Змінний струм. Генератор змінного струму. Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму.

Життя сучасного суспільства не можна уявити без використання енергії електричного струму. Завдяки йому здіснюються численні технологічні процеси, працюють машини, засоби зв'язку і комунікацій, забезпечується комфортне життя людини.
Досвід використання енергії електричного струму показав, що найзручнішим в технологічному плані є використання змінного електричного струму.

Найбільш важливими є струми, сила яких змінюється за гармонічним законом, за законом синуса або косинуса.

мал. 1

Такий струм можна отримати, якщо виток дроту рівномірно обертати в однорідному магнітному полі відносно осі, перпендикулярної до напряму ліній магнітної індукції   (мал 1).

Магнітний потік, який пронизує контур рамки, визначається так:

     (1)   

де - кут між напрямом нормалі до площини рамки і напрямом вектора ; - кутова швидкість обертання рамки;               f- частота обертання;  S – площа рамки; Ф₀ – максимальне значення магнітного потоку (при  = 0).

 В основі виникнення змінної ЕРС покладене явище електромагнітної індукції. Величина ЕРС, що виникає у рамці дорівнює:

    (2)

де ₀ –амплітудне значення ЕРС З даної формули випливає, що ЕРС, яка виникає у рамці, що обертається з постійною  кутовою швидкістю  в магнітному полі змінюється за синусоїдальним законом з циклічною частотою .

Таким чином кутова швидкість обертання рамки є одночасно циклічною частотою коливання ЕРС і сили змінного струму. З формул (1) і (2) видно, що коли магнітний потік максимальний, то ЕРС мінімальна і навпаки.

Якщо кінці рамки приєднати до мідних кілець, до яких притиснуті вугільні контакти (щітки ), а до них – споживач R, то в колі буде протікати змінний струм , де R+r – повний опір кола,         i(t) – миттєве, I₀ - амплітудне значення сили струму.

Рівняння i=І0sinωt    i=I0cosωt    описують один і той самий змінний струм. Відмінність полягає тільки у виборі початкової фази.

Графік залежності сили струму від часу (Imax = ωNBS) (мал. 2).

                                                    Мал.2

Період змінного струму: частота:

Найпростіший індукційний генератор змінного струму являє собою металеве осердя, в пази якого вкладено обмотку. Кінці обмотки з’єднані з кільцями. До кожного з яких притиснута щітка для відведення напруги до споживача. Осердя з обмоткою обертається в магнітному полі нерухомого постійного магніту або електромагніту.
Ротор – обертова частина генератора;
Статор – нерухома частина.
 

Мал. 3

У промислових генераторах:

1. для отримання великої ЕРС збільшують кількість витків;
2. для підсилення магнітного поля феромагнітне осердя роблять замкнутим, а зазор між ротором і статором – мінімальним;
3. для зменшення іскріння (внаслідок зняття великих струмів) магніт (постійний чи електричний) роблять ротором, а витки - статором.

Ротор обертається у електростанціях за допомогою пари (ТЕС та АЕС) або гідротурбін (ГЕС).                                                                                                          Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності.                    Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).

Будова трансформатора:

• осердя замкненої форми, що виготовлене з м’якого феромагнетика;
• первинна обмотка — з’єднана з джерелом змінної напруги;
• вторинна обмотка - приєднана до споживача.

Мал. 4

Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки l з кількістю витків n₁, створює в осерді змінне магнітне поле. У вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків n₂ індукується електрорушійна сила.

Електрорушійна сила в обмотках пропорційна кількості витків у них:

=

Отже, під час холостого ходу напруги на обмотках трансформатора можна вважати пропорційними кількостям витків у них:

=де k — коефіцієнт трансформації.

Якщо k < 1, то U₂ > U₁ і трансформатор є підвищувальним;        

якщо k > 1, напруга U₂ менша від U₁ і трансформатор є знижувальним.

Коли до вторинної обмотки приєднують споживачі, вторинне коло замикається — це так званий робочий хід трансформатора.

 Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, можна вважати, що  і .

ККД трансформатора – це відношення потужності , що трансформатор передає споживачу, до потужності ,що трансформатор споживає в мережі. ККД трансформатора визначається за такою формулою:

Сучасні трансформатори мають коефіцієнти корисної дії від 90 до 99,5%, тобто втрати енергії в них незначні. Тому наближено

           звідки   

Трансформатор зменшує напругу, але збільшує силу струму.

Один і той самий трансформатор, якщо в ньому є кілька обмоток, може бути як підвищувальним, так і знижувальним.

Виробництво електроенергії здійснюється на електростанціях шляхом перетворення з інших видів енергії. ТЕС виробляють — 35.03% енергії, АЕС—56.46%, ГЕС—7.19%, а решту –1.32% альтернативні джерела енергії.