Билет № 19
1. Переменный ток. Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия.
Трансформатор: принцип работы трансформатора; устройство трансформатора.
Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток.
Переменный электрический ток — это ток, сила и направление которого периодически меняются.
Наибольшее распространение получил гармонический переменный ток, представляющий собой вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по закону синуса или косинуса:
u=Um⋅sinωt или u=Um⋅cosωt ,
где u – мгновенное значение напряжения, Um – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае
i=Im⋅sin(ωt+φ) ,
где φ – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения. Принцип получения переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции .
Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.
Генератором переменного тока называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.
Основными частями генератора являются (рис. 1):
индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;
якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с вращающихся частей или подается по ним ток.
Рис. 1
Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.
Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.
В контактной сети электрифицированных ж. д. используется постоянный электрический ток напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты напряжением 25 кВ. При питании переменным током усложняется конструкция подвижного состава, но значительно упрощаются устройства энергоснабжения электрических железных дорог, увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями при тех же потерях до 50 км (20—25 км при постоянном токе), снижается стоимость строительства контактной сети до 10%, в 2,5 раза меньше расход меди.
Трансформатор-
устройство, применяемое для повышения
или понижения напряжения переменного
т
ока.
Впервые трансформаторы были использованы в 1878г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей»- нового в то время источника света.
Простейший трансформатор представляет собой две катушки, намотанные на общий стальной сердечник. Одна катушка подключается к источнику переменного напряжения .Эта катушка называется первичной обмоткой), а с другой катушки
( называемой вторичной обмоткой) снимают переменное напряжение для дальнейшей его передачи.
Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле. Благодаря стальному сердечнику вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник, пронизывает практически такое же переменное поле, что и первичную.
Поскольку все витки пронизываются одним и тем же переменным магнитным потоком, вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке генерируется одно и то же напряжение. Поэтому отношение напряжений 𝑈1 и 𝑈2 первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них:
Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации
Коэффициент трансформации - величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
K=