Техническое использование переменных токов. Генераторы и электродвигатели

Очень часто уровень промышленного развития оценивают по количеству потребляемых энергоресурсов, в том числе и электроэнергии. Это понятно, так как в среднем, промышленность потребляет около $70\%$ производимой электрической энергии. Большая часть электрической энергии превращается в механическую. Подавляющее большинство механизмов в промышленности приводится в действие электрическими двигателями. Они весьма удобны, малогабаритны, их можно автоматизировать.

Около $\frac{1}{3}\ \ $элетрической энергии, которая используется в промышленности идет на осуществление технологических процессов, таких как плавка, сварка, электронагрев, электролиз и т.д. Промышленность потребляет около $70\%$ производимой электрической энергии.

Существенную часть электроэнергии потребляет транспорт. Так, например, метрополитен использует трехфазный переменный ток, напряжение которого $6$ или $10кВ$, частота $50Гц$. Наземный электрический транспорт (трамваи, троллейбусы, монорельсовый транспорт и т.д.), так же использует переменный ток. Большинство железнодорожных линий использует электрическую тягу.

Генераторы переменного тока

Переменный ток научились получать еще в 30-х годах 19 века, однако широкое распространение он получил значительно позже. Существенным импульсом к развитию генераторов переменного тока стало изобретение Яблочковым электрической свечи. В 1884 г. были созданы первые трансформаторы и генераторы переменного тока, с помощью которых реализованы пробные передачи электроэнергии.

В современной технике применяют в основном индукционные генераторы тока. Это машины, в которых ЭДС появляется как результат процесса электромагнитной индукции. В таком генераторе переменная ЭДС возникает в катушке, которая вращается в магнитном поле. Генератор, конечно, весьма сложное техническое устройство, однако в качестве его основных частей выделим:

1. индуктор -- это магнит или электромагнит, который создает магнитное поле;

2. якорь -- обмотка в ней появляется ЭДС индукции при изменении магнитного потока;

3. контактные кольца и контактные пластинки (щетки), которые скользят по кольцам и с их помощью подводят или снимают электрический ток с вращающейся части генератора.

Часть генератора, которая вращается, называется ротором. Неподвижная часть - статор. Может вращаться как якорь, так и индуктор. Однако в мощных генераторах чаще всего якорь используют как статор, а индуктор как ротор. Так как небольшой ток, который необходим для намагничивания индуктора, удобнее подводить через скользящие контакты, чем снимать через них ток значительной величины, который генерируется в якоре.

Рассмотрим генератор переменного тока, который имеет вращающийся индуктор и стационарный якорь. Ротор может иметь вид цилиндра с выступами, на которые надеты катушки. Обмотки катушек, по которым течет постоянный ток, соединены так, что на отдельных выступах имеются поочередно северные и южные полюсы электромагнитов. Количество пар полюсов: $4,6,8...$ Если бы в индукторе была только одна пара полюсов, то период переменного тока был равен времени полного оборота ротора и для того, чтобы получать ток с частотой $50Гц$ ротор должен вращаться с частотой $50$ оборотов в секунду, что реализовать часто крайне сложно. При увеличении пар полюсов сокращается период тока. Он соответствует времени, которое необходимо для поворота ротора на ту часть окружности, которую занимает одна пара полюсов.

В прочем, ротор может не иметь выступов, а быть гладким цилиндром на внешней поверхности которого, в пазах уложена обмотка. В случае быстрого вращения это бывает выгоднее. Выступы в роторе, создают воздушные вихри, из--за чего растут механические потери. Так поступают при конструировании паровых турбин, которые вращаются с частотой $1500 - 3000$ оборотов в минуту.

Форма полюсных наконечников рассчитывается так, чтобы ЭДС индукции изменялась по гармоническому закону.

Электродвигатели

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую работу. Они основаны на использовании силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле. Первый электродвигатель такого рода был создан в 1839 г. Б.С. Якоби.

Для понимания основы процессов, которые происходят в электродвигателях можно рассмотреть двигатель постоянного тока (рис.1).

Рисунок 1.

Источник постоянной ЭДС - $U_0$ включен в цепь. Прямолинейный проводник ($DC$) может скользить вдоль проводников $FG$ и $AK$. Магнитное поле, в котором находится цепь, перпендикулярно плоскости чертежа на нас. Когда по проводнику течет ток, то на него действует сила Ампера равная:

Под действием этой силы проводник перемещается и совершает механическую работу. При перемещении проводника на расстояние $dx$, эта работа равна:

Следовательно, мощность можно представить как:

где $v=\frac{dx}{dt}$ -- скорость проводника.

При движении проводника появляется ЭДС индукции, которая направлена против сторонней ЭДС, которая вызывает токи:

При этом мощность сторонних ЭДС равна:

Сравним (5) и (3), сделаем вывод о том, что вся развиваемая электродвигателем мощность обеспечивается источником сторонних ЭДС. Помимо полезной мощности (3) источник ЭДС развивает мощность, которая идет на выделение тепла на сопротивлении проводов, по которым идет ток и внутреннем сопротивлении источника. Из правил Кирхгофа можно составить баланс напряжений для замкнутого контура вида:

где $R$ -- суммарное сопротивление. Умножим обе части уравнения (6) на $I$, получим:

Обычно формулу (7) записывают в виде:

Из формулы (8) очевидно, что мощность источника ($P_I$) расходуется на выделение тепла (Джоуля - Ленца) и работу электродвигателя с мощностью $P$.

Для переменного тока расчет баланса энергий сложнее, но суть такая же.