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

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 щётки 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 — щётки; 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 $1 200 \mathrm{МВт}$. Сила тока в обмотках индуктора генератора мощностью $1 200 \mathrm{МВт}$ близка к $8 \mathrm{кА}$. Масса подобного генератора вместе с приводящей его в действие турбиной может превышать $600 \mathrm{т}$. 

Передача электроэнергии на большие расстояния

Напряжение, вырабатываемое генераторами электростанций, по техническим причинам обычно не превышает $25 \mathrm{кВ}$. 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

Трансформаторы

Для уменьшения или увеличения амплитуды переменного напряжения используют специальные устройства — трансформаторы. Первые трансформаторы были созданы российским учёным 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

Если к выводам первичной обмотки подключить источник переменного напряжения с амплитудой $U_{m1}$, 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 её выводами возникает переменное напряжение с амплитудой $U_{m2}$.

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

$\Phi ={\Phi }_m·\cos (\omega ·t)$                                (1).

В этом случае в первичной обмотке возникает ЭДС индукции:

${\epsilon }_1=-n_1·\Phi =n_1·\omega ·{\Phi }_m·\sin (\omega ·t)$                    (2).

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

${\epsilon }_2=-n_2·\Phi =n_2·\omega ·{\Phi }_m·\sin (\omega ·t)$                   (3).

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

$U_1=-{\epsilon }_1$              (4),

$U_2=-{\epsilon }_2$              (5).

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

$\frac{U_{m2}}{U_{m1}}=\frac{{\epsilon }_{m2}}{{\epsilon }_{m1}}=\frac{n_2}{n_1}$                      (6).

Если $\frac{n_2}{n_1}>1$, то трансформатор называют повышающим, если это отношение меньше единицы — понижающим.

В режиме холостого хода, т. е. при разомкнутой вторичной обмотке, ток через неё не течёт. При этом в первичной обмотке ЭДС индукции, согласно правилу Ленца, действует противоположно напряжению $U_1$ источника. Трансформатор рассчитывают таким образом, чтобы различие между $U_1$ и ${\epsilon }_1$ 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 создаёт 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 передаётся 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

$I_{m1}·U_{m1}=I_{m2}·U_{m2}$            (7).

Трансформатор в режиме холостого хода представляет собой практически индуктивное сопротивление. Поэтому потребляемая им средняя мощность близка к нулю. Поскольку сила тока в нём 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.