Получение переменного тока кратко. 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 ток

В 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 ток

Помните 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.

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.

• 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.

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

1. Какой электрический ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?
2. Где используют переменный электрический ток?
3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.
4. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции; на гидроэлектростанции?
5. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?
6. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?
7. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?
8. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Упражнение 39

1. Электростанции России вырабатывают переменный ток частотой 50 Гц. Определите период этого тока.
2. 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.

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).

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 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.