / (100 + 1) = 1.10 A rms; terminal V = 1.10·100 = 110.0 V; load power = 110.0·1.10 = 120.9 W.

Common mistakes

  • Thinking the EMF is largest when the flux is largest. It is largest when the flux is changing fastest, a quarter turn later.
  • Thinking more turns or a stronger magnet raises the frequency. They raise the voltage; only speed and poles set the frequency.
  • Using the 2-pole formula for every machine: with P poles the electrical angle runs P/2 times faster than the shaft.

Common questions

What is the formula for the EMF of an AC generator?

e = N·B·A·ω·sin(ωt), so the peak EMF is Emax = N·B·A·ω and the RMS EMF is Emax/√2, with ω the electrical angular speed in rad/s.

How do you calculate generator frequency from speed?

f = P·n/120, with P the number of poles and n the speed in rpm. A 2-pole machine at 3000 rpm gives 50 Hz; at 3600 rpm it gives 60 Hz.

What do slip rings do in an AC generator?

They connect the rotating coil to the stationary circuit: each end of the coil goes to its own ring, and carbon brushes pressing on the rings carry the alternating current out to the load.

ทำไมขดลวดที่หมุนจึงให้คลื่นไซน์

ขดลวด N รอบ พื้นที่ A วางอยู่ในสนามแม่เหล็กความหนาแน่นฟลักซ์ B เมื่อหมุนไปเป็นมุม θ ฟลักซ์คล้องขดลวดคือ N·B·A·cos θ มากที่สุดเมื่อขดลวดหันหน้าเข้าหาขั้ว และเป็นศูนย์เมื่อวางขนานกับสนาม

กฎของฟาราเดย์บอกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์คล้อง เมื่อหาอนุพันธ์ของ cos θ ที่ความเร็วเชิงมุม ω คงที่ จะได้ไซน์:

λ = N·B·A·cos(ωt)
e = −dλ/dt = N·B·A·ω·sin(ωt)
Emax = N·B·A·ω,   Erms = Emax / √2

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นศูนย์และสูงสุดเมื่อใด

แรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้นกับว่าฟลักซ์เปลี่ยนเร็วแค่ไหน ไม่ใช่ว่ามีฟลักซ์มากเท่าใด เมื่อหันหน้าเข้าหาขั้ว (θ = 0°) ขดลวดมีฟลักซ์มากที่สุด แต่ขณะนั้นฟลักซ์ไม่เปลี่ยน e จึงเป็น 0 เมื่อหมุนไปอีกหนึ่งในสี่รอบ ขดลวดไม่มีฟลักซ์ผ่านเลย แต่ฟลักซ์เปลี่ยนเร็วที่สุด e จึงสูงสุด

ในโปรแกรมจำลอง ด้านของขดลวดมีเครื่องหมาย ⊙ (กระแสออกจากหน้ากระดาษ) และ ⊗ (กระแสเข้าหน้ากระดาษ) ดูเครื่องหมายจางลงและสลับกันทุกครึ่งรอบ การสลับนั้นคือ "สลับ" ในคำว่ากระแสสลับ

ความถี่: จำนวนขั้วและความเร็ว

เครื่องที่มี P ขั้ว จะผ่านคู่ขั้วเหนือ–ใต้ P/2 คู่ในหนึ่งรอบของเพลา เพลาหมุนหนึ่งรอบจึงได้ P/2 รอบทางไฟฟ้า เมื่อความเร็ว n มีหน่วยรอบต่อนาที:

นี่คือเหตุผลที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในระบบไฟฟ้าหมุนที่ความเร็วคงที่: กังหันไอน้ำ 2 ขั้วที่ 3000 rpm และเครื่อง 4 ขั้วที่ 1500 rpm ให้ 50 Hz เท่ากัน ส่วนกังหันน้ำที่หมุนช้าต้องมีหลายขั้วจึงจะได้ความถี่เดียวกัน

ωe = (P/2)·ωm
f = P·n / 120

จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าสู่แรงดันที่ขั้วและกำลัง

สลิปริงและแปรงถ่านนำกระแสจากขดลวดออกไปยังโหลด ขดลวดเองมีความต้านทาน Ra จึงมีแรงดันตกภายในเครื่อง แรงดันที่ขั้วจึงต่ำกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเล็กน้อย และต่างกันมากขึ้นเมื่อโหลดดึงกระแสมากขึ้น

I = E / (R + Ra)
V = I·R
P = V·I,   แรงบิด = P_gen / ωm

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. N = 100 รอบ, B = 0.50 T, A = 0.010 m², 2 ขั้วที่ 3000 rpm, โหลด R = 100 Ω, Ra = 1 Ω
  2. ωm = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s เมื่อมี 2 ขั้ว ωe = ωm ดังนั้น f = 2·3000/120 = 50 Hz และ T = 20 ms
  3. N·B·A = 100·0.50·0.010 = 0.50 Wb-รอบ ดังนั้น Emax = 0.50·314.2 = 157.1 V และ Erms = 111.1 V
  4. I = 111.1 / (100 + 1) = 1.10 A rms แรงดันที่ขั้ว = 1.10·100 = 110.0 V กำลังที่โหลด = 110.0·1.10 = 120.9 W

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • คิดว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดเมื่อฟลักซ์มากที่สุด ที่จริงสูงสุดเมื่อฟลักซ์เปลี่ยนเร็วที่สุด ซึ่งคือหนึ่งในสี่รอบถัดไป
  • คิดว่าจำนวนรอบที่มากขึ้นหรือแม่เหล็กที่แรงขึ้นทำให้ความถี่สูงขึ้น สิ่งเหล่านี้เพิ่มแรงดัน มีเพียงความเร็วและจำนวนขั้วที่กำหนดความถี่
  • ใช้สูตรของเครื่อง 2 ขั้วกับทุกเครื่อง: เครื่อง P ขั้ว มุมทางไฟฟ้าเปลี่ยนเร็วกว่าเพลา P/2 เท่า

คำถามที่พบบ่อย

สูตรแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับคืออะไร?

e = N·B·A·ω·sin(ωt) แรงเคลื่อนไฟฟ้าค่ายอดคือ Emax = N·B·A·ω และค่า rms คือ Emax/√2 โดย ω คือความเร็วเชิงมุมทางไฟฟ้าในหน่วย rad/s

คำนวณความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากความเร็วอย่างไร?

f = P·n/120 โดย P คือจำนวนขั้ว และ n คือความเร็วในหน่วยรอบต่อนาที เครื่อง 2 ขั้วที่ 3000 rpm ให้ 50 Hz และที่ 3600 rpm ให้ 60 Hz

สลิปริงในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำหน้าที่อะไร?

เชื่อมขดลวดที่หมุนอยู่เข้ากับวงจรที่อยู่กับที่: ปลายแต่ละข้างของขดลวดต่อกับวงแหวนของตัวเอง และแปรงถ่านที่กดบนวงแหวนนำกระแสสลับออกไปยังโหลด