Landsberg-1985-T2

машин не выдерживае:гтаких напряжениЙ.l\ромеwго, нель­

ЗЯ столь высокие напряжения непосредственно подавать

чтобы на электрической станции повышать напряжение,

даваемое генератором, передавать энергию под этим высо­

ким· напряжением в место потребления и здесь снова пони­

жать напр~жение до нужных пределов. Осуществить такое

преобразование напряжений для постоянного тока чрезвы­ чайно трудно. Напротив, для переменного тока такое пре­

образование осуществляется с помощью трансформатора

легко и с очень малыми потерями энергии.

Мощные электрические станции вырабатывают электри­ ческую энергшо при переменном напряжении 6-20 кВ и

частоте 50 Гц. ЭТ!l энергия подается в повышающие транс­

форматоры И попадает в линии передачи под напряжением

сотни киловольт. По линиям передачи энергия распределя­

ется к местам потребления. Здесь ток принимается прежде

всего на главную подстанцию, где с помощью трансформа­

торов напряжение его снижается обычно до 35 кВ. Подэтим

.

Рис. 314. Схема передачи тока от электростанции до потребителя и

распределения его между потребителями

напряжением ток попадает в провода районной распредели­

тельной сети, соединяющей главную понижающую подстан­

дию со сравнительно близко расположенными местами потребления. В каждом таком месте устанавливаются вторич­

ные понижающие подстанции, т. е. трансформаторы, снижаю­

щие напряжение до 3,6 или 10 кВ. Отсюда по проводам мест­

ной распределительной сети ток попадает в многочисленные

трансформаторные пункты, находящиеся на отдельных за­

водах или обслуживающие небольшую группу домов, а

иногда и один большой дом. Тут напряжение снижается до

127,220 ИJIИ 380 В и под этим низким напряжением энергия

подводится в отдельные квартиры, к станкам и т. п. по так

404

называемой внутренней .сети. Схема такого распределения

тока показана на рис. 314.

В настоящее время электрическая энергия передается

почти исключительно в виде переменного тока высокого на­

пряжения. Расчет показывает, однако; что передача ее в

виде постоянного тока высокого напряжения была бы го­

раздо выгоднее, так как требовала бы проводов с сечением, а следовательно, и массой, в 1,5 раза меньшими; при даль­ них передачах (на тысячи километров) это весьма существен­

но. Использование постоянного тока вместо переменного

тормозится тем, что до сих пор не найден способ получения

мощных постоянных токов высокого напряжения и не суще­

ствует простых приемов трансформации напряжения посто­

янного тока. Это ~ДHa из важнейших задач, стоящих перед

техникой.

? 165.1. Элек:гростанция мощности 5000 кВт передает энергию

•по двум медным проводам заводу, находящемуся на расстоянии

25 км. Потеря в проводах должиа составить 2 % от передаваемой мощности. Рассчитайте сечение проводов для случаев, KorJta энергия передается: а) под напряжением 50 кВ; б) под напряже­ нием 100 кВ. Какова будет масса проводов в том И другом случае?

Плотность меди равна 8,9 ·103 кг/м3•

§ 166. Выпрямление переменного тока. Хотя, как мы уже

указывали, в технике применяется преимущественно пере­

менный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь

постоянный ток. Такой ток необходим, например, для пита­

ния радиоприемных и радиопередающих устройств, теле­

визоров, для зарядки аккумуляторов, для электролитиче­

ского получения металлов, "для приведения в действие дви­

гателей трамваев, троллейбусов и электропоездов *) и для

многих других целей. Поэтому очень важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать пе­ ременный ток в постоянный, или, как принято говорить, вы-

ских вентилей, т. е. приборов, которые пропускают ток'в

одном направлении и не пропускают его в противоположном

направлении. С одним из таких вентилей мы уже знакомы.

Это - двухэлектродная лампа с накаленным катодом (§ 106). Если мы включим та.,кую лампу в сеть переменного

тока последовательно с нагрузкой, для питания которой нам

.) Преимущества постоянного тока для электродвигатеЛей будут

выяснены в следующей главе.

405

нужец постоянный ток (рис. 315), то ток будет проходить

через цепь только в тот полупериод, когда накаленная нить

будет катодом, а холодная пластинка - анодом. В следую­ щий полупериод, когда холодная пластинка служит като-

схе:.!а выпрямления переменного тока носит назваIIие одно­ nолуnерuодноU.

Чтобы сгладить колебания силы тока в цепи, применяют

более сложную, двухnолуnерuодную, схему выпрямления, nоказанную на рис. 317. Здесь сетевое напряжение подводят

[

f

Рис. 316. Форма тока при однополупериодном выпрямлении

к первичной обмотке трансформатора, а середину вторичной

обмотки соединяют с отдельным зажимом. Ясно, что в те­

чение одного полупериода зажим а имеет относительно c~д­

ней точки Ь более высокий потенциал, т. е. является по отношению к ней плюсом, а точка с - минусом. В течение следующего полупериода, наоборот, плюсом по отношению к средней точке будет точка с, а минусом - точка а. -

Крайние точки трансформатора а и с присоединяют К

анодам двух выпрямителЬНЫХ ламп, катоды которых соеди­

нены между собой и накаливаются отдельной батареей или

отдельной понижающей обмоткой на трансформаторе. На-:

грузка, как это видно из рис. 317, включается между средней точкой трансформатора и катодами обеих выпрямительных

ламп. В течение того полупериода, когда точка а положи­

тельна по отношению к точке Ь, а точка с - отрицатель­

на, ток ПРОХОДИТ только через первую лампу, а вторая за­

перта, т. е. не пропускает тока. В течение следующего полу.,.

406

периода лампы меняются ролями: первая лампа заперта, и

ток проходит только через вторую. Направления этих токов

отмечены на рис. 317 стрелками. мы видим, что через на­

грузку ток проходит в течение обоих полупериодов в од­ ном и том Же направлении. Форма этого тока показана на

рис. 318 штриховой линией.

ТЩ1НСФОРМIJmор

ЛердЦЧНtJ~ оm~m~Чh~~

оомоml(lJ

I

1

I

I

J

1

10

_.L_

-т-

I

1

Рис. 317. Схема двухполупериодного выпрямителя

Чтобы еЩе больше сгладить пульсации выпрямленного

тока, применяют так называемые фильтры. Простейшим

фильтром является конденсатор достаточно большой емко­ сти, включенный параллельно нагрузке. Этот конденсатор,

t

Рис. 318. Форма тока при двухполупериодном выпрямлении

показанный штриховой линией на рис. 315, заряжается в

тот полупериод, когда через выпрямительную лампу про­

ходит ток, и разряжается через приемник энергии в тече­ ние следующего полупериода, поддерживая в нем, таким

образом, ток в течение всего периода.

Еще более совершенным является фильтр, состоящий из

катушки с железным сердечником, обладающей большой

индуктивностью, и двух конденсаторов. Катушка включа­

ется последовательно с приемником энергии, а конденса­

торы - параллельно ему: один - перед катушкой, другой

после нее (рис. 317). Э. д. с. самоиндукции в катушке про-

407

/

тиводействует изменениям тока. Она ослабляет егово время

нарастания и поддерживает во время убывания. Форма сгла­

женного тока ПQказана на рис. 318 сплошной ломаной ли­

нией.

Двухэлектродные вакуумные выпрямитеЛьные лампы

с накаленными катодами называют KeHoтpOHUМ,и (§ 106).

Они получили очень широкое распространение в радио­ при~мниках, телевизорах и других радиоустройствах.,

Кенотроны могут пропускать через себя лишь сравни­

тельно слабые токи, до нескольких десятков МJ:lллиампер. В тех случаях, когда нужно выпрямлять большие токи (до

50 А), вместо кенотронов применяют так называемые газо··

троны (рис. 319). Это тоже двухэ~ектродная лампа с нака­

ленным катодом и металлическим или угольным анодом,

но в отличие от кенотрона, внутри которого воздух по воз­

можности полностью откачан, колба газотрона заполнена

парами ртути или инертным газом.

Электроны, вылетающие из накален­

ного катода, на своем пути к аноду ионизуют при соударениях атомы

ловное обозначение

ртути. Появляющиеся при этом положительные ионы спо­

собствуют увеличению эмиссии с катода, так что ток

через газотрон может быть значительно больше, чем че­

рез кенотрон.

Наконец, в тех случаях,. когда требуется выпрямить

токи очень болыuих мощностей (до 200 А при напряжении до 50 кВ), в KatteCTBe вентилей применяют так называемые ртутные выпрямители. Они представляют собой большие стеклянные или металлические колбы (рис. 320), в которых

происходит дуговой разряд в парах ртути между катодом

408

Г л а в а XVIII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ~ rEHEPATOPbI, ДвиrАТЕЛИ, ЭЛЕКТРОМАrниты

§ 167. Генераторы переменного тока. В начале предыдущей

главы мы уже говорили о том, что в современной технике

применяются почти исключительно индукционные генера­

торы электрического тока, т. е. машины, в которых э. д. с.

возникает в результате процесса электромагнитной индук­

ции. Поэтому слово «индукционный» обычно опускают и го­

ворят просто об электрических генераторах, имея в виду

именно эти индукционные генераторы.

В § 138 мы разобрали простейшую модель индукцион­

ного генератора и показали, что э. д. с., возникающая в ка­

тушке, вращающейся в магнитном поле, является перемен­ ной; поэтому переменным является и ток, получаемый от

индукционного генератора, если не принять специальных

мер для его выпрямления, т. е. для превращения его в по­

стоянный, или прямой, ток, не меняющий своего направле­

ния. Конечно, современные технические генераторы, строя­ щиеся часто на огромные мощности (до 200-400 тысяч

. киловатт в одной машине), несравненно сложнее, чем наша модель. Такая машина со всеми дополнительными устрой­ ствами для контроля и регулирования ее работы, защиты ее от аварий, распределения тока между потребителями и т. д. представляет собой очень сложное техническое соору­ жение (рис. 322). Однако все основные части ее, принци­ пиально необходимые для работы любого генератора, как бы сложен он ни был, можно выделить и на нашей простой

модели. Такими частями являются: а) индукnwр -"- магнит или электромагнит, создающий магнитное поле; б) якорь­

обмотка, в которой при изменении магнитного потока воз­

никает индуцированная э. Д. с.; в) конnшкmныe кольца и скользящие по ним контактные пластинки (щетки), при по­

мощи которых снимается или подводится ток к вращающей­ ся части генератора. Вращающаяся часть называется рото­

ром генератора, а неподвижная часть его - статором.

410

В нашей модели э. д. с. индукции возникала при вра­ щении 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 ин­

дуктора или роль якоря. И в том и в другом случае ротор

Рис. 322. Мощный индукционный генератор

должен быть снабжен контактными кольцами и щетками, осуществляющими непрерывный контакт во время его вра­ щения. Ясно, однако, что удобнее проводить через такие

скользящие контакты сравнительно небольшой ток, He~­

ходимый для намагничивания индуктора. Ток же, генери­ руемый 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 измене­

ния этих потоков, якорь снабжают железным сердечником, концы которого имеют такую форму, чтобы между полюсами

магнита и сердечнИJ<ОМ оставался лишь небольшой зазор,

- 411

необходимый для вращения. В качестве индуктора, совдаю­

щего магнитное поле, в техннческих генераторах почти всег­

да применяют электромагниты (рис. 323). Лишь в очень ред­

ких случаях, при конструировании генераторов малой мощ-

Рис. 323. Катушка, намотанная

на железный сердечник. враща·

ется в поле электромагнита.

Магнитный поток через катуш­

ку: а) велик; б) мал. При вра­

щении катушки магнитный по­ ток изменяется и в ней инду-- цируется перемен ный ток

ности, применяют в качестве индукторов постоянные маг­

ниты. Это делается, например, в так называемых магнеnw - небольших генераторах, применяемых -в некоторых типах

1

щетки

двигателей внутреннего сгорания для зажигания с помощью

искры горючей смеси в цилиндрах двигателя.

На рис. 324 показана схема, а на рис. 325 общий вид ге­

нератора переменного тока с вращающимся индуктором и

неподвижным якорем. Ротор (индуктор) этого генератора

412

показан отдельно на рис. 326. Как видим, этот ротор пред­

ставляет 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 мы имеем поочередно северные

и южные ПОЛюсы элеюромагнитов (рис. 327). Число пар

этих полюсов обычно довольно велико: 4, 6, 8, ... делается это вот из каких соображений.

Если бы мы имели в индукторе только одну пару полю­

СОв, то период переменного тока соответствовал бы времени

одного полного оборота ротора. Таким образом, для получе­

ния переменного тока с частотОЙ 50 Гц ротор должен был бы

вращаться с частотой 50 обо- 2

ротов в секунду, или 3000 обо­

ротов в минуту, что для боль­

ших машин не всегда техниче­

ски осуществимо. При нали­

чии же большого числа пар по­

окружнос.ти,· занимаемую од-

ной парой полюсов. Таким образом, например, при на­

личии 6 пар полюсов достаточно вращать ротор с часто­ тоЙ 500 оборотов в минуту. чтобы получить переменный ток

с частщой 50 Гц.

413