Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 11. Виробництво та передача змінного струму
1. Як отримують змінний струм
У виробництві та побуті застосовують переважно змінний струм. Його виробляють за допомогою індукційних генераторів на електростанціях. Розберемося, на чому ґрунтується дія такого генератора.
Рис. 11.1. Обертання провідної рамки в однорідному магнітному полі
Щоб скористатися отриманою ЕРС, потрібно якось приєднати рухомі кінці рамки до нерухомих контактів зовнішнього електричного кола. Можна, наприклад, забезпечити, щоб металеве кільце від кожного з кінців рамки ковзало по своєму нерухомому пружному контакту (щітці), як показано на рис. 11.2 (таку систему не слід плутати з колектором, бо кожна щітка весь час зберігає контакт з одним і тим самим кільцем). Тоді щітки можна розглядати як полюси джерела струму.
Рис. 11.2. Модель генератора змінного струму
Принцип дії сучасних індукційних генераторів змінного струму такий самий, як у розглянутого нами пристрою. Такі генератори працюють на гідроелектростанціях, теплових і атомних електростанціях, застосовуються для живлення електричних приладів автомобіля тощо. Вони виробляють електричну енергію за рахунок роботи сил, які обертають ротор (обертову частину) турбіни. Обертання ротора турбіни передається ротору генератора; урешті-решт на електростанції відбувається перетворення механічної енергії води або внутрішньої енергії палива (хімічного, ядерного) в енергію електричного струму.
На рис. 11.3 схематично показано будову генератора змінного струму на електростанції. Зазвичай у потужних генераторах індукційний струм створюють в обмотках нерухомої частини генератора (статора), а ротор є електромагнітом. Отже, у таких генераторах індукційний струм виникає внаслідок обертання магнітного поля. Така конструкція дозволяє зменшити силу струму, що тече через ковзні контакти (сила струму в обмотках електромагніту набагато менша, ніж сила індукційного струму).
Рис. 11.3. Промисловий генератор змінного струму
Корпуси ротора та статора, виготовлені зі спеціальної електротехнічної сталі, «працюють» як осердя, які набагато збільшують магнітне поле та дозволяють збільшити потужність генератора. Щоб поле не послаблювалося, зазори між ротором і статором мають бути маленькими.
Промислові генератори мають ще одну суттєву відмінність від розглянутої нами рамки. Щоб у рамці виникав змінний струм промислової частоти, вона має робити 50 обертів щосекунди, тобто 3000 обертів за хвилину. Забезпечити таке швидке обертання ротора генератора на гідроелектростанції практично неможливо. Виявляється, це й не потрібно: можна застосувати таку конфігурацію обмоток ротора, що отримаємо електромагніт не з однією парою полюсів, а з більшою їх кількістю. Кількість п пар полюсів може дорівнювати 8, 14, 24, 35 тощо. Таким чином, протягом одного оберту ротора минає n періодів зміни магнітного потоку через обмотки статора. Тому частота змінного струму в п разів перевищує обертову частоту ротора. Це дозволяє отримувати змінний струм промислової частоти за значно меншої обертової частоти ротора (наприклад, 214 або 86 об/хв).
2. Передача електроенергії. Трансформатор
Одну з головних переваг енергії електричного струму перед іншими формами енергії зумовлено можливістю передавати цю енергію на тисячі кілометрів з відносно невеликими втратами. Розберемося, як це робиться і чому саме енергію змінного струму зручно передавати на великі відстані.
Лінії електропередачі (ЛЕП) перетинають нашу країну у всіх напрямах (рис. 11.4). Електроенергію виробляють головним чином потужні електростанції, а цю енергію слід розподілити по тисячах населених пунктів, заводів, забезпечити електрикою тисячі кілометрів залізниць, а електричним освітленням — автомобільні шляхи.
Рис. 11.4. Лінії електропередачі
Отже, для зменшення втрат залишається тільки один шлях — зменшувати силу струму І в лінії. Але це слід робити так, щоб загальна потужність струму P = UI не зменшилася*, тобто зменшення сили струму має супроводжуватися збільшенням напруги. Саме таку можливість надає трансформатор.
* Для змінного струму Р =UIcosφ, проте наведені міркування лишаються справедливими.
Розгляньмо будову та принцип дії найпростішого трансформатора. Це дві котушки (обмотки), які надіто на замкнене залізне (феромагнітне) осердя. На рис. 11.5, а показано позначення трансформатора на схемах. Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: передача енергії відбувається без електричного контакту обмоток через електромагнітне поле. Первинну обмотку приєднують до джерела змінного струму, а до вторинної приєднують споживача електричного струму. Залізне осердя підсилює та концентрує магнітне поле струму (практично всі лінії магнітної індукції проходять всередині осердя, як показано на рис. 11.5, б).
Рис. 11.5. Позначення та будова трансформатора
Тому магнітний потік через будь-який виток первинної або вторинної обмотки (рис. 11.5, в) є однаковим. Оскільки він змінюється з часом, то в кожному витку виникає однакова ЕРС індукції е0, яка теж залежить від часу. Наведена на рис. 11.6 логічна схема пояснює, чому трансформатор може перетворювати лише змінний струм (магнітне поле постійного струму не утворювало б вихрового електричного поля). Приєднання первинної обмотки трансформатора до кола постійного струму може навіть вивести трансформатор з ладу (сила струму в первинній обмотці буде завеликою).
Рис. 11.6. Принцип дії трансформатора
Потужність струму у вторинному колі дещо менша від потужності в первинному внаслідок втрат енергії. Проте в потужних сучасних трансформаторах втрати не перевищують 2-3 %.
Перш за все осердя весь час перемагнічується «у такт» зі змінами сили струму. Це спричиняє нагрівання речовини, іноді досить сильне. Щоб зменшити ці втрати енергії, осердя виготовляють з магнітном’яких матеріалів. Крім того, в осердя проникає вихрове електричне поле, воно створює в суцільному провіднику вихрові струми, які теж нагрівають осердя. Щоб уникнути цього, іноді застосовують діелектричні (феритові) осердя. Але найчастіше цього зробити не можна, тому осердя виготовляють з багатьох шарів тонкої сталевої стрічки, яку вкрито ізолюючим лаком (рис. 11.7). Численні шари цього лаку «на шляху» вихрових струмів забезпечують великий опір осердя та набагато зменшують вихрові струми.
Рис. 11.7. Будова осердя трансформатора
Як же побудовано систему передачі електроенергії? Генератор змінного струму на електростанції може бути розраховано, наприклад, на напругу 24 кВ. Для транспортування електроенергії на великі відстані навіть така напруга є занадто низькою. Тому на трансформаторній підстанції напругу підвищують до сотень кіловольт (наприклад, до 330 або 750 кВ). Електрична енергія за такої високої напруги передається з відносно невеликими втратами. Подальше підвищення напруги обмежене тим, що між проводами повітряної лінії може виникнути коронний розряд.
Дізнаємося більше
Чи залежить активний опір від частоти змінного струму? Коли йдеться про змінний струм за частот, близьких до промислової, можна вважати, що активний опір провідника не залежить від частоти — він такий самий, як електричний опір при постійному струмі (його називають омічним). Але ситуація принципово змінюється для змінного струму високої частоти. Такий змінний струм розподіляється по перерізу провідника нерівномірно — переважно у поверхневому шарі. Товщина такого шару в мідному провіднику становить 0,21 мм за частоти 100 кГц і лише 66 мкм за частоти 1 МГц. Цей ефект називають скін-ефектом (від англійського «skin», що означає «шкіра»). Унаслідок скін-ефекту при збільшенні частоти струму ефективна площа поперечного перерізу провідника зменшується, тому активний опір цього провідника збільшується. Щоб зменшити опір, інколи на поверхню мідного провідника наносять тонкий шар срібла (його питомий опір менший, ніж у міді); струм високої частоти переважно протікатиме саме у поверхневому шарі срібла. Існують і інші причини залежності активного опору від частоти.
Для безпосереднього використання електроенергії у виробництві, побуті та на транспорті треба зменшити напругу до стандартної та безпечнішої (найчастіше це 220 або 380 В). Таке зменшення напруги здійснюють за допомогою трансформаторів у кілька етапів (рис. 11.8). Лінії електропередачі з напругою кілька тисяч вольт доходять практично до кожного селища або міського кварталу.
Рис. 11.8. Схема розподілу електричної енергії
Електроенергію використовують практично всюди. За останні десятиріччя «енергоозброєність» наших квартир значно збільшилася, незважаючи на енергозберігаючі лампи та нові моделі побутових приладів (телевізорів, холодильників тощо) з меншим споживанням електроенергії. Значно збільшилася кількість пральних машин і електричних чайників, з’явилися мікрохвильові печі та комп’ютери. Нині вироблюваної в Україні електроенергії цілком вистачає для задоволення всіх наших потреб, Україна навіть експортує частину електроенергії. Проте це не знімає з порядку денного проблеми зменшення втрат електроенергії та економії енергоносіїв.
У планах — розвиток «малої енергетики», використання поновлюваних джерел енергії. Сучасні вітрогенератори (рис. 11.9) мають потужність від кількасот ват до кількох мегават. Такі електростанції дають у Німеччині понад 10 % всієї електроенергії. На жаль, вони є джерелами сильного шуму, тому їх не можна розміщати занадто близько до населених пунктів.
Рис. 11.9. Вітрогенератори
Над підвищенням надійності, ефективності та безпечності всіх типів електричного обладнання працюють учені та інженери багатьох розвинених країн.
3. Трифазний струм
Ви вже розумієте переваги змінного струму перед постійним. Але в усьому світі в основному застосовують не просто змінний, а трифазний змінний струм. Що ж це за струм? Щоб зрозуміти це, уявімо три окремих кола змінного струму, майже всі характеристики яких (частота та діюче значення ЕРС джерел струму Д1 - Д3, опір споживачів електроенергії) збігаються. Єдина відмінність — у фазах змінних ЕРС і, відповідно, напруг і сил струму. На рис. 11.10, а ми розмістили ці кола так, щоб три провідники йшли впритул один до одного (таке розташування не впливає на процеси в колах). Саме такі узгоджені змінні струми називають трифазним струмом.
Рис. 11.10. Знайомимося з трифазним струмом: а — три окремих кола; б — з’єднання зіркою
Як бачимо, трифазна система дозволяє зекономити майже половину провідників, що дуже важливо за великої відстані між джерелами струму та споживачами. На рис. 11.10, б показано з’єднання зіркою (існує ще з’єднання трикутником, яке ми тут не обговорюватимемо). Центральний провідник називають нульовим, три інші — фазними.
Зазначимо, що коли напруга «на кожній фазі» (наприклад, між точками О і Ф1) дорівнює U, то лінійна напруга «між фазами» (наприклад, між точками Φ1 і Ф2) становить U√3 (це теж легко довести методом векторних діаграм).
Розповімо коротко ще про одну перевагу трифазного струму. Якщо додаються магнітні поля трьох однакових котушок, що утворюють кути по 120° і приєднані до джерела трифазного струму, то результуюче магнітне поле рівномірно обертається, не змінюючись за модулем (рис. 11.11). Кутова швидкість такого обертання збігається з циклічною частотою змінного струму.
Рис. 11.11. Утворення обертового магнітного поля за допомогою трифазного струму: схематично показано магнітні поля кожної котушки та результуюче магнітне поле через інтервали часу, що дорівнюють 1/6 періоду
Уявімо, що в такому магнітному полі розміщено провідну рамку. У ній виникне індукційний струм, а внаслідок його взаємодії з магнітним полем рамка буде обертатися. Проте вона обертатиметься повільніше від магнітного поля.
Така система демонструє принцип діє асинхронного двигуна трифазного струму з короткозамкненим ротором. Нині саме такі електродвигуни (рис. 11.12) є найбільш поширеними в світі.
Рис. 11.12. Асинхронний двигун трифазного струму (поруч окремо схематично показано його короткозамкнений ротор — «білячу клітку»)
Асинхронні двигуни відрізняються простотою конструкції та високою надійністю в експлуатації, адже в них немає ковзних контактів, які могли б стати джерелом багатьох проблем (обмотка ротора взагалі не з’єднана із зовнішнім колом). Щоб змінити напрям обертання на протилежний, досить змінити порядок приєднання двох обмоток. Швидкість обертання ротора залежить від механічного навантаження.
Фізика і техніка в Україні
Виробництво енергетичного обладнання в Україні
Далеко не кожна навіть із розвинених країн може сьогодні забезпечити виробництво потужного сучасного електроенергетичного обладнання. Україна ж має таку можливість і виробляє продукцію високого рівня, яка користується попитом на світовому ринку. Провідні підприємства в цій галузі — Харківський турбінний завод (нині ВАТ «Турбоатом») і Харківський завод «Електроважмаш». Їх продукція постачається більше ніж у 45 країн світу на чотирьох континентах. Це парові турбіни для теплових і атомних електростанцій, гідравлічні турбіни для гідроелектростанцій, великі електричні машини постійного струму, електрообладнання для залізничного та міського електротранспорту. Досить сказати, що турбогенератори виробництва заводу «Електроважмаш» забезпечують 73 % потужності теплових електростанцій України.
ВАТ «Турбоатом» — одне з найбільших у світі турбобудівних підприємств, яке здійснює повний цикл виробництва: проєктування, виготовлення, поставку, наладку, фірмове обслуговування обладнання для всіх типів електростанцій. Співробітники «Турбоатому» відзначені Державною премією України в галузі науки і техніки за 2009 рік за створення парових турбін нового покоління потужністю 325 МВт.
Великі електричні машини, виготовлені в Україні
Підбиваємо підсумки
Змінний струм отримують за допомогою індукційних генераторів на електростанціях. Найпростішою моделлю такого генератора є провідна рамка, що рівномірно обертається в однорідному магнітному полі.
Передачу електроенергії на великі відстані для зменшення втрат здійснюють за високої напруги. Підвищення та зниження напруги змінного струму з малими втратами потужності забезпечують трансформатори.
Застосування трифазного змінного струму, тобто трьох узгоджених за фазою змінних струмів однакової частоти та практично однакової амплітуди, дозволяє значно здешевити лінії електропередачі та отримати обертове магнітне поле в системі без рухомих частин. На цьому ґрунтується дія асинхронних електродвигунів трифазного струму, що мають багато переваг перед іншими типами електродвигунів.
Контрольні запитання
1. На якому явищі ґрунтується дія генератора змінного струму? 2. У чому полягає принцип дії трансформатора? 3. Яка роль осердя трансформатора? Як зменшують втрати енергії на нагрівання осердя? 4. Запишіть вираз для коефіцієнта трансформації. 5. Що таке трифазний змінний струм? 6. Поясніть принцип дії асинхронного двигуна трифазного струму.
Вправа № 11
1. Рамка рівномірно обертається в однорідному магнітному полі. Як зміниться амплітудне значення ЕРС індукції в рамці, якщо обертову частоту збільшити вдвічі?
2. Кількість витків у первинній обмотці трансформатора дорівнює 40, а у вторинній — 160. Визначте коефіцієнт трансформації.
3. Коефіцієнт трансформації трансформатора дорівнює 5. Напруга та сила струму в первинній обмотці відповідно 220 В і 0,5 А. Визначте напругу та силу струму у вторинній обмотці.
4. Ротор генератора змінного струму є електромагнітом, який має 24 пари полюсів. Скільки обертів має робити ротор за хвилину, щоб частота індукційного струму в генераторі дорівнювала 50 Гц?
5. У скільки разів зменшаться втрати електроенергії на нагрівання провідників ЛЕП, якщо підвищити напругу у 20 разів?
6. Рамка площею 40 см2, яка складається з 20 витків мідного провідника, рівномірно обертається в однорідному магнітному полі з магнітною індукцією 0,2 Тл. Лінії магнітної індукції перпендикулярні до осі обертання рамки. Визначте амплітудне значення ЕРС індукції в рамці, якщо за секунду вона робить 2 оберти.
7. У якій з обмоток підвищувального трансформатора діаметр мідних провідників має бути більшим? Обґрунтуйте свою відповідь.
8. Як можна за допомогою вольтметра змінного струму, джерела змінного струму з напругою 6 В та ізольованого мідного провідника виміряти кількість витків в обмотках трансформатора, не розмотуючи ці обмотки?
9. Конденсатор приєднали через напівпровідниковий діод до розетки електричної мережі з напругою 220 В. Накресліть приблизний графік залежності напруги на конденсаторі від часу (конденсатор і діод уважайте ідеальними).
