Генерирование электрической энергии. Трансформаторы

В данной теме речь пойдёт о способах генерирования электрической энергии. А также изучим устройство простейшего трансформатора.

Электромагнитная индукция – это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. А полученный таким способом ток называется индукционным током.

Переменным называется ток, периодически изменяющийся со временем.

Для того чтобы в цепи существовал синусоидальный переменный ток, источник в этой цепи должен создавать переменное электрическое поле, изменяющееся синусоидально. На практике синусоидальная ЭДС создается генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.д.

В настоящее время также исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Так, например, разрабатываются и уже частично используются топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками. Так, например, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.

В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В прошлой теме была рассмотрена простейшая модель такого генератора — рамка с током, вращающаяся в однородном магнитном поле вокруг своей оси.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей.

Ранее нами рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при его вращении в магнитном поле. На этом принципе и работает электромеханической генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная магниту, называется статором, а вращающаяся, т. е. рамка, — ротором.

В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В рассмотренной нами ранее модели генератора, вращается проволочная рамка, играющая роль ротора.

Разумеется, можно было бы поступить и наоборот, т.е. вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах приводится во вращение именно электромагнит.

Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и прочее). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые укладывается толстый медный провод. Именно в них и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока. Магнитное поле создается ротором. Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток; а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего источника постоянного тока, называемого возбудителем.

На рисунке представлена полная схема генератора переменного тока. 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.

Обратите внимание, что 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.

Таким образом, электрическую энергию производят на электростанциях. Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач.

Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери, связанные с нагреванием проводов. Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.

Уменьшение потерь электроэнергии при ее передаче от электростанций к потребителям является важной народнохозяйственной задачей. Из закона Джоуля-Ленца следует, что уменьшить потери можно либо за счет уменьшения сопротивления проводов, либо уменьшения силы тока в них. Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление металла, из которого они изготовлены. Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением. Однако увеличивать же толщину проводов экономически невыгодно, т.к. это ведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла, а также возникновению трудностей при закреплении проводов на столбах. Поэтому такой способ снижения потерь практически невозможен.

Поэтому существенного снижения потерь можно добиться только за счет уменьшения силы тока. Но приданной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения. Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора — устройства, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретен в 1876 году русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. А первый технический трансформатор впервые создал Иван Филиппович Усагин в 1882 г.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Простейший трансформатор представляет собой две изолированные друг от друга катушки (их еще называют обмотками), намотанные на общий замкнутый сердечник. По одной из обмоток (первичной) пропускается преобразуемый переменный ток, а вторичная обмотка соединяется с потребителем.

Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукциив витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея, оно будет определяться формулой

e = –Ф’

где Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

Если первичная обмотка имеет N₁ витков, а вторичная N₂ витков, то в обмотках индуцируются (без учета потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно e₁ и e₂, а их отношение будет равно

Т.е. возникающие в катушках ЭДС индукции (или самоиндукции) пропорциональны числу витков в них.

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, поэтому суммарная ЭДС индукции равна напряжению на зажимах вторичной обмотки.

Изменение мгновенных значений ЭДС происходит так, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль, т.е. изменяются синфазно. Поэтому их отношения можно заменить отношением действующих значений этих ЭДС или отношением действующих значений напряжений.

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации k.

В зависимости от того, какое значение принимает коэффициент трансформации, различают повышающий и понижающий трансформатор.

Его обычно определяют при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называется повышающим, а если больше единицы — то понижающим.

При включении во вторичную цепь какой-либо нагрузки (это рабочий ход трансформатора) в ней начинает проходить ток нагрузки (он переменный и такой же частоты). Этот ток создает в сердечнике магнитный поток, направленный по правилу Ленца навстречу потоку первичной обмотки. В результате суммарный поток магнитной индукции в первичной катушке уменьшается, уменьшается и ЭДС, а, следовательно, сила тока будет увеличиваться. Это увеличение силы тока в первичной цепи приводит к увеличению магнитного потока, ЭДС индукции и силы тока во вторичной цепи. Но, как мы знаем, увеличение тока во вторичной цепи сопровождается увеличением тока самоиндукции и, следовательно, уменьшением магнитного потока который только что возрастал.

В конце концов, при постоянной нагрузке устанавливаются определенные магнитный поток, ЭДС индукции во вторичной цепи и ток в первичной цепи. Получается, что трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.

При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.

Мощность, потребляемая в первичной цепи, будет определяться формулой

а выделяемая на нагрузке

Коэффициент полезного действия трансформатора будет определяться отношением выделяемой мощности на нагрузке к потребляемой мощности в первичной цепи.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. При работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на рассеивание магнитного потока в пространство, на вихревые токи Фуко в сердечнике и его перемагничивание.

Для уменьшения этих потерь принимаются следующие меры:

1) обмотка низкого напряжения делается большего сечения, так как по ней проходит ток большей силы;

2) сердечник делают замкнутым, что уменьшает рассеивание магнитного потока;

3) сердечник делают из изолированных пластин для уменьшения токов Фуко.

Благодаря этим мерам коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95—99%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Если иногда можно пренебречь потерями в трансформаторе, т.е. считать его коэффициент полезного действия равным 100%, то мощность, потребляемая в первичной цепи, будет равна мощности, выделяемой на нагрузке. Тогда отношение силы тока в первичной обмотке к силе тока во вторичной обмотке будет обратно пропорционально соответствующим напряжениям. А это значит, что увеличивая с помощью трансформатора напряжение, во столько же раз будем уменьшать силу тока и наоборот.

В настоящее время трансформаторы нашли широкое применение, как в технике, так и в быту. Например, для передачи электроэнергии на большие расстояния используются как повышающие, так и понижающие трансформаторы (об этом, кстати, мы более подробно будем говорить в одном из следующих уроков).При подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети 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 и так далее.

Основные выводы:

– Генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

– В современной энергетике применяются индукционные генераторы, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции, и позволяющие получить большие токи при достаточно высоком напряжении.

– Конструкций индукционных генераторов существует достаточное количество, однако, неизменными в каждом из них, остаются ротор — подвижная часть генератора, и статор — неподвижная часть генератора.

– Трансформатор – устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

– Трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации, т.е. отношением числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке.

– В зависимости от значения этого коэффициента, различают повышающий и понижающий трансформаторы.