Генератор змінного струму. Трансформатор. Передавання енергії на відстань
Змінна напруга на кінцях кола створюється генераторами на електростанціях.
Індукційні генератори – це електричні машини, в яких механічна енергія перетворюється на електричну за допомогою явища електромагнітної індукції.
Генератор змінного струму — система з нерухомого статора (складається із сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього.
Основні елементи генератора змінного струму:
1) Ротор – це рухомий індуктор, який створює магнітне поле. На практиці ротор – це електромагніт, для живлення якого необхідний відносно слабкий постійний струм.
2) Якір – це провідник, у якому створюється ЕРС. Нерухомий якір називають статором
3) Металічні кільця, до яких прижаті щітки
4) Щітки, які з’єднують нерухомі провідники з рухомими провідниками. Щітки з’єднані зі споживачами електричної енергії.
Через два контактних кільця, до яких притиснуті ковзні контакти щітки, проводиться електричний струм. Електромагніт створює магнітне поле, яке обертається з кутовою швидкістю обертання ротора та збуджує в обмотці статора ЕРС індукції.
Щоб ротор обертався і створював магнітне поле, яке викликає у статорі ЕРС індукції, йому необхідно надавати енергію
Трансформаторомназивається статичний електромагнітний прилад, що перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги без зміни частоти.
Найпростіший трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обомоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження.
Дія| трансформатора засновано на явищі взаємній індукції. Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу|сіть| джерела змінного струму|току|, то по ній протікатиме змінний струм|тік|, який створить в сердечнику|осерді| трансформатора змінний магнітний потік. Цей магнітний потік, пронизуючи витки вторинної|повторної| обмотки, індукуватиме в ній електрорушійну силу (ЭДС|). Якщо вторинну|повторну| обмотку замкнути на який-небудь приймач енергії, то під дією індукованою ЕДС по цій обмотці і через приймач енергії почне|зачинатиме| протікати струм|тік|.
Одночасно в первинній обмотці також з'явиться|появлятиметься| струм|тік| навантаження. Таким чином, електрична енергія, трансформуючись, передається з|із| первинної мережі|сіті| у вторинну|повторну| при напрузі|напруженні|, на яку розрахований приймач енергії, включений у вторинну|повторну| мережу|сіть|.
Зазвичай|звично| напруга|напруження| первинної і вторинної|повторної| обмоток неоднакова.
Типа|тип| трансформатора визначає коефіцієнт трансформації:
E1, U1, n1, I1 – енергія, напруга, кількість витків та сила струму первинної обмотки
трансформатора.
E2, U2, n2, I2 – енергія, напруга, кількість витків та сила струму вторинної обмотки
трансформатора.
Якщо до k< 1 – трансформатор підвищує;
до k> 1 – трансформатор знижує.
Споживачі електроенергії існують всюди. Виробляється ж вона в порівняно деяких місцях, близьких до джерел паливних і гідроресурсів. Тому виникає необхідність передачі електроенергії на відстані, що досягають іноді сотень кілометрів.
Але передача електроенергії на великі відстані зв'язана з помітними втратами. Справа в тому, що, проходячи по лініях електропередачі, струм нагріває їх. Відповідно до закону Джоуля — Ленца, енергія, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою
Q=I2Rt
де R — опір лінії.
При великій довжині лінії передача енергії може стати взагалі економічно невигідною.
Для зменшення втрат можна, звичайно, йти по шляху зменшення опору R лінії за допомогою збільшення площі поперечного перерізу проводів. Але для зменшення R, приміром, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощів закріплення важких проводів на високих щоглах і т.п.
Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділився в провідниках, у 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від сторазового обваження проводу.
Тому що потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то для збереження переданої потужності потрібно підвищити напруга в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу. Так, наприклад, у високовольтній лінії передачі Волзька ГЕС — Москва використовують напругу в 500 кв. Тим часом генератори перемінного струму будують на напруги, що не перевищують 16—20 кв., тому що більш висока напруга зажадала би прийняття більш складних спеціальних мір для ізоляції обмоток і інших частин генераторів.
Тому на великих електростанціях ставлять підвищувальні трансформатори. Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж раз, у скільки зменшує силу струму. Втрати потужності при цьому невеликі.
Для безпосереднього використання електроенергії в двигунах електропривода верстатів, в освітлювальній мережі і для інших цілей напруга на кінцях лінії потрібно понизити. Це досягається за допомогою понижуючих трансформаторів. Причому звичайне зниження напруги і відповідно збільшення сили струму відбувається в кілька етапів. На кожнім етапі напруга стає усе менше, а територія, охоплювана електричною мережею, - усе ширше.