6.2.5.2. Генератор переменного тока (гпт)

Простейший ГПТ состоит из: постоянных магнитов 1; контура 2; контактных колец 3; щеток 4. При вращении контура с угловой скоростью

 его магнитный поток Ф = ВScost и ЭДС  =  = ₀sint. Для контура из n витков  = n₀sint.

Если контур намотать на сердечник из электротехнической стали (относительная магнитная проницаемость ), то индукция магнитного поля в нем возрастет в  раз и  = n₀sint.

Конструктивно ГПТ состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, изготовленных из электротехнической стали.

• С целью увеличения КПД генератора (более полного использования магнитного потока) зазор между статором и ротором делают минимальным.

В роторе сделаны пазы, куда специальным образом укладывают обмотку из большого количества витков. ЭДС снимают с ротора с помощью щеток 4, скользящих по контактным кольцам 3.

Статор может быть постоянным магнитом, но чаще это электромагнит. В пазах статора уложена обмотка, постоянный ток в которой создаёт магнитное поле.

На валу ротора закреплены лопатки, вращаемые водой (гидрогенераторы), паром (парогенераторы), ветром (ветрогенераторы) и пр.

Гидрогенераторы (гидротурбины) применяют на гидроэлектростанциях (ГЭС). Вода, поднятая плотиной, падает с высоты и за счет уменьшения своей механической энергии вращает лопасти турбины.

На теплоэлектростанциях (ТЭС) за счет энергии сгорания топлива (уголь, мазут и др.) получают пар высокой температуры и давления. Пар подается на лопасти турбины и вращает ротор.

ГПТ позволяют получать значительные токи при высоких напряжениях.

• На проводники рамки действует сила Ампера, препятствуя вращению ротора, поэтому с увеличением тока в рамке значительно возрастает механическая мощность, которую надо приложить к валу ротора.

Сила тока в рамке значительно превышает силу тока в электромагните и в ГПТ большой мощности контакты рамки удобнее сделать неподвижными, а контакты электромагнита – подвижными. Обмотку

электромагнита укладывают в ротор, обмотку

контура – в статор. При этом получается, что магнит вращается в контуре, наводя ЭДС. Суть процесса не меняется, а технические характеристики ГПТ значительно улучшаются.

6.2.5.3. Преобразование переменного тока. Трансформатор

В практической электротехнике часто встречается задача преобразования напряжения и силы переменного тока.

Трансформатор – устройство, предназначенное для изменения значений напряжения и силы переменного тока.

• Трансформатор был сконструирован в 1876 г. Петром Николаевичем Яблочковым (1847–1894, Россия).

Простейший трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника и двух надетых на него катушек с обмотками. Одна обмотка – первичная – подключается к источнику переменного напряжения, другая – вторичная – к потребителю. Ток первичной обмотки создает в сердечнике переменное магнитное поле, которое пронизывает витки вторичной обмотки и наводит в ней ЭДС индукции.

Пусть первичная обмотка содержит ₁ витков, вторичная – ₂ витков и к первичной обмотке приложено переменное напряжение U₁.

Для катушки ₁: U₁= – ₁ (п. 6.2.3.4) или U₁= ₁, где ₁ = ₁е – ЭДС самоиндукции, е – ЭДС, наводимая в одном витке. Через один виток любой из катушек проходит магнитный поток Ф и е = – Ф.

В обмотке ₂ наводится ЭДС ₂ = ₂е. Если концы вторичной обмотки свободны (режим холостого хода), то значение напряжения на ней: U₂= ₂. Тогда: , где К – коэффициент трансформации.

• Если ₂ > ₁, то трансформатор называют повышающим, ₂ < ₁ – понижающим.

При подключении потребителя ко вторичной обмотке (рабочий режим) ток в ней, согласно правилу Ленца, стремится уменьшить изменение магнитного потока в сердечнике. Это должно привести к уменьшению ₁ первичной обмотки, что невозможно, так как ₁  U₁. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки сила тока в цепи первичной обмотки увеличивается до восстановления амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Это происходит в соответствии с законом сохранения энергии, т. е. увеличение отдачи энергии потребителю вызывает такое же увеличение её приема от источника.

Значит, без учета потерь в трансформаторе, мощности первичной и вторичной цепей равны: U₁I₁  U₂I₂ или и, повышая напряжение вторичной обмотки (увеличивая N₂), мы в той же степени снижаем силу тока в ней.

Потери в трансформаторе малы (его КПД   96%).