- •§ 1. Коливальний рух і коливальна система. Вільні коливання
- •§ 2. Гармонічні коливання. Період, частота, амплітуда і фаза гармонічних коливань
- •§ 3. Графічне зображення гармонічних коливальних рухів. Векторні діаграми
- •§ 4. Додавання гармонічних коливань. Принцип суперпозиції
- •§ 5. Негармонічні коливання
- •§ 6. Автоколивання
- •§ 7. Гармонічні і некармонічні коливання в природі н техніці
- •§ 8. Вільні електромагнітні коливання в контурі
- •§ 9. Перетворення енергії в коливальному контурі
- •§ 10. Рівняння гармонічних електромагнітних коливань у контурі
- •§ 11. Період, частота і фаза коливань
- •§ 12. Затухаючі електромагнітні коливання. Автоколивання
- •§ 13. Генератор незатухаючих коливань
- •§ 14. Вимушені електромагнітні коливання. Змінний струм
- •Миттєве значення ерс синусоїдального струму для фази 60° становить 120 в. Визначити амплітудне значення ерс.
- •3. Ерс змінного струму задана рівнянням. Знайти
- •§ 15. Генератор змінного струму
- •§ 16. Діючі значення напруги й сили струму
- •§ 17. Активний опір у колі змінного струму
- •§ 18. Ємність у колі змінного струму
- •§ 19. Індуктивність у колі змінного струму
- •§ 20. Закон Ома для електричного кола змінного струму
- •§ 21. Потужність в колі змінного струму
- •§ 22. Електричний резонанс. Резонанс напруг
- •§ 23. Поняття про спектр негармонійних коливань і про гармонічний аналіз періодичних процесів
- •§ 24. Вироблення електричної енергії
- •§ 25. Принципи роботи генераторів змінного і постійного струму
- •§ 26. Генератор трифазного струму
- •§ 27. Вмикання навантаження в трифазну систему зіркою і трикутником. Лінійні і фазні напруги
- •§ 28. Асинхронний двигун трифазного струму
- •§ 29. Трансформатор
- •Енергії
- •§ 31. Проблеми сучасної електроенергетики і охорона навколишнього середовища
- •§ 32. Електромагнітне поле
- •§ 33. Струм зміщення
- •§ 34. Електромагнітні хвилі і швидкість їх поширення
- •§ 35. Рівняння хвилі
- •§ 36. Властивості електромагнітних хвиль (відбивання, заломлення, інтерференція, дифракція, поляризація)
- •§ 37. Енергія електромагнітної хвилі. Густина потоку випромінювання
- •§ 38. Винайдення радіо
- •§ 39. Принципи радіотелефонного зв'язку. Амплітудна модуляція і детектування
- •§ 40. Найпростіший радіоприймач
- •§ 41. Радіолокація
- •§ 42. Поняття про телебачення
- •§ 43. Розвиток засобів зв'язку
- •§ 44. Світлові хвилі. Швидкість світла
- •§ 45. Інтерференція світла. Когерентність. Спектральний розклад при інтерференції
- •§ 46. Способи спостереження інтерференції світла
- •Що необхідно для утворення стійкої інтерференційної картини?
- •Які хвилі є когерентними? 5. Як можна одержати когерентні світлові хвилі?
- •§ 47. Інтерференція в тонких плівках
- •§ 48. Практичні застосування інтерференції світла
- •§ 49. Стоячі світлові хвилі
- •§ 50. Дифракція світла
- •§ 51. Принцип Гюйгенса — Френеля. Метод зон Френеля
- •§ 52. Дифракційна решітка
- •1. Визначити довжину хвилі монохроматичного світла, якщо макси мум першого порядку, одержаний за допомогою дифракційної решітки з періодомм, відхилився від нульового максимуму на кут
- •§ 53. Дифракційний спектр
- •§ 54. Визначення довжини світлової хвилі
- •§ 55. Поняття про голографію
- •§ 56. Поляризація світла
- •§ 57. Дисперсія світла
- •§ 58. Спектроскоп
- •§ 59, Спектри випромінювання
- •§ 60. Спектри поглинання
- •§ 61. Спектральний аналіз
- •§ 62. Поглинання світла
- •§ 63. Інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання
- •§ 64. Рентгенівське випромінювання
- •§ 65. Шкала електромагнітних хвиль
- •§ 66, Геометрична оптика як граничний випадок хвильової оптики
- •§ 67 Закони геометричної оптики
§ 25. Принципи роботи генераторів змінного і постійного струму
Приндип дії генератора змінного струму ви вже розглядали. Тепер ознайомимося з принципом будови електричних генераторів, не вдаючись до розгляду деталей їх конструктивного оформлення.
Існує багато різних типів індукційних генераторів. Однак всі вони складаються з двох основних частин: магнітної системи, яка утворює магнітне поле, і обмотки — сукупності провідників, в яких індукується змінна ЕРС (в розглянутій моделі генератора це обертова рамка). Оскільки ЕРС, збуджувані в послідовно з'єднаних витках, додаються, то амплітуда ЕРС індукції в обмотці генератора пропорційна кількості витків у ній.
Будова індукційного генератора змінного струму показана на малюнку 46. Він складається з нерухомої частини — статора 1 і обертової частини — ротора 2. Статор має форму порожнистого циліндра. В пазах, зроблених уздовж внутрішньої поверхні циліндра, укладені провідники обмотки статора, з'єднані між собою послідовно. На роторі розміщені електромагніти. їх обмотка, яку називають обмоткою збудження генератора, з'єднується через кільця і щітки з джерелом постійного струму — збудником 3.
Постійний магнітний потік, збуджений струмом ротора, пронизує тіло ротора, два повітряні зазори між статором і ротором і осердя статора. Статор і ротор виготовлені так, що при рівномірному обертанні ротора з кутовою швидкістюмагнітна індукція в зазорі між ними змінюється за законом. Магнітний потік через контур
обмотки змінюється з швидкістю
. Тоді в нерухомих обмотках статора індукуватиметьсявихрове електричне поле з ЕРС:
♦
де— амплітуда ЕРС індукції.
Такимчином, при рівномірному обертанні ротора, який має пару полюсів, з частотоюв обмотці статора
індукується змінне електричне поле, ЕРС якого змінюється гармонічно з такою самою частотою.
У двополюсному генераторі (див. мал. 46) одному оберту ротора відповідає один період ЕРС статора. Генератор робить п обертів за хвилину. Отже, хвилині відповідає п періодів ЕРС, а частота індуктованої в обмотці статора
ЕРС буде дорівнювати:. Легко підрахувати, що для
одержання струму частотою 50 Гц двополюсний ротор повинен робити 3000 об/хв (частота обертання більшості генераторів на теплових електростанціях).
На гідроелектростанціях такі генератори звичайно приводяться в дію порівняно тихохідними водяними турбінами. Тому для одержання стандартної частоти змінного струму 50 Гц застосовують генератори з роторами, які мають велике число пар полюсів. Якщо ротор має р пар полюсів, то за один його оберт відбувається рп повних періодів зміни ЕРС і частота ЕРС буде:. За цією формулою легко обчислити, що для одержання частоти 50 Гц ротор з 40 парами полюсів має обертатися з швидкістю 75 об/хв. На таких малих частотах обертання працює більшість генераторів, які приводяться в рух гідравлічними турбінами.
Останнім часом перед електротехнічною промисловістю особливо гостро постало питання про дальше збільшення граничної потужності генераторів. Яким чином можна досягти збільшення потужності генератора? Відповідь може бути такою: якщо потужність генератора визначається добутком напруги на силу струму, що його виробляє генератор, то для досягнення мети достатньо підвищити одну з цих величин.
За законом електромагнітної індукції напруга генератора залежить від довжин статора і ротора, їх діаметрів, інакше кажучи, від розмірів магнітної системи машини, а також від швидкості обертання ротора. Чим більшою буде кожна з цих величин, тим вищою буде напруга. Але збільшувати швидкість обертання ротора не можна. При одній парі полюсів вона повинна залишитись незмінною (3000 обертів на хвилину), інакше неможливо одержати струм частотою 50 Гц. Отже, треба збільшити довжину статора і ротора та їх діаметри. Така можливість уже практично повністю реалізована у випущених раніше генераторах потужністю 200 і 300 тис. кВт. Але слід зауважити, що при довжині ротора понад 4 м прогин і вібрації настіль-
ки зростають, що можуть призвести до аварії. Діаметр ; ротора понад 1,2 м також збільшувати не доцільно: він просто не витримає великих механічних навантажень під час роботи. Адже при діаметрі ротора трохи більшому 1 м, кожний кілограм маси, що знаходиться біля поверхні ротора, прагне відірватися з силою 5 • 104 Н.
Таким чином, залишається друга можливість підвищення потужності генератора — різке збільшення сили струму статора при незмінній магнітній системі. Цього можна досягти, значно збільшивши силу струму живлення обмотки збудження ротора. Тоді обмотками ротора і статора потече струм силою в тисячі і навіть десятки тисяч амперів. Але ні один провідник не здатний витримати такий струм; він обов'язково розплавиться. Як же боротися з надмірно великими перегрівами обмоток, сталі статора і ротора, елементів конструкції машини? Вихід може бути лише один: треба застосувати надійну і високоефективну систему охолодження кожної з цих деталей, і насамперед
обмоток.
Спочатку просто застосовували повітряне охолодження — через зазор між статором і ротором і через спеціальні канали в статорі й роторі продували добре очищене від пилу повітря,— і цього було достатньо, щоб довести потужність турбогенераторів до 100 тис. кВт. У більш потужних генераторах застосовують безпосередню вентиляцію ротора, при якій в пази ротора вводиться водень. Обмиваючи провідники обмоток, він відводить від них теплоту в спеціальний газоохолоджувач. Використання водню обумовлене тим, що питома теплоємність його в 14 разів більша за питому теплоємність повітря; крім того, теплопровідність водню в 6 разів більша, ніж у повітря. Тому водень забезпечує значно краще охолодження генератора.
Зі збільшенням потужності генераторів виявилося, що і цього замало. Тоді перейшли на внутрішнє охолодження обмоток статора і ротора воднем, тобто зробили мідні провідники обмоток порожнистими, або трубчастими, і пропускають ними водень під великим тиском. Застосування такої системи охолодження дало можливість створити генератори потужністю 300 тис. кВт. Але розвиток енергетики вимагав більших потужностей генераторів.
В надпотужних генераторах в 500, 800 і 1200 тис. кВт до останнього часу застосовувалась комбінована система охолодження. В таких генераторах дистильована вода (діелектрик) подається трубками, виготовленими з ізоляційного матеріалу, в порожнисті мідні провідники обмотки
статора і виводиться назовні через такі самі трубки. Решта частин турбогенератора охолоджується воднем.
Застосування різноманітних способів охолодження генераторів (повітрям, воднем, водою, маслом) вже дійшло до розумних меж — дальше зростання потужності вимагав значного збільшення розмірів енергоблоків, що невигідно з точки зору металоємкості і втрат електроенергії. Тому разом з постійним удосконаленням традиційних машин розробляються турбогенератори нової конструкції, в яких використовуються надпровідні обмотки. В таких генераторах ротор є електромагнітом із надпровідними обмотками. В надпровідній обмотці порівняно із звичайними проводами густина струму може бути в 100 разів більшою, що дає змогу створити дуже сильне магнітне поле, а також істотно зменшити масу ротора. Саме тому потужний кріогенний турбогенератор може мати значно меншу масу і габарити.
Відкриття у 1986 р. високотемпературної надпровідності, яка зберігається при температурах порядку 100 К, дасть можливість значно розширити можливості кріогенної електроенергетики, зокрема створити потужні генератори з винятковими технічними характеристиками. • v Ми вже знаємо, що ЕРС у витку, який обертається в магнітному полі, двічі змінює напрям за один оберт (§ 14). Щоб дістати в зовнішньому колі постійний за напрямом струм, необхідно з'єднати кінці витка (рамки) з колектором у вигляді двох півкілець, які обертаються на одній осі ОО з рамкою. До цих півкілець притискуються нерухомі щітки (мал. 47), за допомогою яких струм відводиться в зовнішню мережу. Двічі за період напрям струму змінюється, але завдяки тому, що при кожному півоберті рамки її кінці, припаяні до півкілець, переходять з однієї щітки на другу» У зовнішньому колі струм тече в один бік — це постійний за напрямом пульсуючий струм (мал. 48). Помітивши, що найбільше значення індукційного струму спостерігається під час проходження рамкою положення, паралельного лініям індукції зовнішнього магнітного поля, можемо вдосконалити нашу конструкцію. Розмістимо дві рамки у взаємно перпендикулярних площинах, а їх кінці виведемо на протилежні пластини чверть-кільцевого колектора (мал. 49). Пульсації струму зменшаться, а значення сили струму проходити через нуль вже не буде (мал. 50). Можна зробити багатосекційну систему, рамки якої розмістити під малими кутами одна до одної, а кінці вивести на діаметрально протилежні пластини
колектора. В результаті дістанемо постійний струм, графік якого буде майже прямою, паралельною осі часу. Колектор у цьому випадку складатиметься з багатьох ізольованих одна від одної пластин. Такий принцип дії генератора постійного струму.
Основними частинами будь-якого індукційного генератора є:
-
індуктор — магніт, що створює магнітне поле, яке в свою чергу індукує ЕРС і струм;
-
якір — обмотка, в якій індукується ЕРС;
-
колектор із щітками — пристрій, за допомо гою якого знімається з обертових частин або подається
до них струм (індукційний чи живлення електромагнітів).
Одна й та сама машина постійного струму може працювати в режимах генератора і двигуна, тобто вона оборотна, як усі електричні машини.
У режимі генератора машину обертає первинний двигун (гідротурбіна, двигун внутрішнього згоряння тощо), головне магнітне поле збуджене, а обмотка якоря через щітки замкнута на навантаження. У цій обмотці індукується ЕРС і виникає струм, який проходить через якір і навантаження. Струм у якорі, взаємодіючи з головним магнітним полем, створює гальмівний момент, який має долати первинний двигун.
У режимі двигуна зовнішнє джерело електроенергії створює електричні струми в колі якоря і збудження машини. Струм якоря, взаємодіючи з головним магнітним полем, утворює обертальний магнітний момент. Під дією цього моменту якір обертається і машина перетворює електричну енергію в механічну.
Двигуни постійного струму широко застосовуються на транспорті. Електрифіковані залізниці, метро, трамваї, тролейбуси працюють на двигунах постійного струму.