Fizika - V. F. Dmitriyeva

Порівнявши цю формулу з виразами для потужності змінного струму (18.53), дістанемо

( 1 8 5 5 )

^ ' Г і ' ^ ' Г і -

Аналогічно, діюче значення ЕРС змінного струму в полі менше від його амплітудного значення:

Знаючи ефективні значення, середню потужність змінного струму можна обчислити за тими самими формулами, що й потужність постійного струму. Всі вольтметри, призначені для змінного струму, показують ефективні значення ЕРС і напруги.

Коефіцієнт потужності

Проаналізувавши формулу (18.52), можна сказати, що за цією формулою можна обчислювати середню або активну потужність кола змінного струму.

Коефіцієнт потужності созср характеризує втрати енергії в колі і, отже, є найважливішою характеристикою для проектування ліній електропередачі на змінному струмі. Якщо навантаження в колі мають великі ємнісні або індуктивні опори, то ф^О і Ш8ф може бути набагато менший від одиниці. Щоб передати потрібну потужність, треба збільшити силу струму /еф, що призводить до виділення в колі великої кількості теплоти. Тому доводиться або збільшувати переріз проводів, або так розподіляти навантаження, щоб соз ф був якомога ближчий до одиниці. Проектуючи лінії електропередачі, слід прагнути до підвищення коефіцієнта потужності.

§ 168. Генератори струму

Генератори електричного струму - це пристрої перетворення різних видів енергії - механічної, хімічної] теплової, світлової тощо - в електричну.

Робота сучасних генераторів грунтується на явищі електромагнітної індукції. На рис. 18.15, а зображено найпростішу схему генератора змінного струму. У рамці, яка обертається в магнітному полі, виникає

420

їм піна ЕРС індукції. Якщо коло замкнути, то в колі проходитиме змінний струм. Із зовнішнім колом рамка і (днується кільцями, закріп™ пеними на одній осі з рамкою. Ча допомогою нерухомих ковших конактів-щіток кільця Гєднуюіься із зовнішнім коном. За один оберт рамки полярність щіток змінюється двічі. Щоб збільшити напругу,

яку знімають з клем генератора, на рамки намотують не один, а багато іштків. У всіх промислових генераторах змінного струму витки, в яких індукується змінний струм, установлюють нерухомо, а обертається магнітна система. Нерухому частину генератора називають статором, а рухому - ротором. Якщо ротор обертати за допомогою зовнішньої сили, то разом з ротором обертатиметься і магнітне поле, яке він створює, при цьому в провідниках статора індукується ЕРС.

Електрогенератори, які працюють з гідротурбінами, називають гідро-

. снераторами, а ті, що працюють з паровими турбінами, - турбогенераторами.

Тепер статори генераторів виготовляють з тонких, листів електротехнічної сталі, що мають вузьку петлю гістерезису, набраних у пакет і скріплених болтами. Ротор складають з товстих стальних листів і насаджують на спільний вал з турбіною.

У генераторі змінного струму ЕРС двічі за один оберт змінює напрям. Щоб добути постійний за напрямом струм, застосовують спеціальний пристрій, який називається колектором. Найпростіший колектор - це два ізольовані один від одного півкільця, до яких приєднують кінці витка (рис. 18.15, б). У ті моменти, коли струм у витку змінює напрям, півкільця змінюють щітки, У зовнішньому колі проходить струм однакового напряму. На рис. 18.16 показано, як змінюється напруга, що знімасться з цього колектора. Такий генератор дає пульсуючий струм; його напрям постійний, але сила змінюється. Якщо замість одного витка

421

§ 169. Трансі

Трансформа тор

(18.59)

. 18.17

422

Напруга на кінцях вторинної обмотки трансформатора так відноситься до напруги на кінцях його первинної обмотки, як кількість витків вторинної обмотки відноситься до кількості витків первинної обмотки.

Коефіцієнт трансформації

Відношення к ~ М { / N2 називають коефіцієнтом транс-

формації. Якщо на вторинній обмотці витків більше, то трансформатор називають підвищувальним (І¥2 >АГ|), якщо менше - знижувальним

(мг<мх).

Якщо трансформатор навантажений, то спадом напруги у вторинній обмотці порівняно з ЕРС індукції нехтувати не можна, тому вираз (18.59) має складніший характер.

ТИПИ трансформаторів

Є також конструкції трансформаторів, в яких частина первинної обмотки є вторинною або навпаки (рис. 18,18). Такі трансформатори називають автотрансформаторами. Якаю один з контактів автотрансформатора зробити рухомим, то можна плавно змінювати вихідну напругу, Один з типів трансформаторів, які використовують у лабораторних дослідженнях, називають ЛАТР.

Для добування в лабораторних умовах змінного струму високої напруги завдяки енергії постійного струму застосовують трансформатор особливої конструкції, який називають індукційною котушкою Румкорфа. Ця котушка дає можливість добути між кінцями вторинної обмотки напругу близько 10 кВ.

423

§170. Струми високої частоти

Струми, які мають частоту 50-10 000 Гц, називають струмами низької частоти, струми, частота яких перевищує 10 000 Гц - струмами високої частоти.

Якщо в однорідному провіднику із сталим поперечним перерізом проходить постійний струм, то густина струму однакова в різних точках перерізу провідника. Якщо проходить змінний струм, то в цьому разі густина струму не буде однаковою по перерізу: вона найбільша на поверхні і найменша на осі провідника. Її нерівномірність тим більша, чим товщий провідник і чим більша частота змінного струму, а за дуже великих частот струм практично існує лише в тонкому поверхневому шарі. Це явище називають скін-ефектом (від англ. "скін" - шкіра). Воно пояснюється виникненням вихрового електричного поля електромагнітної індукції.

Для таких струмів суцільні проводи можна замінювати тонкостінними трубками-хвилеводами, які покривають шаром срібла, що добре проводить струм, оскільки їх опір практично зумовлений лише поверхневим шаром. Це явище широко застосовують у радіотехніці надвисоких частот.

Тепер струми високої частоти застосовують для швидкого прогрівання і плавлення металів, поверхневого гартування стальних виробів, прогрівання діелектриків, сушіння деревини, харчових продуктів, у медицині - для прогрівання уражених органів тіла людини.

Розглянемо приклад поверхневого гартування стальних виробів. За досить високої частоти струми зосереджуються біля поверхні деталі, яку гартують, за короткий час її прогрівають, а всередині метал не досягає температури гартування. Поверхня деталі після гартування набирає потрібної твердості і не стає крихкою, бо всередині неї метал не гартувався.

§ 171. Поняття про трифазний струм

Трифазною системою електричних кіл називають систему, що складається з трьох електричних кіл змінного струму однакової частоти, ЕРС яких зсунуті за фазою на 1/3 періоду. Якщо амплітуди ЕРС однакові між собою, то систему називають симетричною. Кожне окреме коло трифазної системи скорочено називають фазою.

До 90-х років XIX ст. використовували однофазний струм, від генератора до споживача йшла лінія з двох проводів. Проте спроби створити потужні електродвигуни однофазного струму були невдалі, тому довго змінний струм застосовували переважно для освітлення. В кінці 80-х років XIX ст. італійський учений Г. Ферраріс і сербський електротехнік Н. Тесла незалежно один від одного розробили теорію використання багатофазного струму.

424

Зміну в часі ЕРС у трьох обмотках графічно зображено на рис. 18.19, б. Кожна з обмоток трифазного генератора є самостійним джерелом електОтже, генератор трифазного струму є сукупністю трьох мінного струму. Якщо ці однофазні генератори , то для передавання енергії до споживача потрібно

буде шість проводів (рис. 18.20). Така системі Кількість проводів, які з'єднують генератор із

18.22

§ 172. З'єднання обмоток трифазного генератора зіркою і трикутником

З'єднання зіркою

Для електричних явищ важливі тільки різниці потенціалів, тому один провід кожного кола можна зробити спільним. Для цього при з'єднанні зіркою початки всіх обмоток з'єднують в одну точку, яку називають нульовою (рис. 18.21). Провід, приєднаний до нульової точки, називають нульовим. Проводи, приєднані до кінців обмоток, називають лінійними. Як видно з рис. 18.21, струм генератора, обмотки якого з'єднано зіркою, підведено до приймачів енергії чотирма проводами.

Напругу між початками і кінцями фаз або між кожним з лінійних проводів і нульовим проводом називають фазною напругою.

Напругу між кінцями обмоток або між лінійними проводами називають лінійною напругою. Якщо між кульовим і кожним з лінійних проводів увімкнено однакові навантажувальні опори, наприклад двигуни, електролампи і т. д., то струм у нейтральному проводі, який дорівнює геометричній сумі фазних струмів

(рис. 18.23), дорівнює нулю. У розглядуваному випадку по нульовому проводу йтимуть три струми і}, /2 , /3 , які зсунуті за фазою на 2/Зя і тому дають сумарну силу струму / ~ 0 . Отже, у цьому разі нульовий провід не потрібний, і чотнрипровідну лінію можна замінити трипровідною.

З'єднання трикутником

Якщо обмотки генератора з'єднані трикушиком (див. рис. 18.22), то фазні напруги дорівнюють лінійним і три фази генератора утворюють замкнений контур» Таке з'єднання можливе тільки тоді, коли сума ЕРС, які діють у цьому контурі, дорівнює нулю. У цьому разі, якщо генератор навіть не навантажений, не тільки не виникає короткого замикання; але й струму в обмотках немає. Якщо обмотки генератора з'єднані трикутником, то лінія електропередачі трипровідна.

Потужність трифазного струму

Потужність у колі трифазного струму, якщо всі фази навантажені однаково, дорівнює

426

де £/0л, /0л - амплітуди лінійних напруг і сили струму; ф - зсув фаз між фазним струмом і фазною напругою, тобто силою струму і напругою в

Обертове магнітне поле

Таке поле виникає як результуюче поле від накладання двох (і більше) змінних магнітних полів, що мають однакову частоту, але зсупуті одно відносно одного за фазою і в просторі, Це явище застосовують в електродвигунах, вимірювальних приладах і різній апаратурі регулювання та керування на змінному струмі.

§ 173. Добування, передавання і розподіл електроенергії в галузях промисловості та сільського господарства

Добування електроенергії

Перші генератори постійного струму були створені в 50-х роках XIX ст., а вже в 70-х роках почалося їх промислове виробництво.

Тепер рівень виробництва і споживання енергії - найважливіший показник розвитку продуктивних сил суспільства. Головне значення при цьому має електроенергія - найуніверсальніша і найзручніша для використання форма енергії.

Електроенергію виробляють на трьох типах електростанцій: теплових (ТЕС і ТЕЦ), гідро (ГЕС) і атомних (АЕС).

Джерелом енергії на ТЕС і ТЕЦ (теплоелектроцентраль) є вугілля, газ, і орф, мазут та ін.

Джерелом енергії на ГЕС є потенціальна енергія води, піднятої греблею. Джерелом енергії АЕС є ядерне паливо, розміщене в тепловидільних

елементах (ТВЕЛ) ядерного реактора.

Передавання і розподіл електроенергії

Передавати струм низької напруги (100-200 В) на відстань понад 2 км через великі втрати в проводах невигідно. Для зменшення втрат треба збільшувати напругу. Але струм високої напруги не можна

427

підводити в будинки, на фабрики і заводи, оскільки доторкання до проводу, який буде під високою напругою, небезпечне для життя людини. Цю проблему можна розв'язати, якщо мати пристрій, який міг би струм високої напруги перетворювати в струм низької напруги. Для постійного струму такі перетворення пов'язані з багатьма труднощами. Напругу змінного струму можна легко змінювати за допомогою пристрою, який назвали трансформатором.

Схему передавання змінного струму на великі відстані зображено на рис. 18.24. Струм низької напруги, який виробляє електрогенератор, подається на трансформатор. Трансформатор перетворює струм низької напруги в струм високої напруги, потім по лінії електропередачі струм надходить до місця споживання електроенергії. У місці споживання електроенергії трансформатор перетворює струм високої напруги в струм низької напруги. Після перетворення електроенергія надходить до споживача.

Із споживачами електроенергії електростанції пов'язані або повітряними, або кабельними лініями електропередачі (ЛЕП). Повітряні лінії електропередачі - це проводи, підвішені на ізоляторах до стальних або залізобетонних опор.

За законом Джоуля - Ленца, втрати, які виникають у процесі передавання електроенергії, залежать від сили струму. Із збільшенням напруги, при тій самій потужності, сила струму в лінії зменшується; отже, зменшуються і втрати. Необхідність передавання електроенергії на великі відстані під високою напругою і при великих передаваних потужностях призводить до того, що устаткування ЛЕП стає дорогим, але це доводиться робити, бо потужні гідравлічні і теплові електростанції не завжди розміщені поблизу великих промислових районів.

У містах струм високої напруги передається по кабельних лініях електропередачі, потім його розподіляють між знижувальними трансформаторними підстанціями.

Перспективні кабельні лінії передавання великих потужностей розміщені в трубах, заповнених для зменшення втрат рідким воднем (при темпера-

428

турі 20 К) або гелієм (4 К). За таких високих температур огіір алюмінієвих або мідних кабельних проводів зменшується в тисячі разів, пропорційно опору зменшуються втрати в процесі передавання електроенергії.

§ 174. Електрифікація країни

Електрифікація - єдиний у часі процес виробництва, розподілу і споживання електроенергії.

Після 2-ї світової війни в електроенергетику країн світу було інвестовано десятки міліардів доларів. Це було зумовлено швидким зростанням попиту па електроенергію. Основну увагу приділяли тепловим електростанціям ( ГЕС), а також гідроелектростанціям (ГЕС).

Гідроенергія -- один з найдешевших і найчистіших енергоресурсів. Рівень розвитку гідроенергетики у різних країнах на різних континентах неоднаковий. Більше всього гідроенергії виробляють Сполучені Штати, Російська Федерація, Україна, Канада, Японія, Бразилія, Китай і Норвегія. На гідроелектростанціях і гідроакумулюючих електростанціях (ГАЕС) використовують потенціальну енергію води, що накопичується за допомогою греблі.

Енергетична система - це об'єднання окремих електростанцій лініями високої напруги. В енергетичній системі краще за все вирішуються питання рівномірного завантаження окремих станцій і безперебійного постачання електроенергією споживачів.

Розвиток галузей промисловості та сільського господарства тісно пов'язаний з розвитком паливно-енергетичного комплексу. Головним джерелом енергії є електростанції.

Перше місце щодо виробництва електроенергії займають теплові електричні станції, які працюють на вугіллі, нафтопродуктах та іншому паливі. ККД теплових електростанцій порядку 40 %, і близько 70 % станцій з теплоелектроцентраллю (ТЕЦ). На другому місці з виробництва електроенергії - гідравлічні електростанції (ГЕС), які використовують енергію падаючої води. ККД цих станцій досягає 80-90 %.

Узв'язку з вичерпанням світових запасів органічного палива з'явились атомні електростанції, які мають важливе значення у тих районах, де немає гідроресурсів, мало палива, а також в освоєнні необжитих територій.

Унаступні 2-3 десятиріччя можливі серйозні труднощі, якщо не з'являться альтернативні джерела енергії або не буде обмежене зростання її споживання. Необхідність більш раціонального використання енергії є очевидною. Неперервне зростання споживання енергії спричинює вичерпання енергоресурсів і забруднення навколишнього середовища, але і може нарешті призвести до значних змін температури і клімату на Землі.

429