Переменный ток

Переменный ток. Генерирование переменного тока.
Процессы, возникающие в электрических цепях под действием внешнего периодического
источника тока, называются вынужденными колебаниями.
Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях,
являются незатухающими. Внешний источник периодического воздействия обеспечивает
приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие
неизбежных потерь.
Электрические цепи, в которых происходят установившиеся вынужденные колебания под
действием периодического источника тока, называются цепями переменного тока.
Электрический ток, который через равные промежутки времени изменяется по
величине и направлению, называется переменным электрическим током.
Почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока.
Широкое применение переменного тока объясняется простотой преобразования его
напряжения. Это важно для передачи электрической энергии высокого напряжения на
большие расстояния.
Для получения переменного тока используют генераторы переменного тока.
Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в
электрическую энергию.
В современной технике применяются почти исключительно индукционные генераторы
электрического тока, т. е. машины, в которых э. д. с. возникает в результате процесса
электромагнитной индукции. Поэтому слово «индукционный» обычно опускают и говорят
просто об электрических генераторах, имея в виду именно эти индукционные генераторы.
В современной технике применяются почти исключительно индукционные генераторы, т.
е. машины, в которых э. д. с. возникает в результате процесса электромагнитной
индукции. Основная схема устройства такого генератора, на которой видны все
принципиально важные его детали, показана на рис. 2.23.1
Рисунок 2.23.1
Модель индукционного генератора
Между полюсами сильного магнита 1, т. е. в магнитном поле, вращается проволочная
рамка 2, концы которой припаяны к кольцам 3 и 4, вращающимся вместе с рамкой; к этим
кольцам прижимаются пружинящие пластинки 5 и 6 (так называемые щетки), от которых
идут провода к внешней цепи. При вращении рамки в магнитном поле
пронизывающий ее магнитный поток все время изменяется и, следовательно, в рамке
возникает индуцированная э. д. с. Таким образом, процесс, происходящий во всех
промышленных генераторах тока, это — повторение в гигантских масштабах основного
индукционного опыта Фарадея.
Конечно, современные технические генераторы, строящиеся часто на огромные мощности
(до 200—400 тысяч киловатт в одной машине), несравненно сложнее, чем наша модель.
Такая машина со всеми дополнительными устройствами для контроля и регулирования ее
работы, защиты ее от аварий, распределения тока между потребителями и т. д.
представляет собой очень сложное техническое сооружение (рис2.23.2).
Рисунок 2.23.2
Мощный индукционный генератор.
Однако все основные части ее, принципиально необходимые для работы любого
генератора, как бы сложен он ни был, можно выделить и на нашей простой модели.
Такими частями являются: а) индуктор — магнит или электромагнит, создающий
магнитное поле; б) якорь — обмотка, в которой при изменении магнитного потока
возникает индуцированная э. д. с; в) контактные кольца и скользящие по ним контактные
пластинки (щетки), при помощи которых снимается или подводится ток к вращающейся
части генератора. Вращающаяся часть называется ротором генератора, а неподвижная
часть его — статором. В нашей модели э. д. с. индукции возникала при вращении якоря в
поле индуктора, т. е. якорь был ротором, а индуктор — статором. Но, конечно, можно,
наоборот, вращать индуктор, а якорь оставлять неподвижным. Таким образом, как ротор,
так и статор могут выполнять роль индуктора или роль якоря. И в том и в другом случае
ротор должен быть снабжен контактными кольцами и щетками, осуществляющими
непрерывный контакт во время его вращения. Ясно, однако, что удобнее проводить через
такие скользящие контакты сравнительно небольшой ток, необходимый для
намагничивания индуктора. Ток же, генерируемый в якоре большого генератора,
достигает огромной силы, и этот ток удобнее снимать с неподвижных катушек, не
требующих скользящих контактов. Поэтому в мощных генераторах предпочитают в
качестве якоря использовать статор, а в качестве индуктора — ротор.
Для того чтобы получать большие магнитные потоки через обмотки якоря, а
следовательно, и большие изменения этих потоков, якорь снабжают железным
сердечником, концы которого имеют такую форму, чтобы между полюсами магнита и
сердечником оставался лишь небольшой зазор, необходимый для вращения. В качестве
индуктора, создающего магнитное поле, в технических генераторах почти всегда
применяют электромагниты (рис. 2.23.3.).
Рисунок 2.23.3
Катушка, намотанная на железный сердечник, вращается в поле электромагнита.
Магнитный поток через катушку: о) велик; б) мал. При вращении катушки магнитный
поток изменяется и в ней индуцируется переменный ток.
Лишь в очень редких случаях, при конструировании генераторов малой мощности,
применяют в качестве индукторов постоянные магниты. Это делается, например, в
небольших генераторах и в некоторых типах современных генераторов.
На рис. 2.23.4 показана схема вид генератора переменного тока с вращающимся
индуктором и неподвижным якорем.
Рисунок 2.23.4
Схема устройства генератора: 1 — неподвижный якорь, 2 — вращающийся индуктор, 3
— контактные кольца, 4 — скользящие по ним щетки.
Ротор представляет собой цилиндр с выступами, на которые надеты катушки. Обмотки на
этих катушках, по которым проходит постоянный ток, создающий магнитное поле,
соединены так, что на отдельных выступах поочередно северные и южные полюсы
электромагнитов. Число пар этих полюсов обычно довольно велико: 4, 6, 8, ...
Рассмотрим теперь подробнее, какова будет возникающая в рамке индуцированная э. д. с.
Для простоты будем считать магнитное поле, в котором вращается рамка, однородным.
Магнитный поток через рамку Ф есть произведение магнитной индукции поля на
площадь рамки и на синус угла φ между плоскостью рамки и направлением поля:
Φ = В S sin φ.
Если рамка вращается равномерно и совершает полный оборот за время Т, то за единицу
времени рамка поворачивается на угол 2p/T Поэтому, если время отсчитывать от того
момента, когда рамка стояла параллельно линиям поля, то значение угла φ в некоторый
момент времени t будет равно φ = (2p/T)t. Обозначая частоту вращения рамки, т. е.
число ее оборотов в единицу времени, буквой n, а угловую скорость буквой ω, можно
написать:
ν = 1/T ω = 2 π ν = 2 π ν / T
Следовательно:
φ = ω t..
Подставив это выражение в формулу для магнитного потока, мы увидим, что закон его
изменения с течением времени имеет вид:
Φ = В S sin ω t..
Э.д.с. индукции:
ε = - ΔΦ / Δt = - B S ω cos ω t = Em cos ω t/ =Em (sin ω t + φ).
По такому же закону синусоиды изменяется и мгновенное значение напряжения u на
зажимах машины или между двумя любыми точками сети:
u = Um sin ω t.
Закон изменения мгновенного значения силы тока со временем выражается формулой:
i = I m sin ω t.