Какое явление лежит в основе действия генератора

17

Какое явление лежит в основе действия генераторов?

1 — Намагничивание 2 — Электролиз 3 — Электромагнитная индукция 4 — Резонанс помогите плиз!

Кто открыл явление электромагнитной индукции?

Кто открыл явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции?

Явление электромагнитной индукции.

Какое явление лежит в основе создания искусственных магнитов?

Какое явление лежит в основе создания искусственных магнитов?

Принцип действия электрических генераторов основан на явлении?

Принцип действия электрических генераторов основан на явлении.

А)электромагнитной индукции б)действия силы Ампера в)самоиндукции г)электризации.

Какое физическое явление лежит в основе засола огурцов?

Какое физическое явление лежит в основе засола огурцов.

Какое физическое явление лежит в основе дыхания амебы?

Какое физическое явление лежит в основе дыхания амебы.

В чем суть явления электромагнитной индукции?

В чем суть явления электромагнитной индукции?

Какое физическое явление лежит в основе работы счетчика Гейгера?

Какое физическое явление лежит в основе работы счетчика Гейгера?

Физика, профильный, 10кл, явления электромагнитной индукции?

Физика, профильный, 10кл, явления электромагнитной индукции.

Завтра экзамен, помогите пожалуйста?

Завтра экзамен, помогите пожалуйста!

Чем объясняется отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током явлением электромагнитной индукции или действием силы ампера.

На этой странице находится ответ на вопрос Какое явление лежит в основе действия генераторов?, из категории Физика, соответствующий программе для 5 — 9 классов. Чтобы посмотреть другие ответы воспользуйтесь «умным поиском»: с помощью ключевых слов подберите похожие вопросы и ответы в категории Физика. Ответ, полностью соответствующий критериям вашего поиска, можно найти с помощью простого интерфейса: нажмите кнопку вверху страницы и сформулируйте вопрос иначе. Обратите внимание на варианты ответов других пользователей, которые можно не только просмотреть, но и прокомментировать.

На 74 градусов. Наверное так.

Площадь верхнего основания конуса не имеет никакого значения. Со стороны нижнего основания на стол действует сила mg, распределённая по площади Sa Единственно, надо площадь перевести в квадратные метры Sa = 4 см² = 4 / 10000 м² = 0, 0004 м² P = mg /..

Поскольку за ПЕРИОД грузик пройдет расстояние, равное четырем амплитудам : L₀ = 4 * 3 = 12 см или 0, 12 м то число колебаний : n = L / L₀ = 0, 36 / 0, 12 = 3 Ответ : 3 колебания.

Q = λ * m = 4 * 330000 = 1320000Дж или 1320 кДж.

Решение Q = m * λ Отсюда находим массу m = Q / λ = 0, 1 кг 100 грамм свинца.

V = 72 км / ч = 20 м / с ; = V² / R = 20² / 500 = 0, 8 м / с² ; N = m(g — ) = 500×(10 — 0, 8) = 4600 Н (4500, если брать g за 9. 8 м / с²).

Правильный ответ это б.

0, 3 * m1 = N * 0, 2 0, 1 * N = 0, 3 * M m1 = 2M M = 1, 2 кг.

Потому что перемещение , cкорость, ускорение — величины векторные и работать с векторами труднее чем с проекциями.

Ответ : Объяснение : Дано : S₁ = S / 4V₁ = 72 км / чS₂ = 3·S / 4V₂ = 15 м / с____________Vcp — ? Весь путь равен S. Время на первой четверти пути : t₁ = S₁ / V₁ = S / (72·4) = S / 288 чВремя на остальной части пути : t₂ = S₂ / V₂ = 3·S / (15·4) = 3..

Какое явление лежит в основе действия генератора

На каком явлении основано действие генератора переменного тока?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Принцип работы генератора переменного тока

Переменный ток — основа электрического питания потребителей. Именно этот ток доставляется потребителю по разветвленной системе воздушных и кабельных линий, в промежутках занижаемый трансформаторами.

Переменный ток образуется за счет работы мощных генераторов на электростанциях. Статья подробно раскроет тему, что такое генератор переменного тока, опишет разновидности этих устройств, на каком принципе основана его работа и сферы применения.

Начало

Простейший и самый первый генератор переменного тока был разработан физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и получил название «Диск Фарадея». Конструкция первого генератора переменного тока была очень простой. Она включала такие элементы:

1. Два разно полярных магнита «N» и «S».
2. Рамку из медной проволоки со сторонами A, B, C, D.
3. Оси вращения N и N1.

Принцип действия генератора переменного тока Фарадея заключался в том, что при вращении рамки, вырабатывался ток со слабым напряжением. Происходит это следующим образом:

1. Рамка из проволоки осуществляет вращение внутри постоянного магнитного поля по оси N и N 1.
2. При изменении положения рамки из вертикального в горизонтальное, возникает эффект разреза магнитного поля.
3. В такие моменты возникает электродвижущая сила (ЭДС).
4. При прохождении одного полуоборота ЭДС имеет положительный потенциал. Ток протекает от точки А к точке B.
5. При возврате в вертикальное положение ЭДС меняет направление из точки C в точку D, а значит меняется и потенциал тока.

Все генераторы переменного тока используют вращающееся магнитное поле. При изменении положения медной рамки существует также момент полной потери напряжения. Он возникает при медленном вращении, например, без двигателя. При быстром вращении, величина напряжения остается неизменной.

Назначение и устройство

Современные генераторы переменного тока работают по тому же принципу, но в качестве движущей силы используют различные механизмы. Основное назначение генератора переменного тока — это преобразование какого-либо типа энергии в электрический ток. В качестве источника энергии может быть:

1. Мощный поток воды. Такие устройства используются на ГЭС. Генератор приводится в действие за счет протекания воды по узкому каналу и вращения турбины. Вращающиеся лопасти турбины раскручивают вал генератора, тем самым преобразуя механическую энергию в электричество.
2. Сжигание газа. Характерно для ТЭС.
3. Использование силы ветра. Такие генераторы устанавливают в наиболее ветряных районах. Главный недостаток в полном отключении в безветренную погоду.
4. Использование атомной энергии.
5. Применение дизельных или бензиновых двигателей для вращения стационарных или автомобильных генераторов.

Генератор или альтернатор переменного тока состоит из следующих частей:

1. Статор. Является неподвижной частью устройства. Изготавливается из стальных листов, которые обеспечивают устойчивость к нагрузкам. В статоре прорезаны длинные пазы, в которых содержится проволочная обмотка. Данная обмотка отводит сгенерированный ток.
2. Ротор. Является подвижной частью. Устанавливается непосредственно по центру статора. Для точной центровки устанавливается на подшипники, которые вмонтированы в переднюю и заднюю крышки корпуса. Сам ротор является электромагнитом. На нем также есть пазы и уложенная в них обмотка. Она необходима для возбуждения статора и генерации электромагнитного поля.
3. Якорь. На нем смонтирован ротор с обмоткой. Он нужен для передачи крутящего момента от двигателя или турбины.
4. Коллектор. Коллектор состоит из нескольких изолированных пластин, который представляют собой 2 основных полукольца. Каждое соединяется с обмоткой ротора. Одна половина с полюсом «+», другая с минусовым полюсом. Коллектор электрогенератора необходим для выпрямления и перенаправления переменного тока.
5. Угольные щетки. На некоторых моделях их заменяют контактными пластинами. Через угольные щетки осуществляется подача постоянного тока от аккумулятора, который используется для предварительного возбуждения обмотки ротора.

Это самые основные части, из которых состоит простейший альтернатор. Мы рассмотрели устройство и принцип действия современного генератора переменного тока.

Генераторы такого типа могут быть синхронными и асинхронными. Оба устройства практически идентичны. Разница между ними заключается в следующем. Синхронные и асинхронные модели отличаются наличием обмотки на роторе (синхронный) или ее отсутствием (асинхронный). Также различия заключаются в принципе возбуждения, схемы подключения.

Разновидности

Внутреннее устройство генератора переменного тока зависит от его типа. Электромашины делятся на 2 основных типа:

1. Синхронные.
2. Асинхронные.

Также существует классификация по:

1. Способу возбуждения.
2. Количеству фаз.
3. По типу ротора и статора.

Далее будет дано подробное описание всех классификаций.

Синхронные

Альтернатор синхронного типа имеет главную особенность, по которой его можно определить с первого взгляда. На его роторе имеется обмоточный провод. Он необходим для стабилизации частоты между статором и ротором. ЭДС в таком устройстве создается за счет пересечения магнитного полюса ротора и обмотки статора.

Альтернатор синхронного типа оснащается роторами с несколькими полюсами, число которых всегда кратно 2, например, 2, 4, 6, 8. Работает генератор переменного тока по следующему принципу:

1. После запуска ротором создается очень слабое магнитное поле. Величина ЭДС увеличивается по мере увеличения оборотов вала. Для первоначального возбуждения используется постоянное напряжение от аккумулятора или блока управления.
2. Если генератор работает от двигателя внутреннего сгорания, сначала необходимо стабилизировать обороты для получения стабильного переменного напряжения.
3. После установки необходимых оборотов, происходит стабилизация напряжения блоком автоматической регулировки (AVR). Обороты двигателя очень сильно влияют на частоту переменного напряжения на выходе и его мощность. Оптимальной считается частота вращения до 3000 оборотов. AVR стабилизирует напряжение под этот параметр, и при сбое значительно снижает напряжение. В противном случае электрические насосы могут быстро потерять мощность и перегреться.

Работа такого генератора сильно зависит от типа нагрузки. Нагрузка индукционного типа сильно влияет на размагничивание якоря. Этот эффект приводит к большой потере напряжения.

При емкостных нагрузках якорь наоборот намагничивается, что значительно увеличивает выходное напряжение. Схема генератора переменного тока синхронного типа представлена ниже.

Синхронный альтернатор имеет одно большое преимущество. Его выходное напряжение намного выше (в 3–4 раза) номинальных значений. Увеличение необходимо, если устройство питает электрические насосы, приборы и устройства, которым нужен стартовый ток. Такие устройства сильно увеличивают реактивные нагрузки на общую сеть, с которыми справляется синхронный генератор.

Недостатки у такого генератора также есть. Первый заключается в высокой чувствительности к перегрузке в цепи. Реакцией на нагрузку является краткий, но достаточно мощный ток на обмотке ротора, который появляется из-за увеличения тока самим блоком регулировки. В результате обмотка выгорает или происходит ее нагрев.

Вторым минусом является искрение. У простейшего генератора синхронного типа на роторе установлены контактные кольца с щетками. Они небезопасны при эксплуатации на промышленных предприятиях, в условии наличия легко воспламеняемых газов или жидкостей. Для таких случаев используются трех машинные генераторы синхронного типа. Устройство и принцип работы генератора переменного тока такого типа сильно отличается. Этот генератор состоит из:

1. Пред возбудителя.
2. Возбудителя.
3. Самого генератора.

Все эти элементы установлены на общий вал. Работа осуществляется следующим образом:

1. Постоянные магниты, установленные на валу, возбуждают обмотку синхронного генератора пред возбудителя. Для такого генератора не требуется наличие аккумулятора или дополнительного генератора для возбуждения. Его работа строится на явлении магнитной индукции, которое возникает при вращении постоянного магнита.
2. Напряжение, которое он сгенерировал, перенаправляется к возбудителю, а точнее на обмотку его статора.
3. Обмотка ротора соединена с трехфазным выпрямителем напряжения.
4. На них действует возбуждение от статора возбудителя.

В конечном итоге генератор выдает номинальное требуемое напряжение, которое регулируется блоком AVR. Вся работа такого устройства производится в одном корпусе, который полностью герметичен.

Асинхронный

Асинхронный генератор переменного тока имеет иное устройство. Его ротор не имеет обмотки. По этой причине принцип его работы сильно отличается. Во время вращения, ротор такого генератора опережает обороты магнитных полей, которые создаются статором. Роторы этих устройств имеют 2 типа обмотки: короткозамкнутую и фазную. Принцип работы асинхронных электрогенераторов следующий:

1. На вспомогательной обмотке статором создается магнитное поле.
2. После чего поле передается ротору и формирует ЭДС на обмотке статора.
3. Выработанное напряжение поступает на блок управления.

Главное отличие заключается в невозможности регулировки напряжения при установленном числе оборотов. Асинхронные генераторы сильно зависимы от приводных двигателей. Любая потеря стабильности приводит к понижению напряжения и частоты тока.

Преимуществом подобных устройств является низкая чувствительность к возникновению коротких замыканий. Применение — питание бытовых приборов, сварочного оборудования и электрических насосов. При наличии реактивной нагрузки, AVR должен увеличить обороты приводного двигателя на короткий срок. При этом включенный в цепь понижающий трансформатор защищает остальные устройства от перенапряжения.

Самые распространенные и универсальные типы генераторов переменного тока имеют 3 независимые обмотки. Такие устройства являются трехфазными. Их принцип работы следующий:

1. По окружности силовой части статора генератора располагаются 3 обмотки. Они имеют смещение 120 градусов.
2. Вращение ротора возбуждает в этих обмотках ЭДС переменного потенциала.
3. ЭДС имеют сдвиг по такту на 1 треть.

Каждая обмотка такого устройства — это независимый однофазный генератор переменного тока, который способен питать бытовую сеть.

Для снижения числа проводников, которые подключены к генератору, используется один общий провод. Он заменяет 3 проводника от приемников. Этот проводник становится нейтралью. Основные особенности трехфазных генераторов следующие:

• Устройство вырабатывает линейное и фазное напряжения.
• При одинаковой нагрузке на каждой фазе по нейтральному проводу не протекает электрическая энергия.
• При разнице нагрузок нейтраль становится проводником тока.
• Если генератором вырабатывается высокое напряжение (больше 380 вольт), к его выходу легко подключается понижающий трансформатор для передачи электрического тока бытовым и промышленным сетям.

Общая схема трехфазного генератора представлена ниже.

Трехфазные генераторы могут использоваться для бытовых нужд. Но подключение стоит проводить между несколькими потребителями или помещениями. Для единоличного потребления подходит однофазная модель синхронного типа. Главное подобрать модель подходящей мощности с небольшим запасом.

Возбуждение

По способу возбуждения, генераторы делятся на 4 основных типа. Они бывают следующими:

1. Возбуждение от постороннего источника. Часто этим источником является аккумулятор или генератор постоянного тока.
2. Устройства с самостоятельным возбуждением. Напряжение на обмотку подается через выпрямитель. Такие виды генераторов постоянного тока имеют старт от аккумулятора, который соединен параллельно со стартером двигателя внутреннего сгорания. Также питание может производиться от блока управления, который подключен к аккумулятору, но значительно увеличивает силу тока для стартового возбуждения.
3. Параллельный генератор. Или устройством, состоящим из двух генераторов разной мощности, которые закреплены на одном валу. Маломощное устройство стартует от аккумулятора, а выработанное напряжение перенаправляет на более мощный альтернатор. Оба устройства работают от одного приводного двигателя.
4. Без возбуждения. Переменный ток вырабатывает генератор переменного тока за счет вращения постоянного магнита. Достаточно просто завести тяговый двигатель и возбуждение появляется за счет магнита. Такие устройства наиболее эффективные. Не зависят от наличия аккумулятора. Могут быть использованы в качестве передвижных станций. Например, трех машинный генератор переменного тока используют этот принцип работы.

Генераторы переменного тока могут иметь схожее устройство. Часто промышленные и бытовые модели различаются только размером и компоновкой. Но есть отличие по принципу возбуждения и количеству фаз. Также существует классификация по схеме подключения внутренней обмотки.

Схемы подключения

Существуют две основные схемы подключения внутренней обмотки. Каждая со своими особенностями.

1. Звезда. Данное подключение подразумевает соединение 3 выходов обмоток в единую точку. Эта точка называется «нуль». Проводники, подключенные к каждому началу обмотки, являются линейными и поставляют ток непосредственно потребителю. Четвертый проводник считается нулем. Такое подключение очень сильно повышает устойчивость сети к сдвигу фаз, во время возникновения разности несимметричных нагрузок.
2. Треугольник. Схема треугольник отличается от звезды. Она предполагает последовательный контакт всех обмоток. Первая обмотка соединяется своим концом с началом второй, а конец второй с началом третьей. Конец третьей и начало первой обмотки соединяют между собой. От каждой точки соединения отводятся линейные проводники. Такая схема подразумевает баланс между фазным и линейным напряжениями. Данная схема очень восприимчива к разности нагрузок на каждой фазе. При появлении разности требуется составление векторной диаграммы и пересчет всех параметров.

Каждая схема подключения также предполагает одинаковое сечение проводов. В случае возникновения большой нагрузки на одной фазе, ее провод может выгореть, что приведет к появлению несимметричности цепи, а по нейтрали, в этом случае, потечет ток.

Инвертор

Инверторный генератор переменного тока представляет собой современный и универсальный блок, который может использоваться для бытовых и промышленных нужд. Состоит устройство из следующих частей:

1. ДВС на бензиновом или дизельном топливе.
2. Простого генератора, вырабатывающего переменный ток.
3. Инверторного преобразователя.
4. Специальных разъемов для подключения нагрузки.
5. Управляющей части.

Особенность таких устройств — это стабильная выдача напряжения, возможность подключения к переменному и постоянному току через отдельные гнезда. Рассмотрим, как работает этот тип генератора.

1. ДВС приводит в движение вал синхронного генератора.
2. Выработанное переменное напряжение поступает на выпрямитель, в который включен трансформатор, диодный мост и радиатор для охлаждения.
3. После выпрямителя, представляющего собой блок преобразователь, ток приобретает напряжение пульсирующего типа частотой до 20000 Гц.
4. Пульсирующий ток направляется в фильтр и пропускается через конденсатор. В итоге ток выравнивается и становится постоянным с напряжением 12–20 вольт (зависит от типа устройства).
5. Постоянный ток передается на инвертор, который преобразует его в переменный ток с рабочей частотой 50 Гц.

На выходе разъема получается ток частотой 50 Гц, напряжением 220 вольт. Инверторные модели генераторов обладают существенным преимуществом. Оно заключается в следующих нюансах конструкции:

1. Выходной переменный ток с идеальной синусоидой. Это обеспечивает бесперебойную работу чувствительного оборудования.
2. Фильтр устройства собран на высоковольтных конденсаторах, способных пропускать через себя напряжение до 400 вольт.
3. Синусоида формируется за счет транзисторного ключа. Ключ многократно преобразует синусоиду за счет парной работы транзисторов.
4. Прибор способен работать в режиме перегрузки всего несколько секунд. При увеличении нагрузки, срабатывает защита и отключает генератор без остановки ДВС.

На данный момент различаются 3 основных типа инверторных генераторов:

1. Прямоугольные. Используются для питания 1–3 электрических приборов малой мощности.
2. Трапецеидальные. Более мощные. Применение — ими можно питать бытовые приборы, но в цепи не должно быть устройств с высоким сопротивлением (чайники, плиты, печи).
3. Синусоидальные. Самые мощные устройства со стабильным напряжением. Можно использовать для питания сложной и чувствительной техники, бытовых приборов.

Инверторные генераторы переменного тока компактные, установить и использовать их довольно просто. В бытовую сеть могут быть подключены через обычный рубильник, с предварительно отсоединенной основной сетью.

Заключение

Статья дала подробное описание всех разновидностей генераторов переменного тока. В данном устройстве используется простой принцип выработки электрического тока за счет образования ЭДС. Генераторы имеют простое устройство, способны обеспечивать бесперебойным электричеством как бытовые, так и промышленные сети.

Тест 9 класс Генератор переменного тока. Трансформаторы
тест по физике (9 класс)

Вопрос № 1
Какое явление лежит в основе действия генератора переменного тока?

Интерференция
Намагничивание
Электролиз
Электромагнитная индукция

Вопрос № 2
Как называется неподвижная часть генератора?

Ротор
Статор
Генератор
Трансформатор

Вопрос № 3
Напряжения на концах первичной и вторичной обмоток ненагруженного трансформатора равны U1 = 220 В и U2 = 20 В. Каково отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной?

Вопрос № 4
Стандартная частота переменного тока в России равна

75 Гц
60 Гц
125 Гц
50 Гц

Вопрос № 5
Повышающий трансформатор на электростанциях используется для

Трансформатор вообще не используется на электростанциях
увеличения силы тока в ЛЭП
уменьшения потерь энергии в ЛЭП
увеличения частоты передаваемого напряжения

Вопрос № 6
Где происходит промышленное получение переменного тока?

На заводах
В квартирах
На электростанциях
На фабриках

Вопрос № 7
Определите период переменного тока в России.

0,04 с
0,017 с
0,02 с
1 с

Вопрос № 8
Какие изменения энергий происходят в генераторе переменного тока?

Механическая энергия ротора и магнитная статора в электрическую энергию
магнитной энергии статора в электрическую
Электрической энергии тока и механической энергии ротора в магнитную энергию
Механической и магнитной энергии ротора в электрическую

Вопрос № 9
в электрических сетях нашей страны используется

постоянныцй
переменный
постоянно-переменный
пременно-постоянный

Вопрос № 1
Какое явление лежит в основе действия генератора переменного тока?

Интерференция
Намагничивание
Электролиз
Электромагнитная индукция

Вопрос № 2
Как называется неподвижная часть генератора?

Ротор
Статор
Генератор
Трансформатор

Вопрос № 3
Напряжения на концах первичной и вторичной обмоток ненагруженного трансформатора равны U1 = 220 В и U2 = 20 В. Каково отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной?

Коэффициент трансформации даёт нам возможность установить следующее соотношение:
где U1, U2 — напряжения, а N1, N2 — число витков на каждой из соотвественных обмоток. 220/20=11

Вопрос № 4
Стандартная частота переменного тока в России равна

75 Гц
60 Гц
125 Гц
50 Гц

Вопрос № 5
Повышающий трансформатор на электростанциях используется для

Трансформатор вообще не используется на электростанциях
увеличения силы тока в ЛЭП
уменьшения потерь энергии в ЛЭП
увеличения частоты передаваемого напряжения

Вопрос № 6
Где происходит промышленное получение переменного тока?

На заводах
В квартирах
На электростанциях Его дальнейшее преобразование происходит на трансформаторных подстанциях
На фабриках

Вопрос № 7
Определите период переменного тока в России.

0,04 с
0,017 с
0,02 с период Т = 1/50гц = 0,02 сек
1 с

Вопрос № 8
Какие изменения энергий происходят в генераторе переменного тока?

Механическая энергия ротора и магнитная статора в электрическую энергию
магнитной энергии статора в электрическую
Электрической энергии тока и механической энергии ротора в магнитную энергию
Механической и магнитной энергии ротора в электрическую

Вопрос № 9
в электрических сетях нашей страны используется

постоянныцй
переменный
постоянно-переменный
пременно-постоянный

Какое явление лежит в основе действия генератора

Особенностью устройства является равенство между частотой f, наведённой в статоре ЭДС и частотой оборотов ротора ω:

где p – количество пар полюсов в обмотке статора.

Синхронный генератор создаёт в обмотке статора ЭДС, мгновенное значение которой определяется из выражения:

e = 2πBmax lwDn sin ωt,

где l и D – длина и внутренний диаметр сердечника статора.

Синхронный генератор вырабатывает напряжение с синусоидальной характеристикой. При подключении к его выводам С1, С2, С3 потребителей, через цепь протекает одно-, или трёхфазный ток, схема ниже.

Схема трехфазного синхронного генератора

От действия изменяющейся электрической нагрузки также изменяется механическая нагрузка. При этом увеличивается или снижается скорость вращения, в результате чего меняются напряжение и частота. Чтобы такое изменение не происходило, электрические характеристики автоматически поддерживают на заданном уровне через обратные связи по напряжению и току на роторной обмотке. Если ротор генератора выполнен из постоянного магнита, он имеет ограниченные возможности стабилизации электрических параметров.

Ротор принудительно приводится во вращение. На его обмотку подаётся индукционный ток. В статоре магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, индуцирует 3 переменные ЭДС со сдвигом по фазе.

Основной магнитный поток генератора создаётся от действия постоянного тока, проходящего через обмотку ротора. Питание может поступать от другого источника. Также распространён способ самовозбуждения, когда незначительная часть переменного тока забирается от обмотки статора и проходит через обмотку ротора после предварительного выпрямления. Процесс основан на остаточном магнетизме, которого достаточно для запуска генератора.

Основные устройства, вырабатывающие почти всю электроэнергию в мире – это синхронные гидро-, или турбогенераторы.

§ 37. Генерирование электрической энергии

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д. Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи1, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможно сти создания принципиально новых типов генераторов. Например, разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.

Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.

Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока

. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток (см. § 31).

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращают вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором

. Неподвижный сердечник с обмоткой называют
статором
. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращают проволочную рамку, которая является ротором (но без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами

, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины —
щетки
— прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. 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. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Вопросы к параграфу

1. Какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с постоянным?

2. На каком принципе основана работа генераторов переменного тока?

Асинхронный генератор

Устройство генератора переменного тока асинхронного типа отличается разницей частоты вращения ЭДС ω и ротора ωr. Она выражается через коэффициент, называемый скольжением:

Генератор постоянного тока

В рабочем режиме магнитное поле тормозит вращение якоря и его частота ниже.

Асинхронный двигатель может работать в генераторном режиме, если ωr >ω, когда ток меняет направление и энергия отдаётся обратно в сеть. Здесь электромагнитный момент становится тормозящим. Применение этого свойства распространено при опусканиях грузов или на электротранспорте.

Асинхронный генератор выбирают, когда требования к электрическим параметрам не очень высокие. При наличии пусковых перегрузок предпочтительней будет синхронный генератор.

Электромагнитная индукция

Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи возможно только при условии воздействия на проводник в замкнутой цепи переменного/изменяющего магнитного поля. Такие изменения магнитного потока можно представить изменением числа магнитных линий, которые пронизывают контур с током (например катушку). Самый простой случай возникновения электромагнитной индукции в проводнике — это физическое движение/перемещение магнита относительно замкнутого проводника, в котором регистрируется электрический ток во время такого движения магнита. Если рассматривать явление электромагнитной индукции тока на примере классической катушки с намотанным на неё проводником, то полученный таким образом индукционный ток в следствие движения магнита внутри катушки будет зависеть от:

• Количества витков катушки
• Скорости изменения магнитного потока
• Свойств и типа (материала) самого магнита

Интересная и важная особенность, сопровождающая явление электромагнитной индукции тока: когда магнит движется в катушке с проводником, то в зависимости от направления движения будет изменяться и направление течения тока в проводнике. Величина выработанного тока в случае электромагнитной индукции зависит от свойств магнитного поля. Поскольку электрический ток появляется в результате действия электрического поля, то в случае электромагнитной индукции происходит процесс образования электрического поля из магнитного с помощью магнитного потока.

Магнитный поток отвечает за количество направленных магнитных линий, проходящих через ограниченную площадь или контур. Величина обозначается символом Sl (1 вебер [Вб]). Величина магнитного потока определяется количеством магнитных линий в нём. Магнитный поток всегда характеризует весь магнит целиком, а не какое-то его отдельное проявление в определённой точке, магнитный поток можно считать энергетическим потенциалом отдельно взятого магнита.

Магнитный поток и впоследствии вырабатываемый в результате электромагнитной индукции ток зависит от некоторых закономерностей:

• Магнитный поток прямо пропорционален интенсивности магнитной индукции. (где Sl — магнитный поток (1 вебер [Вб]), B — магнитная индукция (1 Тесла [Тл]))
• Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, через которую проходят линии магнитной индукции. (где Sl — магнитный поток (1 вебер [Вб]), S — площадь поверхности)
• Воздействие магнитного потока зависит от угла расположения площади поверхности/контура по отношению к источнику магнитного поля.
• Сила полученного в результате электромагнитной индукции тока напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока. (где I — сила тока (1 ампер [А]), Sl — изменяемый магнитный поток (1 вебер [Вб]), t — время изменения магнитного потока (1 секунда (с)))

Автомобильный генератор

Устройство автомобильного генератора ничем не отличается от обычного, вырабатывающего электрический ток. Он вырабатывает переменный ток, который затем выпрямляется.

Как выглядит автомобильный генератор

Конструкция состоит из электромагнитного ротора, вращающегося в двух подшипниках с приводом через шкив. Обмотка у него всего одна, с подачей постоянного тока через 2 медных кольца и графитовые щётки.

Электронное реле-регулятор поддерживает стабильное напряжение 12В, не зависящее от скорости вращения.

Схема автомобильного генератора

Ток от АКБ поступает на обмотку ротора через регулятор напряжения. Момент вращения передаётся ему через шкив и в витках обмотки статора индуктируется ЭДС. Генерируемый трёхфазный ток выпрямляется диодами. Поддерживание постоянного выходного напряжения производится регулятором, управляющим током возбуждения.

Когда двигатель увеличивает обороты, ток возбуждения уменьшается, что способствует поддерживанию постоянного выходного напряжения.

Генерация электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:

· Тепловая электроэнергетика. В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:

· Конденсационные (КЭС, также используется старая аббревиатура ГРЭС);

· Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл, в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает роторэлектрогенератора

— таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;

· Ядерная энергетика. К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе. Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;

· Гидроэнергетика. К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы.

В последнее время исследования показали, что мощность морских течений на много порядков превышает мощность всех рек мира. В связи с этим ведётся создание опытных морских гидроэлектростанций.

· Альтернативная энергетика. К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

· Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;

· Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

· Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

· Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПДсгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах. На самом деле, водород — всего лишь носитель энергии, и никак не снимает проблемы добычи этой энергии.

· Приливная энергетика использует энергию морских приливов. Распространению этого вида электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды на Чёрном море в прилив и отлив минимальны.

· Волновая энергетика при внимательном рассмотрении может оказаться наиболее перспективной. Волны представляют собой сконцентрированную энергию того же солнечного излучения и ветра. Мощность волнения в разных местах может превышать 100 кВт на погонный метр волнового фронта. Волнение есть практически всегда, даже в штиль («мёртвая зыбь»). На Чёрном море средняя мощность волнения примерно 15 кВт/м. Северные моря России — до 100 кВт/м. Использование волн может обеспечить энергией морские и прибрежные поселения. Волны могут приводить в движение суда. Мощность средней качки судна в несколько раз превышает мощность его силовой установки. Но пока волновые электростанции не вышли за рамки единичных опытных образцов.

Классический генератор

Принцип работы генераторов тока в автомобилях

Конструкция содержит двигатель, работающий на жидком топливе, вращающий генератор. Обороты ротора должны быть стабильными, иначе качество выработки электричества снижается. При износе генератора скорость вращения становится ниже, что является существенным недостатком устройства.

Если нагрузка на генератор ниже номинальной, он будет частично работать вхолостую, съедая лишнее топливо.

Поэтому важно при его приобретении сделать точный расчёт требуемой мощности, чтобы он был правильно загружен. Нагрузка ниже 25% запрещается, так как это влияет на его долговечность. В паспортах указаны все возможные режимы работы, которые необходимо соблюдать.

Многие виды классических моделей имеют приемлемые цены, высокую надёжность и большой диапазон мощностей. Важно загружать его как следует и вовремя производить техосмотр. На рисунке ниже представлены модели бензинового и дизельного генераторов.

Классический генератор: а) – бензиновый генератор, б) – дизельный генератор

Дизельный генератор

Генератор приводит в действие двигатель, работающий на дизельном топливе. ДВС состоит из механической части, панели управления, системы подачи топлива, охлаждения и смазки. От мощности ДВС зависит мощность генератора. Если она требуется небольшая, например, на бытовые приборы, целесообразным является применение бензинового генератора. Дизельные генераторы применяются там, где нужна большая мощность.

ДВС применяются в большинстве с верхней установкой клапанов. Они компактней, надёжней, удобны в ремонте, меньше выделяют токсичных отходов.

Генератор предпочитают выбирать с корпусом из металла, поскольку пластик менее долговечный. Устройства без щёток долговечней, а вырабатываемое напряжение более стабильное.

Ёмкость топливного бака обеспечивает работу на одной заправке не более 7 часов. В стационарных установках применяется внешний бак с большим объёмом.

Бензогенератор

В качестве источника механической энергии наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель. Большей частью применяются модели от 1 до 6 кВт. Есть устройства до 10 кВт, способные обеспечить на определённом уровне загородный дом. Цены бензиновых генераторов являются приемлемыми, а ресурс – вполне достаточным, хотя и меньшим, чем у дизельных.

Генератор выбирается в зависимости от нагрузок.

Для больших пусковых токов и при частом применении электросварки лучше использовать синхронный генератор. Если взять асинхронный генератор мощнее, он справится с пусковыми токами. Однако, здесь важно, чтобы он был загружен, иначе бензин будет расходоваться нерационально.

Генератор електричного струму: різновиди

В залежності від виду джерела енергії, необхідного для отримання електрики, всі генератори електроенергії поділяються на дизельні, бензинові, газові і вітрові. У свою чергу, всі вони можуть виробляти або постійний електричний струм, або змінний. Саме на ці критерії більшою мірою потрібно спиратися, відповідаючи на питання, як вибрати електрогенератор?

Електричний бензиновий генератор завдяки своїй невисокій вартості і простий експлуатації отримав найбільш широке поширення. Його конструкція включає в себе бензиновий двигун і генератор електричного струму, сполучені між собою. У цих електрогенераторів витрата бензину в середньому становить від 1 до 2,5 л за годину роботи. Їх недоліком є невеликий добовий ресурс роботи – до 12-ти годин. Бензиновий електрогенератор не підходить для постійного електропостачання, а от в якості тимчасового джерела живлення краще, ніж він, не придумаєш.

Генератор електричний бензиновий фото

Електричний дизельний генератор, в порівнянні з бензиновим, має трохи більший ресурс роботи, та й витрата палива у нього набагато нижче. Він потужніший і здатний забезпечити електроенергією навіть великий будинок. Витрата палива становить приблизно 2-3 л на годину. Всі дизель генератори оснащуються запобіжниками і всілякими захистами. Спочатку його конструкція передбачає тривалу і безперебійну експлуатацію.

Генератор електричний дизельний фото

Газовий побутовий електрогенератор – хороша альтернатива дизельного. Він здатний працювати як від стисненого газу в балонах, так і від газопроводу. Працюючи на зрідженому газі, такий агрегат здатний поглинати палива в 2 рази менше в порівнянні з попередніми своїми «колегами» по цеху, а на газі з магістралі – в 17 разів. Газовий електрогенератор має моторесурс, як мінімум, на 30% перевищує ресурс дизельного і бензинового генераторів разом узятих. Та й термін їх експлуатації набагато довше – це пов’язано безпосередньо з використовуваним паливом.

Вітроелектрогенератори – це взагалі джерело екологічно чистої і практично безкоштовної електроенергії. Однак тут є одне «але» – сучасні вітрогенератори мають великі розміри і високу вартість. Альтернативою можуть служити сонячні батареї. Теж коштують не дешево, але дах, зроблена з сонячних батарей, здатна забезпечити енергією весь будинок і ділянку.

Вітроелектрогенератори для дому фото

Инверторный генератор

Что такое генератор

Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.

Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.

Блок-схема инверторного генератора

Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.

Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:

• прямоугольный – самый дешёвый, способный питать только электроинструменты;
• трапецеидальный импульс – подходит для многих приборов, за исключением чувствительной техники (средняя ценовая категория);
• синусоидальное напряжение – стабильные характеристики, подходящие для всех электроприборов (самая высокая цена).

Достоинства инверторных генераторов:

• небольшие габариты и вес;
• малый расход топлива за счёт регулирования выработки количества электроэнергии, которое требуется потребителям в данный момент;
• возможность кратковременной работы с перегрузкой.

Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.

Инверторная модель выбирается в следующих случаях:

• устройство приобретается только в тех случаях, когда обычный генератор не подходит, поскольку цена на него высокая;
• требуется мощность не более 6 кВт;
• для постоянного использования лучше подходят классические варианты генераторов;
• необходимо частично снабжать электроэнергией бытовые приборы;
• для бытового применения лучше использовать однофазные аппараты.

Генератор переменного тока. Трансформатор

На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.

Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:

индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;

якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;

и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.

Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором

, а неподвижная —
статором
.

Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.

Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?

Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.

Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 1002 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм2. Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.

Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/

Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.

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

Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.

В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.

Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной

, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:

Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.

Если первичная обмотка имеет N

1 витков, а вторичная —
N
2 витков, то в обмотках индуцируются (без учёта потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно электродвижущие силы «ЭДС один» и «ЭДС два»:

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них

Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора

), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:

Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:

Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.

В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор

В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор

Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.

Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора

). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:

Напомним, что здесь cos φ

определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:

Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:

В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).

Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот)

Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?

В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но 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. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.

Типы генераторных установок

Устройство агрегата

Конструкция генераторов имеет сходное строение:

1. Двигатель;
2. Генератор;
3. Корпус.

Отличие модельного ряда состоит: в типе топлива, спецификации, производимой мощности, числе фаз, устройстве двигателя, типе охлаждения, способе запуска и оснащении. Основное различие видов генераторов электрического тока проводят по типу топлива:

Различные виды

Агрегаты на дизельном топливе применяются как источник основного/резервного питания. Эти машины надежны, работоспособны, неприхотливы в эксплуатации. Стоимость топлива сравнительно невысокая, поэтому их приобретают для постоянного обеспечения электричеством загородных домов, поселков, геологических экспедиций. По сравнению с бензиновыми моделями рабочий ресурс мотора дизельных агрегатов выше. Цена на машины высокая, однако затраты окупаются при эксплуатации на постоянной основе. Шумовой эффект от работы мотора можно снизить защитным кожухом.

Смотрим видео, виды и их особенности:

Покупка генератора электрической энергии на бензине оправдана лишь в случаях резервного источника питания. Дорогая цена на бензин исключает постоянное использование данной модели для обеспечения энергией. Как правило, данные агрегаты не обладают высокой производимой мощностью, и ресурс моточасов ограничен сутками. Выбор модели согласуется с маркой используемого бензина и количеством расходуемого топлива. Современные производители выпускают универсальную модель генератора, работающую на двух видах топлива — бензине и газе.

Газовые установки электрического тока — самые ходовые и экономичные. Даже при отсутствии центральной магистрали всегда можно привезти баллонный газ для заправки бака. Отличие газовых моделей от всех прочих — возможность обогрева помещения. Конструкция аппаратов предусмотрена для сбора тепловой энергии при выработке электричества, а также запуска ее в целях отопления и потребления горячей воды. Другим плюсом газовой установки является экологичность из-за отсутствия выхлопов. В этом отношении газовая модель — самая подходящая для бытового использования.

Ветряные и водяные генераторы принадлежат к разряду самых экономичных механизмов по выработке электротока, благодаря отсутствию затрат на топливный ресурс. Выработка тока из энергии ветра и воды завоевывает все большую популярность среди потребителей. Стоят данные механизмы не дорого по сравнению с ценой электрического бензинового генератора, а также их можно сконструировать самостоятельно.

По специфике применения данные установки можно разделить на: бытовые, инверторные и сварочные. Бытовые аппараты предназначены для выработки тока и тепла (газовые), инверторные применяют для питания высокочувствительной техники из-за производства тока высокого качества с постоянной частотой. Сварочные генераторы выполняют две функции: обеспечение бытовой энергией и работу со сварочным аппаратом.

Также различаются генераторы по характеристике фаз производимого тока. Это стоит учесть при покупке машины. Обычно выпускают однофазные или трехфазные генераторы, однако существуют и комбинированные модели с возможностью переключения фаз. Помните, что к однофазному генератору подключать трехфазные потребители нельзя.

Число оборотов мотора генераторов электрического тока характеризует скорость выработки энергии. Высокооборотистые модели выбирают в качестве резервного источника. Они отличаются большим шумом и малым рабочим ресурсом, хотя и стоят недорого. Низкооборотистые машины берут для постоянной работы. Они стоят дороже, но рабочий ресурс у них выше. Также они отличаются меньшим шумовым эффектом, чем машины с высокими оборотами двигателя.

Дизельные агрегаты с жидкостным охлаждением

От типа охлаждения зависит долговечность работы агрегата. Для постоянной выработки энергии приобретают генераторы с жидкостным охлаждением. Для резервного питания подойдут машины с воздушным охлаждением. Соответственно, стоимость генераторов электрической энергии с жидкостным охлаждением — дороже. Для сохранения мотора на длительный срок работы следует учитывать указанное время предельной работы механизма, то есть, заданный рабочий период должен чередоваться с отдыхом механизма.

К оснащению агрегатов можно отнести: защиту от перегрузки, счетчик моточасов, вольтметр, звукоизолирующий кожух, колеса и глушитель для мотора. Все это создано для удобства пользования механизмом.

Тест 9 класс Генератор переменного тока. Трансформаторы
тест по физике (9 класс)

Вопрос № 1
Какое явление лежит в основе действия генератора переменного тока?

Интерференция
Намагничивание
Электролиз
Электромагнитная индукция

Вопрос № 2
Как называется неподвижная часть генератора?

Ротор
Статор
Генератор
Трансформатор

Вопрос № 3
Напряжения на концах первичной и вторичной обмоток ненагруженного трансформатора равны U1 = 220 В и U2 = 20 В. Каково отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной?

Вопрос № 4
Стандартная частота переменного тока в России равна

75 Гц
60 Гц
125 Гц
50 Гц

Вопрос № 5
Повышающий трансформатор на электростанциях используется для

Трансформатор вообще не используется на электростанциях
увеличения силы тока в ЛЭП
уменьшения потерь энергии в ЛЭП
увеличения частоты передаваемого напряжения

Вопрос № 6
Где происходит промышленное получение переменного тока?

На заводах
В квартирах
На электростанциях
На фабриках

Вопрос № 7
Определите период переменного тока в России.

0,04 с
0,017 с
0,02 с
1 с

Вопрос № 8
Какие изменения энергий происходят в генераторе переменного тока?

Механическая энергия ротора и магнитная статора в электрическую энергию
магнитной энергии статора в электрическую
Электрической энергии тока и механической энергии ротора в магнитную энергию
Механической и магнитной энергии ротора в электрическую

Вопрос № 9
в электрических сетях нашей страны используется

постоянныцй
переменный
постоянно-переменный
пременно-постоянный

Вопрос № 1
Какое явление лежит в основе действия генератора переменного тока?

Интерференция
Намагничивание
Электролиз
Электромагнитная индукция

Вопрос № 2
Как называется неподвижная часть генератора?

Ротор
Статор
Генератор
Трансформатор

Вопрос № 3
Напряжения на концах первичной и вторичной обмоток ненагруженного трансформатора равны U1 = 220 В и U2 = 20 В. Каково отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной?

Коэффициент трансформации даёт нам возможность установить следующее соотношение:
где U1, U2 — напряжения, а N1, N2 — число витков на каждой из соотвественных обмоток. 220/20=11

Вопрос № 4
Стандартная частота переменного тока в России равна

75 Гц
60 Гц
125 Гц
50 Гц

Вопрос № 5
Повышающий трансформатор на электростанциях используется для

Трансформатор вообще не используется на электростанциях
увеличения силы тока в ЛЭП
уменьшения потерь энергии в ЛЭП
увеличения частоты передаваемого напряжения

Вопрос № 6
Где происходит промышленное получение переменного тока?

На заводах
В квартирах
На электростанциях Его дальнейшее преобразование происходит на трансформаторных подстанциях
На фабриках

Вопрос № 7
Определите период переменного тока в России.

0,04 с
0,017 с
0,02 с период Т = 1/50гц = 0,02 сек
1 с

Вопрос № 8
Какие изменения энергий происходят в генераторе переменного тока?

Механическая энергия ротора и магнитная статора в электрическую энергию
магнитной энергии статора в электрическую
Электрической энергии тока и механической энергии ротора в магнитную энергию
Механической и магнитной энергии ротора в электрическую

Вопрос № 9
в электрических сетях нашей страны используется

постоянныцй
переменный
постоянно-переменный
пременно-постоянный