Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток. Поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В рамке возникнет э.д.с. индукции.
В широком смысле, электрический ток, который изменяется со временем. В технике под переменным током понимается периодический ток. Для такого тока средние значения тока и напряжения в течение периода равны нулю. Переменные токи с сильно различающимися частотами, а также импульсные токи используются для специальных целей в промышленности, медицине и других областях науки и техники.
Переменный ток может быть выпрямлен, например, полупроводниковыми выпрямителями, а затем преобразован полупроводниковыми инверторами в переменный ток другой управляемой частоты. Переменный ток широко используется в системах связи, например, радио, телевидении и междугородной проводной телефонии.
Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рис. 3.3.
Рисунок 3.3. Изменения положения рамки в разные периоды времени
Точкой отсчета будет положение рамки, показанное на рис. 3.3, а. В этот момент плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям, и магнитный поток будет иметь максимальное значение. Параллельно магнитным линиям рамка встанет через четверть периода. Магнитный поток при этом станет равным нулю, потому что ни одна магнитная линия не проходит через поверхность рамки. Чтобы определить э.д.с. индукции, нужно знать не величину потока, а скорость его изменения. В точке отсчета э.д.с. индукции равна нулю, а в третьем (рис. 3.3, в ) - максимальному значению. Исходя из положений рамки, можно увидеть, что э.д.с. индукции меняет и значение, и знак. Таким образом, она является переменной (см. график на рис. 3.3).
Переменный ток генерируется переменным напряжением. В пространстве, окружающем токопроводящий проводник, создается переменное электромагнитное поле. Эта энергия периодически либо хранится в магнитном, либо в электрическом поле или возвращается в источник электроэнергии.
Величина переменного тока в основном определяется сравнением среднего теплового эффекта переменного тока с тепловым эффектом постоянного тока соответствующей величины. Таким образом, полученное таким образом значение тока называется эффективным значением. Математически это среднеквадратичное значение тока в течение одного периода.
В данное время в мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток , который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными э.д.с. с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода. Каждая такая цепь называется фазой.
В цепи без индуктивности или емкости ток находится в фазе с напряжением. В такой схеме частота ω вынужденных колебаний, генерируемых источником переменного тока, может совпадать с резонансной частотой. В этом случае индуктивное реактивное сопротивление и емкостное сопротивление равны и полностью уравновешивают друг друга, величина тока достигает максимального значения, и возникает явление резонанса. В условиях резонанса напряжение на индуктивности и емкостях может значительно превышать напряжение на клеммах цепи и часто может быть во много раз больше.
Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора. Пример такой системы показан на рис. 3.4, б .
Обычно обозначать векторы синусоидальных токов и напряжений точкой, расположенной над буквой. Тогда алгебраическое добавление мгновенных значений любой синусоидальной величины соответствует геометрическому добавлению векторов этих величин. При построении диаграмма, вектор вектора принимается за опорный вектор, так как для неветвящейся схемы ток одинаковый во всех сечениях схемы. Векторные диаграммы визуально иллюстрируют ход вычислений и служат в качестве контроля по результатам вычислений.
Расчеты для ветвящихся схем с квазистационарными переменными токами основаны на законах Кирхгофа. В этих расчетах обычно используется метод комплексных величин. В системах электроснабжения несинусоидальная операция обычно нежелательна, и принимаются специальные меры, чтобы избежать такого режима работы. Однако несинусоидальные условия присущи работе электрических цепей связи, полупроводниковых и электронных устройств. Если среднее значение тока по циклу не равно нулю, ток должен содержать постоянный компонент.
Согласно вышеперечисленным условиям, выясняется, что э.д.с., возникающая во втором генераторе, не будет успевать измениться, по сравнению с э.д.с. первого генератора, т.е. она будет опаздывать на 120°. Э.д.с. третьего генератора также будет опаздывать по отношению ко второму на 120°.
Однако такой способ получения переменного трехфазного тока весьма громоздкий и экономически невыгодный. Чтобы упростить задачу, нужно все статорные обмотки генераторов совместить в одном корпусе. Такой генератор получил название генератор трехфазного тока (рис. 3.4, а ). Когда ротор начинает вращаться, в каждой обмотке возникает изменяющаяся э.д.с. индукции. Из-за того, что происходит сдвиг обмоток в пространстве, фазы колебаний в них также сдвигаются относительно друг друга на 120°.
Для облегчения анализа схем, работающих с несинусоидальными токами, ток представлен в виде суммы простых гармонических составляющих. Вычисления, используемые для несинусоидальных токов в линейных цепях, основаны на принципе суперпозиции. Алгебраическое добавление результатов таких расчетов дает мгновенное значение тока или напряжения для несинусоидального тока. Электрический ток, который периодически меняет направление, обычно много раз в секунду.
Электрическая энергия обычно генерируется общественной или частной коммунальной организацией и предоставляется клиенту, будь то промышленному или внутреннему, в качестве переменного тока. Один полный период, с потоком тока сначала в одном направлении, а затем в другом, называется циклом, а 60 циклов в секунду - обычная частота чередования в Соединенных Штатах и во всей Северной Америке. В Европе и во многих других частях мира 50 Гц является стандартной частотой. На самолетах более высокая частота, часто 400 Гц, используется для создания более легких электрических машин.
|
Для того чтобы подсоединить трехфазный генератор переменного тока к цепи, нужно иметь шесть проводов. Для уменьшения количества проводов обмотки генератора и приемников нужно соединить между собой, образовав трехфазную систему. Данных соединений два: звезда и треугольник. При использовании и того и другого способа можно сэкономить электропроводку
Напряжение переменного тока может быть изменено трансформатором. Это простое, недорогое статическое устройство позволяет генерировать электроэнергию при умеренном напряжении, эффективную передачу для многих миль при высоком напряжении, а также распределение и потребление при сравнительно низком напряжении. При постоянном токе невозможно использовать трансформатор для изменения напряжения. На нескольких линиях электропередачи электрическая энергия передается на большие расстояния в виде постоянного тока, но электрическая энергия генерируется как переменный ток, преобразуется в высокое напряжение, затем выпрямляется до постоянного тока и передается, а затем возвращается обратно к переменному току инвертором, который должен быть преобразован до более низкого напряжения для распределения и использования.
Соединение звездой
Обычно генератор трехфазного тока изображают в виде 3 статорных обмоток, которые располагаются друг к другу под углом 120°. Начала обмоток принято обозначать буквами А, В, С , а концы - X, Y, Z . В случае, когда концы статорных обмоток соединены в одну общую точку (нулевая точка генератора), способ соединения называется «звезда». В этом случае к началам обмоток присоединяются провода, называемые линейными (рис. 3.5 слева).
В дополнение к разрешению эффективной передачи энергии переменный ток обеспечивает преимущества при проектировании генераторов и двигателей, а для некоторых целей дает лучшие эксплуатационные характеристики. Некоторые устройства с дросселями и трансформаторами могут работать только с трудом, если вообще, от постоянного тока. Кроме того, облегчается работа больших переключателей, поскольку мгновенное значение переменного тока автоматически становится равным нулю в два раза в каждом цикле, а прерыватель цепи отключения не должен прерывать ток, а только предотвращает запуск тока после момента его нулевого значения.
Точно так же можно соединять и приемники (рис. 3.5, справа). В этом случае провод, который соединяет нулевую точку генератора и приемников, называется нулевой. Данная система трехфазного тока имеет два разных напряжения: между линейным и нулевым проводами или, что то же самое, между началом и концом любой обмотки статора. Такая величина называется фазным напряжением (U ф ). Поскольку цепь трехфазная, то линейное напряжение будет в v3 раз больше фазного, т.е.: U Л = v3U Ф.
Переменный ток схематически изображен на рисунке. Синусоидальная форма тока или напряжения обычно приближается к практическим силовым системам, поскольку синусоидальная форма приводит к менее дорогостоящей конструкции и большей эффективности работы электрических генераторов, трансформаторов, двигателей и других машин.
Полезная мера переменного тока обнаружена в способности тока выполнять работу, а величина тока соответственно определяется как квадратный корень из среднего квадрата мгновенного тока, причем среднее значение принимается за целое число циклов, Это значение известно как среднеквадратичный или эффективный ток. Это полезная мера для тока любой частоты. Среднеквадратичное значение постоянного тока идентично значению постоянного тока.
Соединение треугольником.
При использовании данного способа соединения конец X первой обмотки генератора подключают к началу В второй его обмотки, конец Y второй обмотки - к началу С третьей обмотки, конец Z третьей обмотки - к началу А первой обмотки. Пример соединения показан на рис. 3.6. При данном способе соединения фазных обмоток и подключении трехфазного генератора к трехпроводной линии линейное напряжение по своему значению сравнивается с фазным: U Ф = U Л.Контрольные вопросы
Диаграмма синусоидального переменного тока. Фазовый угол и коэффициент мощности напряжения и тока в цепи, которая обеспечивает нагрузку, определяются нагрузкой. Таким образом, нагрузка чистого сопротивления, такого как электрический нагреватель, имеет единичный коэффициент мощности. Индуктивная нагрузка, такая как асинхронный двигатель, имеет коэффициент мощности менее 1, а ток отстает от приложенного напряжения.
Трехфазные системы обычно используются для генерации, передачи и распределения электроэнергии. Заказчик может поставляться с трехфазной мощностью, особенно если используется большая мощность или требуется использование трехфазных нагрузок. Маленькие отечественные потребители обычно поставляются с однофазным питанием. В некоторых системах земля используется как общий или нейтральный проводник. Напряжения сбалансированной трехфазной системы.
1. Перечислите основные параметры, характеризующие переменный ток.
2. Дайте определение частоты и назовите единицы её измерения.
3. Дайте определение амплитуды и назовите единицы её измерения.
4. Дайте определение периода и назовите единицы его измерения.
5. Отличие простейшего генератора трёхфазного тока от генератора однофазного тока.
Ерюткин Евгений Сергеевич
Соединения простой трехфазной системы. Каждая фаза трехфазной системы несет ток и передает энергию и энергию. Если три нагрузки на трех фазах трехфазной системы равны, а напряжения сбалансированы, то также сбалансированы токи. Сумма трех токов равна нулю в каждый момент времени. Это означает, что ток в общем проводнике всегда равен нулю и что проводник теоретически может быть полностью исключен. На практике три тока обычно не являются точно сбалансированными, и получается одна из двух ситуаций.
Как получить переменный ток
Полная мгновенная мощность от генератора до нагрузки постоянна в сбалансированной синусоидальной трехфазной системе. Это приводит к более плавной работе и уменьшению вибрации двигателей и других устройств переменного тока. Кроме того, трехфазные двигатели и генераторы более экономичны, чем однофазные машины.
6. Что такое фаза?
7. Что представляет собой ротор генератора трёхфазного тока?
8. Почему сдвинуты по фазе обмотки статора генератора трёхфазного тока?
9. Принцип соединения фазных обмоток трёхфазных генераторов и трансформаторов по схеме «звезда».
10. Принцип соединения фазных обмоток трёхфазных генераторов и трансформаторов по схеме «треугольник».
Информационная схема, такая как телефон, радио или управление, использует различное напряжение, ток, форму волны, частоту и фазу. Эффективность часто низкая, главным требованием является передача точной информации, даже если мало передаваемой мощности достигает принимающей стороны. Радио, Телефон. Идеальная силовая цепь должна обеспечивать потребителя электрической энергией, всегда доступной при неизменном напряжении постоянной формы волны и частоты, причем величина тока определяется нагрузкой клиента.
Тема: Электромагнитное поле
Высокая эффективность является очень желательной. Электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению, сначала течет в одном направлении в цепи и затем течет в противоположном направлении; каждое полное повторение называется циклом, а число повторений в секунду называется частотой; обычно выражается в Герце.
Рассмотрим ещё раз получение индукционного тока в катушке с помощью перемещения относительно неё постоянного магнита (см. рис. 119, а). Но теперь будем периодически двигать магнит вверх и вниз в течение нескольких секунд. Мы увидим, что при этом стрелка гальванометра отклоняется от нулевого деления то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что модуль силы индукционного тока в катушке и направление этого тока периодически меняются.
Генераторы переменного тока
Непрерывный электрический ток, который периодически меняет направление, обычно синусоидально. В настоящее время использование генераторов и двигателей с такими целями стало обычным явлением в большинстве устройств, используемых в научных, промышленных и внутренних масштабах.
Электродвигательная и противоэлектродвижущая сила
Электрическая мощность может использоваться как источник и место назначения для многочисленных применений. Для его производства и использования используются два общих класса устройств. Двигатели, которые выполняют обратную трансформацию и используют эту электрическую энергию для генерации движения. Генераторы, которые преобразуют некоторый тип энергии в электрическую. . Действие токовых генераторов определяется величиной, называемой электродвижущей силой, обычно обозначаемой символом. Ф. он определяется как электрическая энергия, которую генератор передает на каждую единицу заряда, которая протекает через нее.
- Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током
В осветительной сети наших домов и во многих отраслях промышленности используется именно переменный ток.
В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т. е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.
В двигателях электрические заряды, которые проходят через них, теряют электрическую энергию, которая становится механической. Его основной характеристикой является противоэлектродвижущая сила или электрическая энергия, передаваемая двигателем в блок электрического заряда.
Производство электроэнергии
Генераторы переменного тока являются наиболее распространенными промышленными средствами производства электроэнергии. Эти устройства основаны на использовании явлений электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, индуцированная электродвижущая сила в петле будет.
Генератор переменного тока: а - внешний вид; б - общий вид на электростанции вместе с паровой турбиной, приводящей ротор генератора во вращение
В § 39 рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при вращении внутри него магнита (см. рис. 121, б). На этом принципе и работает электромеханический генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная контуру, называется статором, а вращающаяся, т. е. магнит, -ротором. В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.
Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина - это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и пр.). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые витками укладывается толстый медный провод. В витках и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока.
Магнитное поле создаётся ротором (рис. 131, а). Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Ток к этой обмотке подводится через щётки и кольца от постороннего источника постоянного тока.
Рис. 131. Схема генератора переменного тока
На рисунке 131, б приведена схема генератора переменного тока. Штрихами показано примерное расположение линий индукции магнитного поля ротора. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой создаваемое им магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток, пронизывающий витки обмотки статора, периодически меняется, в результате чего в них индуцируется переменный ток.
На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях - с помощью водяной турбины.
На рисунке 132, а изображён внешний вид мощного гидрогенератора, а на рисунке 132, б схематично показано его устройство, где цифрой 1 обозначен статор, цифрой 2 - ротор, а цифрой 3 - водяная турбина.
Рис. 132. Внешний вид и устройство мощного гидрогенератора
Ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора. Поскольку скорость вращения водяных турбин обычно невелика, то для создания тока стандартной частоты используют многополюсные роторы.
Стандартная частота переменного тока, применяемого в промышленности и осветительной сети в России и многих других странах, равна 50 Гц. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз течёт в одну сторону и 50 раз в другую. В некоторых странах (например, США) стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.
Сила тока, вырабатываемого генераторами переменного тока, меняется со временем по гармоническому закону (т. е. по закону синуса или косинуса). На рисунке 133 показан график изменения силы тока i со временем t.
Рис. 133. График зависимости силы переменного тока от времени
Для передачи электроэнергии от электростанций в места её потребления служат линии электропередачи (ЛЭП). Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии Q тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя:
E потребляемая = E генерируемая - Q
Уменьшение потерь электроэнергии при её передаче от электростанций к потребителям является важной задачей экономики.
Из закона Джоуля-Ленца (Q = I 2 Rt) следует, что уменьшить потери можно за счёт уменьшения сопротивления R проводов и силы тока I в них (что более эффективно, поскольку при уменьшении I в n раз Q уменьшается в n 2 раз).
Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь S их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление ρ металла, из которого они изготовлены (так как R = ρl/S). Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением. Увеличивать толщину проводов экономически невыгодно (ввиду увеличения расхода металла) и неудобно (из-за трудностей при их подвеске).
Поэтому существенного снижения потерь Q можно добиться только за счёт уменьшения силы тока I. Но при этом необходимо во столько же раз увеличить получаемое от генератора напряжение U, чтобы не снижать мощность тока Р (так как Р = UI 1). Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.
Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора - устройства, предназначенного для увеличения или уменьшения переменного напряжения и силы тока.
Павел Николаевич Яблочков (1847-1894)
Русский электротехник и изобретатель. Изобрёл дуговую лампу («свеча Яблочкова»), сконструировал первый генератор переменного тока, трансформатор, сделал изобретения в области электрических машин и химических источников тока
Трансформатор был изобретён в 1876 г. русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым. В основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. На рисунке 134, а показан внешний вид трансформатора, а на рисунке 134, б схематично изображены его основные части. Обратите внимание на то, что число витков в обмотках различно: в данном случае N 2 > N 1 . Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт (главным образом в сердечнике) переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле. В результате действия этого поля на концах вторичной обмотки возникает переменное напряжение U 2 .
Рис. 134. Внешний вид и схема устройства повышающего трансформатора
Величина U 2 определяется из соотношения:
Значит, при N 2 > N 1 трансформатор будет повышающим (так как U 2 > U 1), а при N 2 < N 1 - понижающим (в данном случае U 2 < U 1).
Теперь вернёмся к вопросу о передаче электроэнергии от электростанции к месту её потребления. Напряжение, вырабатываемое генератором, обычно не превышает 25 кВ. А для оптимальной передачи электроэнергии на большие расстояния требуется напряжение порядка сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, где напряжение повышается до нескольких сотен киловольт (в большинстве случаев оно не превышает 750 кВ), и под таким напряжением подаётся в ЛЭП. Поскольку такое высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 или 220 В, а затем - на предприятия или в жилые дома.
Трансформаторы нашли широкое применение в быту. Например, при подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети и равное 220 В, до 5,5 В, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от 1,5 В до 25 кВ.
Вопросы
- Какой электрический ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?
- Где используют переменный электрический ток?
- Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.
- Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции; на гидроэлектростанции?
- Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?
- По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?
- Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?
- Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.
Упражнение 39
- Электростанции России вырабатывают переменный ток частотой 50 Гц. Определите период этого тока.
- По графику (см. рис. 133) определите период, частоту и амплитуду колебаний силы тока i.
1 V, I - так называемые действующие значения напряжения и силы переменного тока. Они равны соответственно напряжению и силе постоянного тока, выделяющего в проводнике ежесекундно столько же тепла, что и переменный ток. Действующие значения напряжения и силы переменного тока в √2 раз меньше амплитудных.
