Превращение механичевкой энергии в электрическую. Возникновение разности потенциалов на концах проводника, движущегося в магнитном поле, дает возможность использовать это явление для получения электрического тока. По такому принципу действуют промышленные генераторы электроэнергии на тепловых, ядерных и гидроэлектростанциях. В них поступательное движение проводников заменено более удобным вращательным.

Откуда же берется энергия для разделения зарядов и появления ЭДС в генераторе? Ведь магнитное поле не совершает работы над движущимися зарядами, так как работа силы всегда перпендикулярной вектору скорости, равна нулю. Работа по разделению зарядов в движущихся проводниках электромагнитного генератора на тепловых электростанциях производится за счет механической энергии пара, давящего на лопатки паровой турбины, на гидроэлектростанциях эта работа совершается за счет механической энергии воды, вращающей гидротурбины, имеющие общий вал с генератором. В этом процессе магнитное поле является только посредником, вызывающим разделение зарядов. Не сила действующая со стороны магнитного поля, выполняет роль сторонней силы, а силы, приводящие во вращение ротор генератора.

Самые мощные в мире генераторы электроэнергии изготовляются и используются в нашей стране.

МГД-генератор. Наиболее распространенный способ получения электроэнергии на тепловых электростанциях довольно сложен. Сначала топливо сжигается в топке парового котла, и получается пар. Затем пар направляется на лопатки турбины и приводит ее в действие. Наконец электромеханический генератор превращает полученную от турбины механическую энергию в энергию электрического тока. На каждом из этапов преобразования одного вида энергии в другой происходят значительные потери энергии. В результате кпд тепловых электростанций обычно не превышает 35-40%. Это значит, что около 60-65% угля, нефти или газа сжигается в топках впустую.

Так как КПД любой тепловой машины в идеальном случае не превышает величины

где - температура нагревателя, а -температура холодильника, то важнейшей задачей при разработке новых способов преобразования энергии является повышение температуры рабочего тела.

Значительного повышения температуры рабочего тела удается добиться в магнитогазодинамических генераторах электроэнергии, сокращенно называемых МГД-генераторами.

Схема устройства МГД-генератора показана на рисунке 90. В камере сгорания при сжигании нефти, керосина или природного газа создается высокая температура (2000-3000 К), при которой газообразные продукты сгорания ионизируются, образуя электронно-ионную плазму. Для повышения электропроводности плазмы в камеру сгорания вводят легкоионизирующиеся вещества: кальций, натрий, цезий. Раскаленная плазма движется по расширяющемуся каналу длиной в несколько метров, в котором ее внутренняя

Рис. 90. Схема устройства МГД-генератора

энергия превращается в кинетическую энергию и скорость возрастает до 2000 м/с и более. Так же как и металлический проводник, плазма в целом нейтральна, но, влетая в область сильного магнитного поля, составляющие ее частицы разных знаков под действием силы разделяются, как показано на рисунке 90. Электроны, достигнув нижнего электрода, движутся во внешней цепи по сопротивлению нагрузки к другому электроду, где нейтрализуют положительные ионы. Мощность, выделяемая во внешней цепи, может быть использована для различных практических нужд.

В режиме холостого хода, когда внешняя цепь разомкнута между электродами возникает наибольшая разность потенциалов, равная ЭДС. В зависимости от конструкции генератора она может достигать нескольких сотен или тысяч вольт.

В МГД-генераторе сильно нагрета только плазма и отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые, подобно лопаткам турбин, одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использовать огнеупорные материалы и применять охлаждение неподвижных металлических детален, соприкасающихся с плазмой, позволяет повысить температуру рабочего тела, а значит, и КПД установки. Для температуры плазмы, равной на входе а на выходе теоретическое значение КПД составляет примерно 90%. Однако в реальных условиях температура отработанных газов на выходе из канала больше 300 К. Но если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД всей такой установки будет равен 50-60%. А это почти вдвое превышает реальный КПД тепловых электростанций. Следовательно, при том же расходе топлива с помощью МГД-генераторов можно получить вдвое больше электроэнергии.

Еще одним преимуществом МГД-генераторов является то, что они могут развивать полную мощность, измеряемую сотнями миллионов ватт, всего за несколько секунд после запуска. Поэтому МГД-генераторы выгодно применять как резервные источники электроэнергии на случай резкого увеличения потребления энергии в энергосистемах.

Высокий КПД, простота конструкции, малые габариты МГД-генераторов при большой мощности позволяют надеяться, что с преодолением их основного недостатка - сравнительно небольшого срока службы, вызванного износом стенок сопла, - они начнут широко применяться для получения электроэнергии в промышленных масштабах.

Первая опытно-промышленная электростанция с МГД-генера-тором мощностью 25 000 000 Вт была запущена в нашей стране в 1971 г.

Сегодня всем нам знакомы бытовые электрогенераторы. В зависимости от потребляемого топлива, назначения и типа используемого двигателя, это могут быть бензиновые, газовые, дизельные и даже ветряные электрические генераторы . Эти устройства прочно вошли в нашу жизнь, и мы привыкли использовать их на даче и в походе, на стройке и в гараже. Множество типов электрогенераторов и электроприборов выполняет за нас работу. Портативные ручные электрогенераторы встраиваются в фонарики, солнечные батареи питают удаленные приборы и датчики, космические спутники и оборудование альпинистов. Но так было не всегда. Начало 19 века разразилось целой чередой открытий, связанных с электричеством и магнетизмом.

После открытия и исследования электромагнитной индукции и проведенного расчета, стала очевидной возможность создать электрогенератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый самодельный магнитный генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма простой установкой. Посмотрите на его чертеж: вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока , производимого гальваническим элементом.

По-иному выглядела установка другого электрического генератора: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь . На контактах колец возникал то «плюс», то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки.

Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора электрогенератора. Ток от такого магнитного генератора тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Электрогенераторы постоянного и переменного тока очень похожи по своему устройству на электродвигатели. Кроме того, если вращать якорь электромотора постоянного тока, на его обмотках появляется разница потенциалов – мотор начинает давать электрический ток , становясь электрогенератором. Однако по техническим соображениям электрические генераторы тока строят несколько иначе, чем электродвигатели.

Возьмем, к примеру, электрогенератор переменного тока крупной тепловой электростанции

Его статор имеет внутри обмотку, в которой и возникает электрический ток. Ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами: северным и южным. Если намагнитить ротор, пропустив в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника, и затем начать его вращать, в обмотке статора появится переменный ток .

Для возбуждения и работы ротора обычно применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот электрогенератор надевают прямо на вал ротора. Есть и иной вариант конструкции – вместо генератора-возбудителя действует полупроводниковый выпрямитель тока. Он отбирает ничтожную часть мощности самого электрогенератора, выпрямляет переменный ток, и полученным током питает обмотку ротора.

В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока равной 50 периодам в секунду – 50 Гц. Это означает, что в течение секунды ток должен 50 раз течь в одну сторону и 50 раз – в другую. Соответственно, и ротор должен делать ровно 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту. С такой скоростью и находятся в работе электрогенераторы тепловых станций: их приводят в движение газотурбинные блоки, специально рассчитанные на такой ход.

Это происходит так же часто, как и в электрогенераторе тепловой электростанции, где скорость вращения газотурбинной установки составляет 3000 оборотов в минуту. Таким образом, частота в 50 периодов сохраняется и здесь.

Просто о сложном – Электрогенераторы для производства электроэнергии

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Электрогенераторы – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Электрогенераторы.
• Ссылки на материалы и источники – Электрогенераторы для производства электроэнергии.

>> Генерирование электрической энергии

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

§ 37 ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию . К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи 1 , солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.

1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.

Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы , в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.

Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.

Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит , создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф m = BS) через каждый виток (см. § 31).

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,

размещены в назах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшсим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно бьию бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля , порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Генератор – устройство превращающее энергию различного вида в электрическую. Генераторы вырабатывают электрический ток. Примеры генераторов: гальванические элементы, электростатические машины, солнечные батареи и др. В зависимости от характеристик применяются генераторы различных типов.

Например, с помощью электростатических машин можно создать очень высокое напряжение, но при этом сила тока будет очень невелика. А с помощью гальванических элементов можно создать приемлемую силу тока, но они могут работать лишь непродолжительное время.

Структура генератора

Рассмотрим индукционный электромеханический генератор переменного тока. Генераторов такого типа много, но любой из них имеет общие основные детали.

• Постоянный или электромагнит. С помощью него создается магнитное поле.
• Обмотка. В ней индуцируется переменная ЭДС.

Амплитуда ЭДС наводится в каждом витке обмотки. Так как витки соединены последовательно значения ЭДС будут складываться. ЭДС в рамке будет пропорциональна числу витков в обмотке. Для получения большого значения магнитного потока в генераторах делают специальную систему из двух сердечников.

В пазах одного сердечника размещаются обмотки, которые создают магнитное поле, а в пазах другого, обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников вращается, его называют ротором. Второй неподвижен и называется статором. Зазор между сердечниками стараются сделать как можно меньшим, чтобы увеличить поток вектора магнитной индукции.

На рисунке представлена модель простейшего генератора.

Принцип действия генератора

В генераторе, модель которого представлена на рисунке, магнитное поле создается постоянным магнитом, а проволочная рамка вращается внутри него. В принципе, можно оставить рамку неподвижной и вращать магнит. От этого ничего бы не изменилось .

В промышленных генераторах именно так и делается. Вращается электромагнит, а обмотки, в которых появляется ЭДС остаются неподвижными. Это связано с тем, что для того, чтобы подвести ток к ротору или снять с обмоток ротора, необходимо использовать скользящие контакты. Для этого используются щетки и контактные кольца. Сила тока, которая заставит вращаться ротор, много меньше, чем та, которую мы снимем с обмоток.

Поэтому удобнее подводить ток к ротору, а снимать ток со статора. В генераторах малой мощности, для создания магнитного поля используют вращающийся постоянный магнит, тогда подводить ток к ротору вообще необязательно. И использовать щетки и кольца не нужно.

При вращении ротора, в обмотках статора возникает ЭДС. Это происходит потому, что возникает вихревое электрическое поле . Современные генераторы это очень большие машины. Причем при таких размерах (несколько метров), некоторые важнейшие внутренние части изготавливаются с точность до миллиметра.

Трансформаторы

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Для преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

Условное обозначение трансформатора:

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N 1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e 1 = N 1 e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N 2 витков. В ней индуцируется ЭДС e 2 = N 2 e.

Следовательно: e 1 /e 2 = N 1 / N 2 .

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u 1 |≈|e 1 |.

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно: |u 2 |=|e 2 |.

Мгновенные значения ЭДС e 1 , e 2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E 1 и E 2 . А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

E 1 /E 2 ≈U 1 /U 2 ≈N 1 / N 2 = K

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула: U 1 /U 2 ≈ I 2 /I 1 .

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.

Сегодня всем нам знакомы бытовые электрогенераторы. В зависимости от потребляемого топлива, назначения и типа используемого двигателя, это могут быть бензиновые, газовые, дизельные и даже ветряные электрические генераторы . Эти устройства прочно вошли в нашу жизнь, и мы привыкли использовать их на даче и в походе, на стройке и в гараже. Множество типов электрогенераторов и электроприборов выполняет за нас работу. Портативные ручные электрогенераторы встраиваются в фонарики, солнечные батареи питают удаленные приборы и датчики, космические спутники и оборудование альпинистов. Но так было не всегда. Начало 19 века разразилось целой чередой открытий, связанных с электричеством и магнетизмом.

После открытия и исследования электромагнитной индукции и проведенного расчета, стала очевидной возможность создать электрогенератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый самодельный магнитный генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма простой установкой. Посмотрите на его чертеж: вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока , производимого гальваническим элементом.

По-иному выглядела установка другого электрического генератора: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь . На контактах колец возникал то «плюс», то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки.

Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора электрогенератора. Ток от такого магнитного генератора тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Электрогенераторы постоянного и переменного тока очень похожи по своему устройству на электродвигатели. Кроме того, если вращать якорь электромотора постоянного тока, на его обмотках появляется разница потенциалов – мотор начинает давать электрический ток , становясь электрогенератором. Однако по техническим соображениям электрические генераторы тока строят несколько иначе, чем электродвигатели.

Возьмем, к примеру, электрогенератор переменного тока крупной тепловой электростанции

Его статор имеет внутри обмотку, в которой и возникает электрический ток. Ротор представляет собой цилиндр с двумя магнитными полюсами: северным и южным. Если намагнитить ротор, пропустив в полюсные обмотки постоянный ток от постороннего источника, и затем начать его вращать, в обмотке статора появится переменный ток.

Для возбуждения и работы ротора обычно применяют отдельный небольшой генератор постоянного тока. Этот электрогенератор надевают прямо на вал ротора. Есть и иной вариант конструкции – вместо генератора-возбудителя действует полупроводниковый выпрямитель тока. Он отбирает ничтожную часть мощности самого электрогенератора, выпрямляет переменный ток, и полученным током питает обмотку ротора.

В нашей стране принят стандарт частоты переменного тока равной 50 периодам в секунду – 50 Гц. Это означает, что в течение секунды ток должен 50 раз течь в одну сторону и 50 раз – в другую. Соответственно, и ротор должен делать ровно 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту. С такой скоростью и находятся в работе электрогенераторы тепловых станций: их приводят в движение газотурбинные блоки, специально рассчитанные на такой ход.

Это происходит так же часто, как и в электрогенераторе тепловой электростанции, где скорость вращения газотурбинной установки составляет 3000 оборотов в минуту. Таким образом, частота в 50 периодов сохраняется и здесь.

Просто о сложном – Электрогенераторы для производства электроэнергии

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Электрогенераторы – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Электрогенераторы.
• Ссылки на материалы и источники – Электрогенераторы для производства электроэнергии.

Генератор – устройство превращающее энергию различного вида в электрическую. Генераторы вырабатывают электрический ток. Примеры генераторов: гальванические элементы, электростатические машины, солнечные батареи и др. В зависимости от характеристик применяются генераторы различных типов .

Например, с помощью электростатических машин можно создать очень высокое напряжение, но при этом сила тока будет очень невелика. А с помощью гальванических элементов можно создать приемлемую силу тока, но они могут работать лишь непродолжительное время.

Структура генератора

Рассмотрим индукционный электромеханический генератор переменного тока. Генераторов такого типа много, но любой из них имеет общие основные детали.

• Постоянный или электромагнит. С помощью него создается магнитное поле.
• Обмотка. В ней индуцируется переменная ЭДС.

Амплитуда ЭДС наводится в каждом витке обмотки. Так как витки соединены последовательно значения ЭДС будут складываться. ЭДС в рамке будет пропорциональна числу витков в обмотке. Для получения большого значения магнитного потока в генераторах делают специальную систему из двух сердечников.

В пазах одного сердечника размещаются обмотки, которые создают магнитное поле, а в пазах другого, обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников вращается, его называют ротором. Второй неподвижен и называется статором. Зазор между сердечниками стараются сделать как можно меньшим, чтобы увеличить поток вектора магнитной индукции.

На рисунке представлена модель простейшего генератора.

Принцип действия генератора

В генераторе, модель которого представлена на рисунке, магнитное поле создается постоянным магнитом , а проволочная рамка вращается внутри него. В принципе, можно оставить рамку неподвижной и вращать магнит. От этого ничего бы не изменилось .

В промышленных генераторах именно так и делается. Вращается электромагнит, а обмотки, в которых появляется ЭДС остаются неподвижными. Это связано с тем, что для того, чтобы подвести ток к ротору или снять с обмоток ротора, необходимо использовать скользящие контакты. Для этого используются щетки и контактные кольца. Сила тока, которая заставит вращаться ротор, много меньше, чем та, которую мы снимем с обмоток.

Поэтому удобнее подводить ток к ротору, а снимать ток со статора. В генераторах малой мощности, для создания магнитного поля используют вращающийся постоянный магнит, тогда подводить ток к ротору вообще необязательно. И использовать щетки и кольца не нужно.

При вращении ротора, в обмотках статора возникает ЭДС. Это происходит потому, что возникает вихревое электрическое поле . Современные генераторы это очень большие машины. Причем при таких размерах (несколько метров), некоторые важнейшие внутренние части изготавливаются с точность до миллиметра.

Трансформаторы

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Для преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

Условное обозначение трансформатора:

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

картинка

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N 1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e 1 = N 1 e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N 2 витков. В ней индуцируется ЭДС e 2 = N 2 e.

Следовательно: e 1 /e 2 = N 1 / N 2 .

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u 1 |≈|e 1 |.

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

§ 37 ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи 1 , солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.

1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.

Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы , в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.

Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока . Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.

Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

Генератор переменного тока. Принцип действия генератора переменного тока уже был рассмотрен в § 31.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф m = BS) через каждый виток (см. § 31).

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,

размещены в назах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшсим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно бьию бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля , порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если на паровозе весь процесс преобразования энергии топлива в механическую работу происходит на самом локомотиве, то при электрической тяге получение энергии из топлива происходит вне локомотива.
Рассмотрим последовательность преобразования энергии при работе электровоза от тепловой электрической станции (фиг. 1). При сжигании угля, обладающего химической энергией, последняя превращается в тепловую. Тепловая энергия нагревает воду в котле и превращает её в пар. Из котла пар поступает в паровую турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую энергию вращения колёс турбины. Паровая турбина вращает генератор электрической энергии, который вырабатывает переменный электрический ток. В генераторе механическая энергия превращается в электрическую. От генератора электрическая энергия, преобразованная в трансформаторах и на тяговой подстанции, в виде постоянного тока через контактную сеть и рельсы поступает в тяговые двигатели электровоза. Вращая тяговые двигатели электровоза, электрическая энергия преобразуется в механическую.
При работе машин и преобразовании энергии из одного вида в другой часть энергии тратится бесполезно.
Отношение полученной от машины или установки энергии к подведённой энергии носит название отдачи или коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия может быть также выражен как отношение мощности, получаемой от машины, к мощности, ей сообщаемой.
Большая часть полученной при сжигании топлива энергии тратится непроизводительно и только часть превращается в полезную работу.
Для рассмотренного выше примера преобразования энергии это происходит потому, что при сжигании угля не вся заключённая в нём энергия превращается в тепловую, так как некоторые частицы угля проваливаются в зольник, а также вылетают в несгоревшем виде;
часть тепла не передаётся котлу, а уносится вместе с отходящими из топки газами;
вода в котле получает не всю энергию, подведённую к котлу, так как часть её теряется через наружную поверхность, нагревая воздух;
турбина неполностью использует тепловую энергию, подведённую к ней в паре, так как отработавший пар уносит с собой большое количество тепла и часть тепла турбина теряет через наружные стенки;
полученная в турбине механическая энергия неполностью доходит до генератора, так как часть её теряется в подшипниках и на непроизводительное трение вращающихся частей о пар;
генератор электрической энергии теряет часть механической и электриче-ской энергии на трение и нагревание своих частей, а поэтому количество отдаваемой им электрической энергии меньше количества подводимой к нему механической энергии;
в трансформаторах, линии передачи, контактной сети и тяговой подстанции часть электрической энергии теряется в виде тепла;
в тяговых двигателях электровоза не вся электрическая энергия, получаемая ими через контактную сеть, превращается в полезную механическую работу, так как часть энергии тратится на нагревание частей двигателя и трение в подшипниках, щётках и о воздух.
Отношение количества энергии, получаемой от данной установки в виде полезной работы, к количеству энергии, заключённой в затраченном топливе, называется экономическим коэффициентом полезного действия. В рассмотренном примере с электровозом (фиг. 1 и 2) экономический коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен 90ппгг = 0,15, или 15%.
Экономический к. п. д. равен также произведению к. п. д. отдельных машин и установок, входящих в общую систему, т. е. равен
0,75 х 0,33 х 0,93 х 0,97 х 0,90 х0,94 х0,90 х 0,88 = 0,15,
где 0,75 - к. п. д. котла;
0,33 - к. п. д. турбины;
0,93 - к. п. д. генератора;
0,97 - к. п. д. повысительного трансформатора;
0,90 - к. п. д. линии электропередачи;
0,94 - к. п. д. тяговой подстанции;
0,90 - к. п. д. контактной сети;
0,88 - к. п. д. электровоза.
Таким образом, несмотря на то, что к. п. д. самого электровоза равен 0,88, экономический к. п. д. его при работе от тепловых станций Судет 0,15.