Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор

Электромагнитные колебания и волны

Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор

План урока

  • Современный индукционный генератор переменного тока
  • Передача электроэнергии на большие расстояния
  • Трансформаторы

Цели урока

  • Уметь объяснять устройство и принцип работы современного индукционного генератора переменного тока
  • Знать, как передается электроэнергия на большие расстояния
  • Знать устройство, принцип работы и назначение трансформаторов

Разминка

  • Какой ток используют на производстве и в быту?
  • Как можно получить переменный ток?
  • Как передается электроэнергия от производителя к потребителю?

Современный индукционный генератор переменного тока

 

Современный индукционный генератор переменного тока, используемый на тепловых электростанциях показан на рис. 1. В этом генераторе источником магнитного поля является электромагнит (индуктор), который вращается на валу. На этом же валу закреплены кольца, к которым через щетки от возбудителя подводят постоянный ток для питания обмоток индуктора. При вращении индуктора в обмотках, расположенных на статоре, возникает ЭДС индукции. Выходное напряжение снимают с клем обмоток статора.

 

Скорость вращения ротора и число пар магнитных полюсов его электромагнита определяют частоту вырабатываемого электрического тока. 

Рис. 1. Устройство генератора переменного тока: 1 – контактные кольца; 2 – щетки; <br>3 – индуктор; 4 – полюсной наконечник; 5 – обмотка статора; 6 – вентилятор; <br>7 – вал, на котором вращается электромагнит Рис. 1. Устройство генератора переменного тока: 1 – контактные кольца; 2 – щетки; 
3 – индуктор; 4 – полюсной наконечник; 5 – обмотка статора; 6 – вентилятор; 
7 – вал, на котором вращается электромагнит

Если электромагнит ротора имеет одну пару полюсов, то для получения переменного напряжения с частотой 50 Гц, принятой в качестве стандартной во многих странах, в том числе в России, ротор должен делать 50 оборотов в секунду. На гидроэлектростанциях используют роторы, вращающиеся с существенно меньшей частотой. Поэтому индукторы таких генераторов являются многополюсными.

 

Современные электрические генераторы являются сложными техническими устройствами. На крупных электростанциях России используют генераторы, имеющие мощности от 300 до 1200 МВт. Сила тока в обмотках индуктора генератора мощностью 1200 МВт близка к 8 кА. Масса подобного генератора вместе с приводящей его в действие турбиной может превышать 600 т

 

Передача электроэнергии на большие расстояния

 

Напряжение, вырабатываемое генераторами электростанций, по техническим причинам обычно не превышает 25 кВ. Передача электроэнергии при таком напряжении на большие расстояния (Рис. 2) приводит к существенным потерям энергии, связанным с выделением теплоты в проводах линий электропередач (ЛЭП). Чтобы уменьшить эти потери, необходимо, согласно закону Джоуля – Ленца, уменьшить силу тока в ЛЭП. При этом, чтобы сохранить передаваемую мощность, необходимо увеличить напряжение. Поэтому перед передачей электроэнергии на большие расстояния напряжения уменьшают, так как использование высокого напряжения связано с большими техническими сложностями и не позволяет обеспечить достаточную электробезопасность. Осуществить такого рода преобразования постоянного напряжения очень трудно, между тем как переменное напряжение можно преобразовывать (повышать или понижать) почти без потерь энергии. Это и является основной причиной того, что в технике в подавляющем большинстве случаев используют переменное, а не постоянное напряжение.

Рис. 2. Схема передачи электроэнергии на большие расстояния Рис. 2. Схема передачи электроэнергии на большие расстояния

Трансформаторы

 

Для уменьшения или увеличения амплитуды переменного напряжения используют специальные устройства – трансформаторы. Первые трансформаторы были созданы российским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым (1847–1894) в 1877 г. и сотрудником московского университета Иваном Ивановичем Усагиным (1855–1919) в 1882 г.

 

Устройство простейшего трансформатора показано на рис. 3. трансформатор состоит из сердечника, представляющего собой набор плотно прижатых и изолированных друг от друга пластин из магнито-мягкого железа. На этот сердечник намотаны две обмотки из изолированных проводов. Обмотку, которую подключают к источнику переменного напряжения, называют первичной, а обмотку, к которой подключают нагрузку, – вторичной.

Рис. 3. Устройство и электрическая схема простейшего трансформатора Рис. 3. Устройство и электрическая схема простейшего трансформатора

Если к выводам первичной обмотки подключить источник переменного напряжения с амплитудой Um1, то в ней возникнет переменный ток. Этот ток создаст в сердечнике переменное магнитное поле. Линии этого поля пересекают площади витков вторичной обмотки. Изменение магнитного потока через витки вторичной обмотки приводит к тому, что между ее выводами возникает переменное напряжение с амплитудой Um2.

 

Рассмотрим идеальный случай, когда можно пренебречь омическим сопротивлением обмоток, рассеянием магнитного потока и потерями энергии в сердечнике. Пусть созданный магнитный поток через поперечное сечение сердечника изменяется по закону:

 

Φ=Φm·cos(ω·t).                                (1)

 

В этом случае в первичной обмотке возникает ЭДС индукции:

 

ε1=-n1·Φ=n1·ω·Φm·sin(ω·t).                    (2)

 

В свою очередь, ЭДС индукции, возникающая во вторичной обмотке, равна:

 

ε2=-n2·Φ=n2·ω·Φm·sin(ω·t).                   (3)

 

Если активное сопротивление обмоток пренебрежимо мало, то в любой момент времени:

 

U1=-ε1,              (4)

 

U2=-ε2.              (5)

 

Из формул (2) – (5) следует, что отношение амплитуд напряжений между выводами вторичной и первичной обмоток трансформатора в идеальном случае равно:

 

Um2Um1=εm2εm1=n2n1.                      (6)

 

Если n2n1>1, то трансформатор называют повышающим, если это отношение меньше единицы – понижающим.

 

В режиме холостого хода, т. е. при разомкнутой вторичной обмотке, ток через нее не течет. При этом в первичной обмотке ЭДС индукции, согласно правилу Ленца, действует противоположно напряжению U1 источника. Трансформатор рассчитывают таким образом, чтобы различие между U1 и ε1 в режиме холостого хода было мало. В результате в таком режиме сила тока в первичной обмотке очень мала и составляет несколько процентов от силы тока в ней при полной нагрузке трансформатора. При подключении нагрузки ток во вторичной обмотке создает магнитное поле, которое уменьшает суммарный магнитный поток в сердечнике. В результате сила тока в первичной обмотке возрастает. Возрастает и средняя мощность, потребляемая трансформатором от источника. Большая часть этой мощности передается активной нагрузке.

 

В правильно сконструированном трансформаторе потери энергии, обусловленные нагреванием проводов обмоток и перемагничиванием сердечника, не превышают нескольких процентов от средней мощности, передаваемой нагрузке. Поэтому с высокой степенью точности можно считать, что:

 

Im1·Um1=Im2·Um2.            (7)

 

Трансформатор в режиме холостого хода представляет собой практически индуктивное сопротивление. Поэтому потребляемая им средняя мощность близка к нулю. Поскольку сила тока в нем отлична от нуля, в идущих к трансформаторной подстанции проводах ЛЭП и генераторах электростанций происходят потери мощности. Поэтому в то время суток. Когда потребление электроэнергии снижается, часть трансформаторов отключают.          


Упражнение 1

 

1. Индуктор генератора гидроэлектростанции имеет 50 пар полюсов. Определите, с какой частотой должна вращаться гидротурбина, жестко скрепленная с ротором генератора. Чтобы частота генерируемого тока равнялась стандартной. 

2. Определите отношение числа витков в обмотках идеального трансформатора, если он преобразует переменное напряжение с действующим значением 12 кВ в напряжение с действующим значением 220 В.

3. Определите амплитуду силы тока в первичной обмотке трансформатора из предыдущей задачи, если средняя мощность, потребляемая нагрузкой, подключенной к вторичной обмотке, равна 2,2 кВт. Потерями энергии пренебречь.


Контрольные вопросы

 

1. На каком явлении основана работа электрогенератора?

2. Перечислите основные элементы современного индукционного генератора переменного тока?

3. Почему частота вращения ротора генератора на тепловых электростанциях в России обычно равна 3000 об/мин?

4. Как устроен простейший трансформатор?

5. Зачем нужны трансформаторные подстанции при передаче электроэнергии на большие расстояния?

6. Какую обмотку трансформатора называют первичной, а какую вторичной?

7. Какой трансформатор называют повышающим, а какой понижающим?


Ответы

Упражнение 1

 

1. 1 об/с

2. 0,018

3. 26 А.


Предыдущий урок
Мощность в цепи переменного тока
Электромагнитные колебания и волны
Следующий урок
Преобразование энергии при механических колебаниях. Математический маятник
Механические колебания и волны
  • Объём конуса

    Геометрия

  • Вычисление объёмов тел с помощью определённого интеграла

    Геометрия

  • Центральная Азия и Закавказье

    География

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке