§ 11. генератор переменного тока. Трансформаторы

Электрическую энергию в отличие от других видов энергии можно передавать со сравнительно малыми потерями на большие расстояния. Электроэнергию получают из других видов энергии с помощью специальных устройств: гальванических элементов, топливных элементов, солнечных батарей и др. Самые распространённые источники электроэнергии - генераторы переменного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции: в проводящем контуре, вращающемся в магнитном поле, возникает переменная ЭДС индукции (см. §10). Простейший генератор (см. рис. 11а) представляет собой неподвижный постоянный магнит или электромагнит (статор, 1), в поле которого вращается катушка (ротор, 2). ЭДС индукции соседних витков катушки складываются между собой, и поэтому амплитуда ЭДС индукции всей катушки пропорциональна количеству витков в ней. Контактные кольца (3), присоединённые к катушке ротора и подвижные контакты (щетки, 4) соединяют ЭДС индукции с внешней цепью. Ротор может приводиться в движение турбиной электростанции или двигателем внутреннего сгорания.

 Для возникновения ЭДС индукции не имеет значения, вращается ли катушка в неподвижном магнитном поле или катушка неподвижна, а вращается поле, – необходимо лишь их относительное вращение. Так как через подвижные контакты трудно пропустить большую силу тока, часто применяется обращенная схема генератора: электромагнит вращается, а катушка неподвижна.

Трансформатором называют электромагнитное устройство, позволяющее практически без потерь передавать электрическую энергию из одной цепи переменного тока в другую и при этом увеличивать или уменьшать его напряжение в несколько раз. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, сделанного обычно из стальных пластин, на который надеты две катушки (обмотки) – первичная и вторичная (рис. 11б). Работа трансформатора зависит от того, течёт или нет ток во вторичной обмотке.

Пусть ключ на рис. 11б разомкнут (режим холостого хода). В первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток Ф, пронизывающий обе обмотки. Так как Ф одинаков в обеих обмотках трансформатора, то изменение Ф приводит к появлению одинаковой ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Поэтому амплитуда ЭДС индукции в первичной E₁ и вторичной E₂ обмотках будет пропорционально числу витков в соответствующей обмотке, или  , где N₁ и N₂ – число витков в них, соответственно. Падение напряжение на первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с E₁, и поэтому для действующих значений напряжения в первичной U₁ и вторичной U₂ обмотках будет справедливо следующее выражение:

где величину К называют коэффициентом трансформации. При К>1 трансформатор называют понижающим, а при К<1 – повышающим.

Если ключ на рис. 11в замкнуть (нагрузить трансформатор), то во вторичной обмотке появится переменный ток. Если считать, что трансформатор передаёт энергию практически без потерь, то мощность, отбираемая трансформатором у источника переменного тока, должна быть приблизительно равна мощности в цепи, подсоединённой ко вторичной обмотке:

 

Из (11.2) следует, что, например, увеличивая напряжение во вторичной обмотке, трансформатор во столько же раз уменьшает величину тока в ней, и наоборот.

Вопросы для повторения:

·        На каком явлении основана работа генераторов переменного тока?

·        Как трансформатор понижает или повышает напряжение?

·        Что такое коэффициент трансформации?

 

 

Рис. 11.(а) – схема работы генератора переменного тока, на роторе 2 которого показан только один виток катушки; (б) и (в) – работа трансформатора при холостом ходе и нагрузке, соответственно.