§ 8. Генератори індукційного струму. Промислові джерела електричної енергії

Генераторами електричної енергії (мал. 63, а) називають електричні машини, що перетворюють механічну енергію в електричну. Розрізняють генератори постійного і змінного струму. Перші призначено для живлення споживачів електричної енергії постійним струмом, а другі – змінним.

Генератори постійного струму широко застосовуються в сучасній електротехніці. Наприклад, у техніці великих струмів генератори постійного струму використовуються в трамваях, на електричних залізницях і в інших спеціальних електротехнічних установках, де змінний струм використовувати не можна.

Мал. 63

Генератор змінного струму – електрична машина, у якій механічна енергія перетворюється в електричну за допомогою явища електромагнітної індукції. Більшість генераторів змінного струму використовують обертове магнітне поле.

Технічний індукційний генератор має таку будову.

Якщо виток розріжемо і кінці його з’єднаємо з кінцями зовнішнього кола за допомогою двох ізольованих одне від одного кілець, якими ковзають щітки зовнішнього кола (мал. 63, б), то отримаємо схему найпростішого генератора.

На малюнку 64 зображено найпростішу схему генератора змінного струму. Якщо коло замкнути, то в ньому проходитиме змінний індукційний струм. Із зовнішнім колом рамка з’єднується кільцями, закріпленими на одній осі з рамкою. За один оберт рамки полярність щіток змінюється двічі. Щоб збільшити напругу, яку знімають з клем генератора, на рамки намотують не один, а багато витків. У всіх промислових

генераторах змінного струму витки, у яких індукується змінний струм, установлюють нерухомо, а магнітна система обертається. 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 струм. Електрогенератори, які працюють з гідротурбінами, називають гідрогенераторами, а ті, що працюють з паровими турбінами, – турбогенераторами.

Як енергоносії людство використовувало силу м’язів, деревину, рушійну силу води, енергію Сонця тощо. У наш час основними енергоносіями стали вуглеводи і сполуки (нафта, газ, вугілля) та ядерне паливо. Як альтернативні енергоджерела майбутнього розглядається енергія Сонця, геотермічна енергія Землі, водень, термоядерна енергія.

Істотних змін структура паливно-енергетичного балансу світового господарства зазнала впродовж останніх ста років.

Якщо в першій половині XX ст. в енергобалансі світового господарства переважало вугілля і мали важливе значення дрова, то в останні десятиліття провідну роль відіграють нафта і газ. Кілька десятиліть на їх частку припадало 3/5 обсягу енергоспоживання. За прогнозами фахівців на початку XXI ст. їх частка знизиться, водночас збереже значення споживання вугілля і дещо збільшиться роль ядерної енергетики і нетрадиційних (альтернативних) джерел енергії.

Мал. 64

Рівень розвитку електроенергетики – один з найважливіших показників науково-технічного прогресу. Обсяги виробництва електроенергії та її виробництво на душу населення опосередковано визначають економічний потенціал та економічний рівень розвитку країни.

Попри гідроенергетичне будівництво (мал. 65), що триває в усьому світі, роль ГЕС в енергопостачанні постійно зменшується. Це пояснюється вищими темпами спорудження ТЕС (мал. 66), що працюють на мінеральному паливі.

За виробництвом електроенергії у світі перед веде теплоенергетика. Теплоелектростанції, що працюють на різних видах палива, розміщуються специфічно. У країнах, які мають великі розробки вугілля, потужні конденсаційні електростанції, що його використовують, прив’язано саме до цих розробок.

Атомна енергетика стала окремою галуззю після Другої світової війни. На сьогодні вона відіграє важливу роль в електроенергетиці багатьох країн світу. Атомні електростанції (АЕС) використовують транспортабельне паливо – уран, їх розміщують незалежно від паливно-енергетичного фактору та орієнтують на споживачів у районах з напруженим паливно-енергетичним балансом (мал. 67).

Вітрові електростанції (ВЕС) використовують енергію вітру, якою здійснюється обертання роторів генераторів (мал. 68).

Мал. 65

Мал. 66

Мал. 67

Мал. 68

Геліоелектростанції (ГеліоЕС) дають змогу безпосередньо перетворювати енергію Сонця в електричну енергію (мал. 69).

Геотермальні електростанції (геоТЕС) перетворюють теплову енергію Землі в електричну (мал. 70).

Мал. 69

Мал. 70

Генератор індукційного струму

По обмотці ротора тече електричний струм, який створює магнітне поле, що пронизую обмотку статора. Це принцип дії.

генератора змінного струму

генератора індукційного струму

генератора постійного струму

Що відбувається під час обертання ротора?

Змінюється кількість ліній магнітної індукції.

Виникає індукційний струм.

Змінюється магнітне поле.

Явище електромагнітної індукції відкрив у______ році англійський фізик ___________

1831 Майкл Фарадей

1832 Ісаак Ньютон

1833 Ганс Ерстед

1830 Анрі Ампер

Якщо вносити/ виносити постійний магніт із замкненої котушки з намотаним провідником, гальванометр покаже виникнення _____________.

§ 31. Генератори. Трифазний струм

Принцип дії індукційного генератора. Електричні машини, у яких механічна енергія перетворюється на електричну завдяки явищу електромагнітної індукції, називають індукційними генераторами. Зараз є багато різних типів індукційних генераторів, але всі вони складаються з однакових основних частин. Найпростіший індукційний генератор — рамка, яка рівномірно обертається у магнітному полі (мал. 135). Основні частини цієї установки такі: 1 — індуктор, який створює магнітне поле; 2 — якір (провідник, у якому наводиться ЕРС); 3 — металеві кільця; 4 — щітки.

Мал. 135. Найпростіша модель індукційного генератора

У зображеній на малюнку моделі генератора обертається дротяна рамка, яка є ротором (правда, без залізного осердя). Магнітне поле створює нерухомий постійний магніт. Зрозуміло, можна було б вчинити і навпаки: обертати магніт, а рамку залишити нерухомою.

Для отримання великого магнітного потоку в генераторах застосовують спеціальну магнітну систему (мал. 136), що складається з двох осердь, зроблених з електротех нічної сталі. Обмотки, що створюють магнітне поле, розміщені в пазах одного з осердь, а обмотки, у яких індукується ЕРС, — у пазах другого. Одне з осердь (зазвичай внутрішнє) разом зі своєю обмоткою обертається довкола горизонтальної або вертикальної осі. Тому воно називається ротором. Нерухоме осердя з його обмоткою називають статором. Зазор між осердями статора й ротора роблять якомога меншим, щоб збільшити потік магнітної індукції.

Мал. 136. Магнітна система генератора

У великих промислових генераторах обертається саме електромагніт, який є ротором, водночас обмотки, в яких наводиться ЕРС, укладені в пазах статора й залишаються нерухомими. Річ у тім, що підводити струм до ротора або відводити його з обмотки ротора в зовнішнє коло доводиться за допомогою ковзаючих контактів. Для цього ротор забезпечується контактними кільцями, приєднаними до кінців його обмотки. Нерухомі пластини (щітки) притиснуті до кілець і здійснюють зв’язок обмотки ротора із зовнішнім колом. Сила струму в обмотках електромагніту, що створює магнітне поле, значно менша за силу струму, що віддається генератором у зовнішнє коло. Струм, що генерується, зручніше знімати з нерухомих обмоток, а через ковзні контакти підводити порівняно слабкий струм до електромагніту, що обертається. Цей струм виробляється окремим генератором постійного струму (збудником).

У малопотужних генераторах магнітне поле створюється постійним магнітом, що обертається. У такому разі кільця та щітки взагалі не потрібні. Поява ЕРС в нерухомих обмотках статора пояснюється виникненням в них вихрового електричного поля, породженого зміною магнітного потоку внаслідок обертання ротора.

Сучасний генератор електричного струму — це значна споруда з мідних дротів, ізоляційних матеріалів і сталевих конструкцій. Маючи розміри в декілька метрів, найважливіші деталі генераторів потребують виготовлення з точністю до міліметра. Ніде в природі немає такого поєднання рухомих частин, які могли би породжувати електричну енергію настільки ж безперервно й економічно.

Генератор постійного струму виробляє струм постійний за напрямком і значенням (мал. 137). Це забезпечується тим, що ліва щітка колектора 3 завжди з’єднана зі стороною рамки 2, яка піднімається в полі постійного магніту 1, а права — зі стороною, яка опускається. На практиці обмотку якоря виготовляють із секцій, які з’єднують з окремими секторами колектора. Така конструкція зменшує пульсації струму, тобто робить його значення сталим.

Мал. 137. Схема генератора постійного струму

Трифазний струм. Генератор трифазного змінного струму відрізняється від індукційного генератора тим, що на його статорі замість однієї обмотки якоря розміщено три однакові обмотки, зміщені одна від одної на 120°. Початки обмоток позначено буквами А, В, С, а кінці — відповідно Х, Y, Z (мал. 138).

Мал. 138. Схема генератора трифазного струму

Струм, який виникає в обмотках генератора, називають трифазним струмом. Трифазний струм має важливі переваги порівняно зі звичайним змінним струмом, тому майже на всіх електростанціях встановлено генератори трифазного струму. Кожну з трьох фаз генератора можна було б приєднати окремими провідниками до споживачів і використовувати у вигляді окремих джерел змінного струму. Проте це недоцільно, і фази завжди з’єднують між собою.

На малюнку 139 показано спосіб з’єднання зіркою: кінці фаз генератора X, Y, Z з’єднують в один вузол О, який називають нейтральною точкою, або нейтраллю.

Аналогічно приєднані споживачі, що розбиті на три групи, які називають фазами навантаження. Генератор і споживачів з’єднують чотири провідники АА’, ВВ’, СС’, які називають лінійними, а ОО’ — нейтральним провідником.

Напругу між початком кожної фази А, В, С і нульовою точкою називають фазовими напругами й позначають U_A, U_B, U_C або в загальному випадку U_Ф. Напруги між початками обмоток, тобто між лінійними провідниками, називають лінійними, їх позначають U_AB, U_BC, U_AC або U_Л. Лінійні напруги дорівнюють різниці відповідних фазових напруг.

Наприклад, U_Л = U_AB = U_A – U_B на малюнку 140, а (с. 138) зображено вектором U_AB, який сполучає кінці векторів U_A і U_B (напрямленим з кінця вектора, який віднімають, до кінця вектора, від якого віднімають). Аналогічно визначають напруги U_BC і U_AC.

Мал. 139. Магнітна система генератора

У випадку з’єднання зіркою лінійна напруга в √3 раз більша за фазову: U_Л = U_Ф√3 . Так, якщо фазова напруга дорівнює 127 В, то лінійна становить 127 • √3 = 220 В.

Струми, які течуть у фазах, називають фазовими струмами (позначають І_Ф), а струми в лінійних провідниках — лінійними струмами (І_Л). Струми у фазах генератора дорівнюють відповідним лінійним струмам і струмам у фазах навантаження, тобто І_Ф = І_Л.

Величина цих струмів визначається фазовими напругами й опорами навантаження. Зазначимо, що тільки в разі активного навантаження струми збігаються за фазою з відповідними фазовими напругами; якщо ж навантаження має індуктивний або ємнісний характер, то струми відстають або випереджають напругу на кут φ. Струм у нейтральному провіднику I₀ дорівнює сумі фазових струмів. За однакового навантаження фаз струми І_А, І_В, І_С є однаковими за величиною й утворюють симетричну зірку векторів (мал. 140, б). У цьому випадку струм у нейтральному проводі дорівнює нулю.

Мал. 140. Векторні діаграми: а — напруг; б — сили струмів

Інший спосіб з’єднання — трикутником: початок кожної фази з’єднують з кінцем попередньої фази, так, що фази утворюють замкнений трикутник (мал. 141). У разі такого з’єднання U_Л = U_Ф, І_Л = І_Ф √3 .

Мал. 141. Схема з’єднання трикутником фаз генератора і фаз споживачів

Обмотки генератора можуть бути з’єднані зіркою, а споживачі — трикутником, і навпаки. Загальна активна потужність трифазної системи (незалежно від способу з’єднання) Р = Р_A + Р_B + Р_C = 3Р_Ф = 3І_ФU_Ф cos φ або Р = √3 І_ЛU_Л cos φ. Отже, це співвідношення доводить, що лінія передавання трифазного струму економічніша у порівнянні з лінією передач однофазного струму.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. На якому принципі ґрунтується робота генератора змінного струму? 2. Генератор струму почав обертатися нерівномірно. Як це вплинуло на характеристики створюваного ним змінного струму? 3. Для компенсації небажаного зсуву фаз між струмом і напругою на ділянці кола з електродвигуном використовують конденсатори необхідної ємності. Як їх вмикають — паралельно чи послідовно? 4. Яка система змінного струму називається трьохфазною? 5. Які способи з’єднання фазних обмоток трьохфазного генератора ви знаєте? 6. Яка напруга називається фазною; лінійною? Яке співвідношення між лінійними і фазними напругами в разі з’єднання обмоток генератора зіркою; трикутником? 7. Чому обмотки трьохфазного генератора найчастіше з’єднують зіркою?

Вправа 19

• 1. Частота змінного струму — 400 Гц. З якою частотою (в об/хв) має обертатись ротор генератора такого струму, якщо в нього: а) одна пара полюсів; б) n пар полюсів?
• 2. У скільки разів зміниться напруга генератора змінного струму, якщо частота обертання його ротора збільшиться в n разів?
• 3. Частота обертання ротора чотирьохполюсного генератора дорівнює 1500 хв -1 . Визначте частоту змінної ЕРС генератора.
• 4. Скільки пар магнітних полюсів має ротор гідрогенератора, якщо він виробляє змінний струм стандартної частоти? Частота обертання ротора —125 хв -1 .
• 5. Визначте коефіцієнт потужності та зсув фаз між напругою і силою струму, якщо вольтметр, підключений до електродвигуна, показав 220 В, амперметр — 10 А, а ватметр — 2 кВт.
• 6. Електродвигун живиться від джерела струму з ЕРС 24 В. У випадку, коли сила струму в колі 8 А, механічна потужність двигуна становить 96 Вт. Якою буде сила струму в колі, якщо загальмувати якір?
• 7. Електродвигун живиться від мережі з напругою 24 В. Яка потужність на валу двигуна (механічна потужність) за сили струму в його обмотці I = 8 А, коли відомо, що за повного гальмування якоря сила струму в колі I₀ = 16 А?
• 8. Генератор змінного струму має на роторі 6 пар полюсів. З якою частотою має обертатися ротор, щоб генератор виробляв струм стандартної частоти?
• 9. Ротор генератора має 50 пар полюсів й обертається із частотою 2400 об/хв. ЕРС якої частоти збуджується в цьому генераторі?