Получение переменного тока
Для получения переменного тока промышленной частоты (50 гц ) на электрических станциях установлены электромашинные синхронные генераторы переменного тока. В этих машинах, как и в генераторах неизменного тока, употребляется явление электромагнитной индукции. Средством генератора переменного тока механическая энергия, сообщаемая первичным движком (паровой либо гидравлической турбиной), преобразуется в электрическую энергию переменного тока.
Синхронный генератор (рис. 1) состоит из недвижной части 1 - статора и вращающейся части 2 - ротора .
Статор собирается из листовой электротехнической стали. Он имеет форму полого цилиндра. В пазах (каналообразных впадинах), изготовленных повдоль внутренней поверхности статора, уложены изолированные проводники, соединенные меж собой и образующие обмотку переменного тока статора.
Рис. 1 Схема устройства генератора переменного тока
Ротор представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током . Этот ток возбуждения подается в обмотку ротора через медные кольца, укрепленные на валу ротора. По кольцам скользят недвижные щетки, соединенные проводами с возбудителем - маленьким относительно генератором постоянного тока.
Рис. 2 Неявнополюсный ротор турбогенератора
Конструкция ротора находится в зависимости от рабочей скорости вращения на которую рассчитан генератор. Для быстроходных генераторов, вращаемых паровыми турбинами (турбогенераторы), роторы изготовляются неявнополюсными (рис.2). Для тихоходных генераторов, вращаемых гидравлическими турбинами (гидрогенераторы) роторы изготовляются явнополюсными (рис.3).
Простой по устройству неявнополюсный ротор (3000 и. 1500 об/мин) представляет собой громоздкую железную поковку (см. рис. 2), в круговых пазах которой укрепляются металлическими клиньями проводники обмотки возбуждения.
Рис. 3 Явнополюсный ротор
Магнитный поток ротора проходит через тело ротора, два воздушных промежутка меж статором и ротором и сердечник, статора (см. рис. 1). При вращении ротора этот магнитный поток Ф пересекает проводники статора и индуктирует в их переменную э. д. с. Потому что магнитный поток в воздушном зазоре направлен перпендикулярно к проводникам обмотки статора, та согласно закону электрической индукции в каждом из этих проводников при вращении потока индуктируется э. д. с.
е = BLV
где B - магнитная индукция в пазе , где находится данный проводник;
L - активная длина проводника , т. е. длина той части проводника, которая находится в магнитном поле; V- окружная скорость, т. е. скорость движения магнитного потока по отношению к проводнику .
Почти всегда окружная скорость генератора поддерживается неизменной (v = const) и потому что длина L тоже постоянна, то изменение э. д. с. е при вращении ротора вызывается только переменами магнитной индукции B повдоль окружности ротора. Если эта индукция распределена повдоль окружности ротора синусоидально (В = В m sin а), то э. д. с. меняется во времени тоже синусоидально (е = Е m sin wt) Это событие используется при построении генераторов переменного тока для того, чтоб получать от их синусоидальное напряжение.
Одному обороту двухполюсного ротора соответствует один период переменной э. д. е., индуктируемой в проводниках обмотки статора . Если же статор имеет р пар полюсов, то поворот ротора на угол, занимаемый одной парой полюсов, обуславливает один период конфигурации э. д. с. В данном случае одному обороту ротора соответствует р периодов переменной э. д. с. Ротор делает n об/мин; как следует, за минуту переменная э. д. с. генератора будет иметь p n периодов. Число периодов за секунду генератора переменного тока, т. е. частота его переменной э. д. е., будет в 60 раз меньше:
Но генератор должен давать переменный ток стандартной частоты f = 50 гц. При всем этом условии p n = 3000 .
Таким макаром, наибольшая скорость, которую может иметь генератор переменного тока промышленной частоты, соответствует одной паре полюсов p = 1. При этой скорости n = 3000 об/мин работают вышеупомянутые турбогенераторы. Выгодно строить машины с большей допустимой скоростью, так как при одной и той же мощности, чем быстроходнее машина, тем меньше ее вес и габариты.
Но скорость гидрогенератора определяется скоростью движения воды, потому при постройке гидростанции на реках с медленным течением приходится пичкать роторы гидрогенераторов огромным числом полюсов. К примеру, генераторы Днепровской гидростанции им. Ленина делают 83,3 об/мин, а их роторы имеют по 72 полюса (т. е. p = 36).
Получение переменного электрического тока Постоянный электрический ток можно получить от батарейки или другого источника тока. В таком случае мы будем иметь ток, текущий все время в одном направлении от положительного полюса источника к отрицательному. Некоторые электроприборы питаются постоянным током, однако большинство потребляет переменный ток.
Что такое переменный токВ электрических розетках у нас в квартирах тоже течет переменный ток. Мы знаем, что переменный ток это ток, который регулярно меняет свое направление. То есть в случае переменного тока у нас не будет положительного полюса источника и отрицательного. Как же получают переменный ток?В самом деле, в нашей стране используют ток частотой 50 Гц, то есть, направление такого тока меняется 50 раз в секунду. Не крутят же на электростанциях с такой скоростью батарейки или иные источники постоянного тока. Очевидно, что ток получают каким-то другим способом. Интересно, каким? Тогда разберемся.Получение переменного электрического тока возможно благодаря использованию явления электромагнитной индукции. Это явление заключается в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток.
Как получить переменный токПомните опыты с вдвиганием и выдвиганием магнита внутрь катушки, подключенной к гальванометру? Гальванометр показывал противоположное значение тока в зависимости от того, куда двигался магнит внутрь или наружу катушки. Вот на этом и основано получение переменного тока в электромеханических индукционных генераторах. Генератор состоит из двух основных частей подвижной и неподвижной.Неподвижная часть называется статором, а подвижная ротором. Статор представляет собой большой цилиндр, в котором проложены толстые медные провода. Внутри статора вращается ротор, который представляет собой большой магнит, чаще всего это электромагнит. При вращении ротора меняется создаваемое им магнитное поле, и магнитный поток, пронизывающий провода, изменяется. При этом магнит оказывается попеременно повернутым к контуру то одним, то другим полюсом, вследствие чего создаваемый ток периодически меняет свое направление.Для вращения ротора используют механическую энергию. Это может быть или тепловая энергия, как например, на дизельных и угольных электростанциях, либо же энергия воды и ветра, как например, на гидроэлектростанциях и ветряках. Так механическая энергия преобразуется в электрическую и подается потребителю.
Нетрудно догадаться, что получение электричества с помощью воды и ветра является намного более выгодным делом, чем, если на это приходится тратить топливо. К тому же такой процесс экологически намного чище. Поэтому задачей человека в наше время является максимальный переход на получение электроэнергии от возобновляемых источников.Это поможет как снизить стоимость электричества для конкретного потребителя, то есть для нас с вами, так и сохранить природную чистоту. Такая потребность становится все более очевидной в последнее время.
Теперь я вам хочу рассказать, как получить переменный синусоидальный ток .
Возьмем проводник, согнутый в виде рамки и будем вращать его в равномерном магнитном поле (рисунок 1). При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индукции .
Пусть рамка вращается с равномерной скоростью. Мы уже знаем, что величина ЭДС, индуктированной в рамке, будет тем больше, чем быстрее будет изменяться число магнитных силовых линий, охватываемых рамкой, или иначе, чем большее число магнитных силовых линий будут пересекать стороны рамки в единицу времени (например в одну секунду).
Примем за начальное то положение рамки, когда она охватывает наибольшее число магнитных силовых линий, т. е. когда плоскость ее перпендикулярна направлению магнитного потока. На рисунке 1 это положение отмечено цифрой 1 .
Рисунок 1. Получение синусоидального переменного тока. а - ряд последовательных положений рамки в магнитном поле; б -график переменного тока (синусоида).
В начале вращения рамки ее стороны будут скользить почти вдоль магнитных силовых линий, пересекая очень малое число их, то есть магнитный поток, проходящий через рамку, будет изменяться очень медленно, следовательно, и наводимая этим изменением потока ЭДС индукции будет невелика.
По мере приближения рамки, к положению 2 , когда плоскость ее становится параллельной силовым линиям, количество пересекаемых рамкой силовых линий возрастает (при постоянной скорости вращения рамки) а, следовательно, возрастает и индуктируемая в ней ЭДС.
Когда рамка пройдет положение 2 , действующая в рамке ЭДС начнет постепенно убывать и станет равной нулю, когда рамка сделает полоборота (положение 3 ). Затем ЭДС будет снова возрастать, но уже в обратном направлении, так как теперь стороны рамки будут пересекать магнитные силовые линии в противоположном направлении. В момент, когда рамка займет положение 4 , т. е. сделает три четверти оборота, ЭДС будет наибольшей, после чего она начнет снова убывать и сделается равной нулю в тот момент, когда рамка завершит полный оборот (положение 5 ).
При дальнейшем вращении рамки все явления будут повторяться в прежнем порядке. Так как ЭДС в рамке непрерывно изменяется по величине и, кроме того, два раза в течение каждого оборота изменяет свое направление, то и ток, вызываемый ею в рамке, будет также изменяться и по величине и по направлению.
Условимся изображать изменение переменной ЭДС, наводимой в рамке при вращении ее в магнитном поле, таким образом, что по горизонтальной прямой линии (оси) слева направо будем откладывать в каком-нибудь масштабе угол поворота рамки или время, протекшее от начала поворота, а вверх и вниз (по вертикали) будем откладывать те ЭДС, которые наводятся в рамке при данном угле ее поворота. Вверх будем откладывать ЭДС одного направления, а вниз- ЭДС другого направления. В результате такого построения получим график изменения ЭДС в зависимости от угла поворота рамки или, что то же самое, в зависимости от времени, так как рамка вращается с постоянной скоростью. Кривая эта, изображенная на рисунке 1б, очень часто встречается в электротехнике и носит название синусоиды .
Итак, мы видим, что при равномерном вращении рамки в равномерном магнитном поле в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся по периодическому закону, выражаемому синусоидой; ЭДС и токи, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными , а весь описанный процес будет иметь название получение переменного синусоидального тока .
Свяжем мысленно с вращающейся рамкой стрелку, укрепленную на одной оси с рамкой (рисунок 2а). Направим на вращающуюся стрелку пучок параллельных световых лучей так, как это изображено на рисунке 2б, а с другой стороны стрелки поставим экран (например лист бумаги). Электродвижущая сила, индуктируемая в рамке, в каждый данный момент будет пропорциональна длине тени, отбрасываемой стрелкой на экран. Длина тени в начальный момент, когда стрелка находится в горизонтальном положении, т. е. острием направлена в сторону экрана, будет равна нулю.
Рисунок 2. Модель синусоидального колебания. а -вместе с рамкой вращается стрелка; б -кончик тени от стрелки совершает синусоидальные колебания.
При вращении стрелки в направлении, указанном на рисунке, ее тень начнет удлиняться, вытягиваясь вверх. Сначала удлинение тени будет происходить быстро, но по мере приближения стрелки к вертикальному положению оно замедлится и, наконец, совеем прекратится, когда длина тени сделается равной длине стрелки. После этого тень будет укорачиваться, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее и, наконец, сделается равной нулю в тот момент, когда стрелка, совершив полоборота, займет горизонтальное положение. В то время, когда стрелка будет совершать следующую половину оборота, ее тень совершит такое же удлинение и укорочение, как и прежде, с той лишь разницей, что удлиняться она теперь будет не вверх, а вниз.
При каждом обороте стрелки ее тень будет совершать одно полное колебание.
Колебания тени вращающейся стрелки дают полную картину изменения скорости движения электронов в проводнике при синусоидальном переменном токе. Скорость свободных электронов в проводнике сначала невелика, затем электроны начинают двигаться все быстрее и быстрее (сила тока увеличивается). В некоторый момент скорость электронов достигает своей максимальной величины (сила тока максимальна), после чего электроны постепенно замедляют свое движение и, наконец, совсем останавливаются (сила тока равна нулю).
Однако, практически электроны не делают остановки, так как они тотчас же начинают движение в обратном направлении (ток изменяет свое направление) с постепенно увеличивающейся скоростью (сила тока растет) и т. д.
Начертим окружность, внутри которой наметим несколько положений радиуса, занимаемых им при равномерном движении его конца по окружности. На рисунке 3 показано 24 последовательных положения радиуса, занимаемых им через каждые 15° поворота. Справа от этой окружности проведем горизонтальную линию на высоте центра окружности. Разделим горизонтальную координатную ось также на 24 части, каждая из которых будет соответствовать 15° окружности.
Рисунок 3. Построение грфика синусоидального переменного тока. Окружность и горизонтальная ось координат разделены на одинаковое число частей.
Из каждой отмеченной точки на горизонтальной оси проведем вертикальную линию, равную проекции радиуса на вертикальный диаметр или длине тени при данном угле поворота. Соединим плавной кривой концы всех вертикальных линий. Эта кривая и будет синусоидой.
Вращающийся радиус, употребляемый при построении синусоиды, называется радиусом-вектором .
Получение переменного электрического тока
Электромагнитные явления
Тема этого занятия посвящена вопросу получения переменного электрического тока. Этот вопрос, напрямую связанный с явлением электромагнитной индукции, впервые поднял М. Фарадей. С помощью специального устройства, называемого генератором, он опытным путем доказал, как можно получать переменный электрический ток.
Тема: Электромагнитное поле
Урок 46. Получение переменного электрического тока
Ерюткин Евгений Сергеевич
Урок будет посвящен теме «Получение переменного электрического тока». Этот вопрос вплотную связан с явлением электромагнитной индукции . Когда мы говорили об индукционном электрическом токе, наверное, вы заметили, что величина и направление тока зависит от того, как двигался магнит по направлению и по скорости - от того, как изменялся магнитный поток.
Если обобщить имеющиеся экспериментальные данные, то можно предложить следующее устройство: закрепить магнит и относительно него двигать катушку с большим числом витков (или наоборот, двигать магнит относительно неподвижной катушки). В результате будет создаваться индукционный электрический ток.
Так мы переходим к устройству, которое дает возможность получить электрический ток и называется генератором.
Идея получения электрического тока таким способом впервые пришла Майклу Фарадею. В его рисунках даже сохранился чертеж первого генератора.
Большинство генераторов - это т.н. электромеханические генераторы, в них за счет механического движения подвижной части такого генератора создается переменный электрический ток.
Что же такое переменный электрический ток ? Переменным электрическим током называют такой ток, который периодически изменяется по своей величине, модулю и направлению.
На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток.
Объясняется это тем, что очень удобно, во-первых, получить переменный электрический ток, а во-вторых, удобно передавать его на большие расстояния. Вот поэтому в мире везде и всюду используется именно переменный ток.
Обозначают его на всех схемах волнистой линией.
Рис. 1. Обозначение переменного тока
Обратите внимание: если дома есть какие-либо электрические приборы и на этих приборах встречается такое обозначение, значит, эти приборы работают на переменном электрическом токе.
Как устроены генераторы?
Итак, современный генератор представляет собой довольно сложное устройство, но в основном состоит он из двух частей - ротора и статора.
Рис. 2. Устройство генератора
Статор - это неподвижная часть. Ротор - подвижная. Можно сказать, что статор - это аналог катушки с большим числом витков. А ротор - это магнит, который вращается и создает изменяющийся магнитный поток с течением времени, пронизывая те витки, которые находятся в статоре, индуцирует, наводит в этих витках электрический ток.
Если генератор маломощный, то обычно ротор делают из постоянного магнита. Ему придают определённую форму, создают внутри несколько отдельных полюсов. Этот постоянный магнит, вращаясь прямо внутри статора, непосредственно создаёт индукционный электрический ток. Если же необходим мощный генератор, то в этом случае ротор - уже не постоянный магнит, а электромагнит.
Конечно, необходимо сказать, что во всех генераторах ротор вращается за счет работы сторонней силы. Если этот генератор установлен на гидроэлектростанции, то там используется энергия падающей воды. В этом случае ротор вращается с небольшой скоростью. Поэтому приходится делать ротор сложной формы, чтобы создать большое изменение магнитного потока при вращении ротора и получить значительный электрический ток. Например, у генератора на тепловых электростанциях ротор будет вращаться за счет поступающего пара, там частота вращения достаточно большая, и в этом случае количество полюсов и форма ротора будет совсем иная.
Рис. 3. Устройство ротора и статора
Если говорить про статор, то это неподвижная часть генератора. В ней прорезаются пазы. Представьте себе цилиндр, в котором прорезаны пазы, в этих пазах укладывается обмотка статора, где и создается индукционный электрический ток. Так устроены генераторы переменного тока.
Передача электроэнергии
Большое значение имеет вопрос о передаче переменного электрического тока. Передача переменного электрического тока на большие расстояния связана с электромагнитной индукцией. Чтобы передать переменный электрический ток, используются приборы, которые называются трансформаторами. - прибор для преобразования электрического тока и напряжения.
Он состоит из двух катушек, они называются обмотками, и эти две катушки (катушек может быть и больше на самом деле) надеты на один сердечник.
Рис. 4. Трансформатор состоит из двух катушек
Это устройство, которое состоит из двух катушек или большего количества катушек, надетых на общий сердечник.
Когда мы подключаем переменный электрический ток к одной из катушек, в ней создается переменное магнитное поле. Магнитное поле одной катушки усиливается за счет железного сердечника и своим магнитным потоком пронизывает витки другой катушки. Тем самым в другой катушке тоже будет создаваться электрический ток. Если мы будем теперь изменять количество витков в одной катушке и в другой катушке, то будут меняться значения электрического тока в различных катушках.
Вот здесь и происходит самое главное. Дело в том, что, когда электрический ток протекает по проводам, главная потеря связана с тем, что провода нагреваются, т.е. сказывается тепловое действие электрического тока. Это является главным неудобством при передаче постоянного электрического тока.
А если мы говорим о переменном токе, то за счет трансформатора, изменяя витки в катушках, можно регулировать значение электрического тока.
Если мы уменьшим количество витков, то можем изменить и значение электрического тока. Мы можем его уменьшить, и потери электрического тока при передаче тоже уменьшатся.
Если мы все это примем во внимание, то можем сказать следующее. Трансформатор дает возможность уменьшить значение электрического тока и увеличить при этом напряжение электрического тока.
Таким образом удобно передавать переменный электрический ток, трансформатор называется повышающим тогда, когда напряжение увеличивается. Когда такой электрический ток приходит уже непосредственно к нам в квартиры, то включают другой трансформатор, который называется понижающим. В этом случае напряжение уменьшается до 220 В, но сила тока в цепи возрастает.
Этот электрический ток мы используем в бытовых приборах. Если мы будем рассматривать отдельно каждую линию электропередач (кратко ее называют ЛЭП), то каждая такая линия отдельно разрабатывается для конкретной электростанции, с которой мы получаем электроэнергию. На пути ее передачи устанавливаются трансформаторные станции, которые меняют напряжение переменного электрического тока.
