Меню

Промышленное получение переменного тока происходит класс

Производство и передача переменного электрического тока

Переменным током называется ток, величина и направление которого периодически меняются. Именно благодаря переменному току в наших домах сегодня есть свет и тепло. Только благодаря переменному току работают все промышленные предприятия и производства нашего времени. Не будь переменного тока, технологический прогресс современной цивилизации был бы попросту невозможен.

Устройство генератора

Для получения переменного тока используются электромеханические устройства, называемые индукционными генераторами. В них получаемая тем или иным способом механическая энергия передается ротору, ротор вращается, в результате механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию посредством электромагнитной индукции.

Напомним, что если вращать магнит внутри проводящей рамки, то в рамке будет индуцироваться переменный ток. На этом принципе и работает генератор. Только в промышленном генераторе роль рамки играет статор, а роль магнита — ротор с намагничивающей обмоткой, по сути — вращающийся электромагнит.

В промышленном генераторе статор представляет собой огромную стальную конструкцию в виде кольца с пазами на его внутренней стороне. В эти пазы уложена медная трехфазная обмотка. Магнитное поле, как мы уже сказали, создается ротором, который представляет собой стальной сердечник с парой (или с несколькими парами, в зависимости от номинальной скорости вращения ротора) полюсов, формируемых током обмотки ротора. Постоянный ток подается к обмотке ротора от возбудителя.

Генератор на электростанции

По принципиальной схеме двухполюсного индукционного генератора переменного тока легко понять, что силовые линии магнитного поля ротора пересекают витки обмотки статора, при этом один раз за один оборот магнитный поток ротора изменяет свое направление по отношению к одним и тем же виткам статора.

Таким образом в обмотке статора получается именно переменный ток, а не пульсирующий постоянный. Если речь идет об атомной электростанции, то механическое вращение ротор генератора получает от пара, который под огромным давлением подается на лопасти турбины сопряженной с ротором. Пар на атомной электростанции получается из воды, которая разогревается теплом от ядерной реакции, подводимым к воде через теплообменник.

В России частота переменного тока в сети равна 50 Гц, это значит, что ротору двухполюсного генератора необходимо совершить 50 оборотов за секунду. Так, на атомной электростанции ротор совершает 3000 оборотов в минуту, что как раз и дает частоту генерируемого тока в 50 Гц. Направление генерируемого тока изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.

Обмотка генератора разделена на три части, поэтому переменный ток получается трехфазным. Это значит, что в каждой из трех частей обмотки статора получаемые ЭДС смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Действующее значение генерируемого на электростанции напряжения может быть от 6,3 до 36,75 кВ, в зависимости от вида генератора.

Высоковольтная линия электропередачи

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние, используются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Но если электричество передавать без преобразования, при том же напряжении какое выходит с генератора, то потери энергии при передаче окажутся колоссальными, и до конечного потребителя практически ничего не дойдет.

Дело в том, что потери энергии в передающих проводах пропорциональны квадрату величины тока и прямо пропорциональны сопротивлению проводов (см. Закон Джоуля-Ленца). Значит для более эффективной передачи и распределения электроэнергии, напряжение необходимо сначала в несколько раз повысить, чтобы во столько же раз уменьшился ток и следовательно сильно сократились транспортные потери. И только повышенное напряжение имеет смысл передавать на ЛЭП.

Трансформаторная подстанция

Поэтому электричество от электростанции сначала подается на трансформаторную подстанцию. Здесь напряжение повышается до 110-750 кВ и только после — подается на провода ЛЭП. Но потребителю необходимо 220 или 380 вольт, поэтому в конце линии высокое напряжение обратно понижают, при помощи опять же трансформаторных подстанций, до 6-35 кВ.

На подстанции вблизи нашего дома или встроенной в дом, установлен трансформатор. Здесь напряжение снова понижается — от 6-35кВ до 220 (380) вольт, которые уже раздаются потребителям. Через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей.

Источник

Получение переменного электрического тока. Трансформатор

Урок 34. Физика 9 класс (ФГОС)

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Получение переменного электрического тока. Трансформатор»

Явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем, оказало определяющее влияние на всё дальнейшее развитие технической цивилизации. Один из великих учёных девятнадцатого века Герман Гельмгольц говорил, что «до тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея».

Рассмотрим ещё раз получение индукционного тока при помощи рамки и подковообразного магнита. Как вы помните, при вращении рамки в однородном магнитном поле, в ней возникает индукционный ток.

При этом стрелка гальванометра отклоняется то в одну то во вторую сторону. Это свидетельствует о том, что направление индукционного тока, как и его сила, непрерывно меняются от своего наибольшего значения, когда рамка с током расположена вдоль линий магнитной индукции, до нуля, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Если в качестве индикатора использовать не гальванометр, а, например, осциллограф, и повторить эксперимент, то при вращении рамки в магнитном поле осциллограф запишет все изменения тока. Нетрудно увидеть, что ток, возникающий в рамке, изменяется синусоидально.

Так вот, ток, периодически меняющийся со временем как по модулю, так и по направлению, называется переменным током.

Именно переменный ток используется в настоящее время в осветительной сети наших домов, а также во многих отраслях промышленности.

Рассмотренный нами опыт представляет собой пример работы простейшего генератора электрического тока. В настоящее время переменный ток получают в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.

Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Только в этих генераторах вращается не обмотка, в которой индуцируется переменный ток, а электромагнит. Вращающаяся часть генератора называется ротором и является источником магнитного поля.

Читайте также:  Таблица допустимых токов проводников по сечению

Ротор располагается внутри стальной станины цилиндрической формы, называемой статором.

Во внутренней части статора имеются специальные пазы, в которые укладывается медный провод в виде витков. При вращении ротора в этих витках индуцируется переменный ток.

Ротор также имеет сложную форму и представляет собой стальной сердечник с навитой на него обмоткой, по которой протекает постоянный электрический ток. Создаваемое этим током магнитное поле вращается вместе с ротором.

Ротор генератора вращается при помощи какого-либо двигателя: на тепловых электростанциях с помощью паровой турбины, в небольших переносных генераторах — при помощи двигателя внутреннего сгорания, а на гидроэлектростанциях — с помощью гидротурбины.

Обратите внимание на то, что ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Дело в том, что на современных гидроэлектростанциях падающая вода вращает вал электрогенератора с частотой один — два оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну обмотку, то получался бы переменный ток частотой 1—2 Гц. А стандартная частота переменного тока, используемого в электрических сетях России и странах Европы, равна 50 Гц. Кстати, это означает, что примерно через каждые 0,02 секунды направление тока меняется на противоположное. Такая частота переменного тока была выбрана с участием русского учёного Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.

Однако, например, в США по рекомендации известного сербского учёного Николы Тесла, стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.

Поэтому для получения переменного тока промышленной частоты якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих увеличить частоту вырабатываемого тока до необходимой величины.

И так, электрическую энергию производят на электростанциях. А для её передачи потребителям, часто находящимся очень далеко от станции, строят линии электропередач. Но 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 её доходит до потребителя.

Потери на нагревание определяются законом Джоуля-Ленца:

Из него следует, что уменьшить потери можно двумя способами: это либо уменьшить сопротивление проводов, либо уменьшить силу тока в них.

Из восьмого класса вы знаете, что сопротивление будет тем меньше, чем больше площадь поперечного сечения проводника, и чем меньше его длина и удельное сопротивление металла, из которого он изготовлен.

Уменьшить длину проводов не предоставляется возможным. Из относительно недорогих металлов наименьшим удельным сопротивлением обладает медь и алюминий, из которых собственно и делают провода. Увеличивать же толщину проводов экономически невыгодно, так как это ведёт к перерасходу дорогостоящего цветного металла.

Следовательно, снижение потерь можно добиться только за счёт уменьшения силы тока. Но, чтобы не снижать мощности тока, уменьшение силы тока возможно только при увеличении напряжения.

Так, например, электроэнергия Волжской ГЭС передаётся в Москву при напряжении около 500 кВ, а от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении около 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ. 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, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретён в тысяча восемьсот семьдесят шестом году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.

Простейший трансформатор представляет собой две изолированные друг от друга катушки (их ещё называют обмотками), намотанные на общий замкнутый сердечник. По одной из обмоток (первичной) пропускается преобразуемый переменный ток, а вторичная обмотка соединяется с потребителем. Обратите внимание, что число витков в обмотках отличаются.

Протекающий по первичной обмотке переменный ток, создаёт в замкнутом сердечнике магнитное поле. Для уменьшения потерь энергии, сердечник ламинируют, то есть изготавливают из тонких, изолированных друг от друга пластин. Изолирующее покрытие пластин ограничивает индукционные токи в пределах каждого слоя, что заметно снижает силу индукционного тока. Таким образом, сердечник концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри него и одинаков во всех его сечениях. Этот магнитный поток возбуждает ток самоиндукции в каждом витке первичной катушки. Этот же магнитный поток пронизывает витки вторичной катушки и создаёт в каждом её витке индукционный ток. В результате на концах вторичной обмотки возникает переменное напряжение. Значение этого напряжения определяется коэффициентом трансформации.

Коэффициентом трансформации называется отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке. В старших классах будет показано, что коэффициент трансформации можно определить и как отношение входного и выходного напряжений.

Как видно из формулы, в зависимости от числа витков в обмотках, коэффициент трансформации может быть меньше или больше единицы. В зависимости от этого различают повышающий трансформатор и понижающий…

Закрепления материала.

Но вернёмся к вопросу о передаче электроэнергии от электростанции к месту её потребления. Как мы говорили ранее, напряжение, вырабатываемое генератором, обычно не превышает 20 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, а затем подаётся в линии электропередач. Поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В, а затем — на предприятия или в жилые дома.

Читайте также:  Расположение линий магнитной индукции катушки с током

Источник

Как получить переменный электрический ток?

Практически все знают, что в бытовой сети повсеместно используется переменное напряжение, как результат, питание всех домашних устройств осуществляется переменным током. Однако, далеко не всем известны способы получение переменного тока, особенности формирования электрической величины и способы, которыми он генерируется на практике. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим как теоретический, так и практический аспект данного вопроса.

Теория

С одной стороны каждому известно, что первое знакомство человечества с электрической энергией произошло на примере постоянного тока. Только в 1831 году исследование явления магнитной индукции привели к генерации переменных токов. Первые эксперименты задействовали электрический проводник, помещаемый в магнитный поток.

Для примера вам следует рассмотреть обычный проводник, приведенный в состояние замкнутого контура, края проводника можно подключить к измерительному прибору для фиксации изменения электрических величин.

Далее вам необходимо:

  • взять хороший магнит, если под рукой имеется мощный неодимовый, то он подойдет лучше всего;
  • подключите проводник к гальванометру, всю электрическую цепь положите на стол или другую поверхность из изолирующего материала;
  • поднесите магнит к проводнику как можно ближе, желательно, чтобы расстояние было не больше 10 мм;
  • сделайте резкое движение в перпендикулярной плоскости по отношению к проводнику;
  • обратите внимание на прибор, стрелка гальванометра отклонится от равновесного положения в какую-либо сторону – в результате электромагнитных колебаний в проводнике наводится ЭДС индукции, которая и обуславливает возникновение переменного тока в замкнутом контуре.

Повторите манипуляцию с магнитом несколько раз, и вы увидите, как гальванометр равномерно отклоняется в сторону, по мере приближения полюса к проводнику и так же равномерно возвращается в исходную позицию по мере удаления магнита. Отклонение стрелки свидетельствует об изменении величины тока и потенциала, индуцируемых в металле. Амплитуда колебаний тока не постоянна во времени, из-за чего данная величина и называется переменной.

Заметьте, если перемещать возле провода один магнитный полюс, то стрелка будет отклоняться в одном направлении, если повернуть противоположным магнитным полюсом, то и направление отклонения стрелки соответственно изменится.

Один контур представляет собой лишь пример для понимания сути получения переменного электрического тока, так как ЭДС в нем будет слишком малой и мощности не хватит даже для питания светодиода. В промышленных масштабах вместо вращения витка используют целые обмотки с множеством витков. На практике не имеет значения, происходит движение магнита относительно проводника или это замкнутый контур движется по отношению к полюсу магнита.

Поэтому для изменения ЭДС в обмотках генератора может применяться как принцип вращения ротора из магнитного материала внутри обмоток статора, так и наоборот, обмоток ротора внутри магнитного статора.

Сама величина электродвижущей силы определяется из соотношения физических параметров по такой формуле:

Формула электродвижущая сила

где n – это количество витков обмоток

а соотношение B/dt – это скорость изменения электромагнитной индукции во времени.

Способы получения

Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.

Рамка с магнитами

Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.

Рамкой и магнитами

Рис. 1. Рамкой и магнитами

Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.

При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.

Асинхронный и синхронный генератор

Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.

По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.

Устройство асинхронного генератора

Рис. 2. Устройство асинхронного генератора

Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.

Напряжение в трехфазной сети

Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети

Читайте также:  Уроки физики 11 класс мощность в цепи переменного тока

Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:

  • большие пусковые токи;
  • отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
  • меньшая степень контроля за системой.

Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.

схема синхронного генератора

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Инвертор

За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.

Схема инвертора

Рис. 5. Схема инвертора

На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.

Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.

Источник



Производство переменного тока

Как же переменный ток производится?

Начнем с того, что переменное магнитное поле способно создавать электрическое поле. То есть, если взять катушку с проводником (например, катушку из медного провода) и рядом с ней «махать» магнитом, то будет создаваться электрическое поле и ток побежит по этому проводнику. По этому принципу и работает генератор переменного тока. То есть большой магнит вращается рядом с тремя большими катушками.

В простой и понятной форме генератор можно описать так: представим окружность, внутри которой вращается огромный магнит (с двумя полюсами), вокруг магнита к этой окружности присоединены 3 катушки расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга и делящие эту окружность на три равные секции. То есть, если из центра этой окружности (центра вращения магнита) провести радиусы к этим катушкам, то окружность поделится на три равные части (эмблема Мерседеса) и угол между этими радиусами будет 120 градусов.

Таким образом, магнит вращается, а переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то есть ток. Каждая обмотка трехфазного генератора является самостоятельным генератором тока и источником электрической энергии. Присоединив провода к концам каждой из них, как это показано на рисунке, изображенном ниже, мы получили бы три независимые цепи, каждая из которых могла бы питать те или иные электроприемники, например электрические лампы.

Ток будет бежать то в одну сторону, то в другую и постоянно менять свое значение, то достигая максимума, то падая до нуля. Это будет зависеть от расположения полюсов магнита относительно катушки во время его вращения. Графически изменение напряжения тока можно описать в виде синусоиды.

В России магнит вращается со скоростью 50 оборотов в секунду. Каждый оборот соответствует одному периоду. Один период это тоже что и полное колебание (описывал чуть выше). Но так как катушки расположены на расстоянии друг от друга на угол 120 градусов (одна треть периода), то и колебания будут происходить в этих катушках с запаздыванием друг относительно друга на одну треть периода.

Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током.

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока.

В таком случае, для передачи электричества от трехфазного генератора нам необходимо 6 проводов. По 2 от каждой катушки. Однако, можно так соединить между собой обмотки генератора трехфазного тока, чтобы обойтись четырьмя и даже тремя проводами, т. е. значительно сэкономить проводку.

Основной из этих способов, называется соединением звездой.

Будем называть зажимы обмоток 1, 2, 3 началами, а зажимы 1′, 2′, 3′ — концами соответствующих фаз.

Соединение звездой заключается в том, что мы соединяем концы всех обмоток в одну точку генератора, которая называется нулевой точкой или нейтралью, и соединяем генератор с приемниками электроэнергии четырьмя проводами: тремя так называемыми линейными проводами, идущими от начала обмоток 1, 2, 3, и нулевым или нейтральным проводом, идущим от нулевой точки генератора.В случае равномерной нагрузки всех трех фаз генератора, т. е. при приблизительно одинаковых токах в каждой из них, ток в нулевом проводе равен нулю. Такая система проводки называется четырехпроводной.

Напряжения между нулевой точкой и началом каждой фазы называют фазными напряжениями (это по сути напряжение которое создается в каждой конкретной катушке), а напряжения между началами обмоток, т, е. точками 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1, называют линейными.

Между амплитудами или действующими значениями фазных и линейных напряжений при соединении обмоток генератора звездой существует соотношение Uл = √3Uф ≈ 1,73Uф

Таким образом, например, если фазное напряжение генератора Uф = 220 В, то при соединении обмоток генератора звездой линейное напряжение Uл — 380 В.

При применении трехфазного тока все приемники питаются от различных фаз, но соединены они все в общей точке (с общим нулевым проводом). Смотри картинку ниже.

Источник