Электродинамика

Электродинамика

Глава 6. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии.

Генерирование электрической энергии. Трансформатор. Передача электроэнергии.

1.  Генерирование электроэнергии.

Вынужден­ные гармонические колебания силы тока, под действием переменной ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гар­моническому закону, в электрической цепи называются переменным током.

Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энер­гию. К генераторам относятся гальванические элементы, электро­статические машины, термобатареи, солнечные батареи и т. п.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханиче­ские индукционные генераторы переменного тока. В этих ге­нераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

Прин­ципа действия генератора переменного тока основан на вращении витка провода в однородном магнитном поле.

Пусть виток ограничивает поверхность площадью и вектор индукции однородного магнитного поля расположен под уг­лом к перпендикуляру к плоскости витка (рис. 1)

При вращении витка с периодом Т угол изменяется по закону , а магнитный поток , пронизывающий виток, изме­няется с течением времени по закону:

(61.1)

так как, то для магнитного потока получаем выражение

Изменения магнитного потока возбуждают в витке ЭДС индук­ции, равна

(61.2)

Изменения ЭДС индукции со временем происходят по закону

(61.3)

или

(61.4)

где

(61.5)

— амплитуда ЭДС.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется пе­ременная ЭДС. Для получения большого магнитного потока в генераторах при­меняют специальную магнитную систему, состоящую из двух сер­дечников. Обмотки, создаю­щие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, ёе обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой враща­ется вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он на­зывается ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой назы­вают статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение по­тока магнитной индукции.

В больших промышленных генераторах вращается именно элек­тромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются не­подвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 97). Не­подвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществ­ляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому ге­нерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вра­щающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным ге­нератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

Ø  Трансформатор

Электрический ток никогда не получил бы такого широкого при­менения, если бы его нельзя было преобразовывать почти без потерь энергии.

Преобразование переменного тока, при котором напряжение изменяется в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878г. русским ученым для питания изобретенных им электри­ческих свечей.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иног­да и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоеди­няют нагрузку, т. е. приборы и устрой­ства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной (рисунок 99).

Действие трансформатора ос­новано на явлении электромагнит­ной индукции. При прохождении переменного тока по первичной об­мотке в сердечнике появляется пе­ременный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что маг­нитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Трансформатор может работать в двух режимах: холостой (сила тока во вторичной обмотке = 0), нагруженный (сила тока во вторичной обмотке не равна 0)

Величина К равная отношению витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. называется коэффициентом трансформации. При К>1 трансформатор является понижающим, а при К<1 — повы­шающим.

Для непосредственного использования электроэнергии в двига­телях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Обычно понижение напряжение и соответственно увеличение силы тока происходят в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью,— все шире.