- Современный индукционный генератор переменного тока
- Передача электроэнергии на большие расстояния
- Трансформаторы
- 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
- 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.

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 , принятой в качестве стандартной во многих странах, в том числе в России, ротор должен делать 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 до . Сила тока в обмотках индуктора генератора мощностью близка к . Масса подобного генератора вместе с приводящей его в действие турбиной может превышать .
Передача электроэнергии на большие расстояния
Напряжение, вырабатываемое генераторами электростанций, по техническим причинам обычно не превышает . 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.

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.

Если к выводам первичной обмотки подключить источник переменного напряжения с амплитудой , 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 .
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:
. (1)
В этом случае в первичной обмотке возникает ЭДС индукции:
. (2)
В свою очередь, ЭДС индукции, возникающая во вторичной обмотке, равна:
. (3)
Если активное сопротивление обмоток пренебрежимо мало, то в любой момент времени:
, (4)
. (5)
Из формул (2) – (5) следует, что отношение амплитуд напряжений между выводами вторичной и первичной обмоток трансформатора в идеальном случае равно:
. (6)
Если , 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 источника. Трансформатор рассчитывают таким образом, чтобы различие между и 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:
. (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 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 в напряжение с действующим значением .
3. Определите амплитуду силы тока в первичной обмотке трансформатора из предыдущей задачи, если средняя мощность, потребляемая нагрузкой, подключенной к вторичной обмотке, равна . 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 ?
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?
Упражнение 1
1. .
2. .
3. .