ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Вынужденные электромагнитные колебания. Электрические лампы в наших квартирах и на улице, холодильник и пылесос, телевизор и магнитофон работают, используя энергию электромагнитных колебаний.

На применении электромагнитных колебаний основана работа электромоторов, приводящих в действие станки на заводах и фабриках, движущих электровозы.

Во всех этих примерах речь идет об использовании переменного электрического тока. Переменный электрический ток в энергетических электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний. Эти вынужденные колебания создаются генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Виток в однородном магнитном поле. Для выяснения принципа действия генератора переменного тока рассмотрим сначала, что происходит при вращении витка провода в однородном магнитном поле.

Пусть плоский виток имеет площадь и вектор индукции составляет с перпендикуляром к плоскости витка угол (рис. 233).

Рис. 233

Магнитный поток через площадь витка в этом случае определяется следующим выражением:

. (68.1)

При вращении витка с частотой угол изменяется по закону , тогда выражение (68.1) примет вид

. (68.2)

Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции в витке, согласно закону электромагнитной индукции равную производной потока магнитной индукции, взятой со знаком минус:

. (68.3)

Следовательно, изменения ЭДС индукции со временем будут происходить по гармоническому закону:

. (68.4)

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием этой ЭДС индукции в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока - переменный ток.

Машинный генератор переменного тока. В машинных генераторах переменного тока магнитное поле обычно создается электромагнитом, питаемым постоянным током. Допустимая сила тока ограничивается нагреванием скользящих контактов щеток. Поэтому в генераторах переменного тока большой мощности электромагнит является ротором, т.е. вращающейся частью машины (рис. 234). При вращении ротора возникает переменная ЭДС индукции в обмотках, расположенных в неподвижной части генератора - в статоре. Для увеличения ЭДС индукции используется обмотка статора с большим числом витков. Для увеличения магнитного потока эту обмотку наматывают на стальной сердечник и зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим.

Рис. 234

Если внутреннее сопротивление источника тока, т.е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в последовательно включенных витках обмотки:

. (68.5)

Самый мощный в мире турбогенератор переменного тока изготовлен для Костромской ГРЭС на Ленинградском заводе "Электросила". Его мощность - 1,2 млн. кВт.

Тепловая электростанция. Более 90% используемой человечеством энергии получается за счет сжигания угля, нефти, газа. Наиболее удобной для распределения между потребителями является электрическая энергия переменного тока. Для преобразования энергии химического горючего в электроэнергию используются тепловые электростанции. На тепловой электростанции освобождаемая при сжигании топлива энергия расходуется на нагревание воды, превращение ее в пар и нагревание пара. Струя пара высокого давления направляется на лопатки ротора паровой турбины и заставляет его вращаться. Вращающийся ротор турбины приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Генератор переменного тока осуществляет превращение механической энергии в энергию электрического тока.

Преобразование энергии переменного тока. При использовании переменного тока преобразования энергии не заканчиваются превращением механической энергии вращающегося ротора генератора в энергию электромагнитных колебаний переменного тока.

Переменный ток от генератора по проводам поступает к различным потребителям электрической энергии. Термин "потребитель электроэнергии" не означает, что существуют приборы или устройства, в которых энергия исчезает. Закон сохранения и превращения энергии строго выполняется в любых физических процессах, происходящих в природе и технике. В любом потребителе энергия переменного тока не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую в равной количественной мере. С помощью электродвигателя переменного тока происходит преобразование энергии электромагнитных колебаний в механическую энергию, а в лампах накаливания, в спиралях электрических плит и электрических печей электрическая энергия переменного тока преобразуется во внутреннюю энергию нагреваемых тел.

Успехи и перспективы развития электроэнергетики СССР. Производство и использование электрической энергии в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте играют исключительно важную роль в развитии человеческого общества. В.И. Ленин создал учение об электрификации как необходимой материально-технической базе построения коммунистического общества. Ленинские идеи электрификации страны получили конкретное воплощение в плане ГОЭЛРО - первом едином государственном перспективном плане восстановления и развития народного хозяйства Советской Республики, разработанном под руководством В. И. Ленина в 1920 г. План был рассчитан на 10-15 лет и предусматривал коренную реконструкцию народного хозяйства на базе электрификации. Намечалось строительство 30 районных электростанций общей мощностью 1,5 млн. кВт с годовой выработкой электроэнергии 8,8 млрд. кВт·ч. План ГОЭЛРО был в основном выполнен к 1931 г. В процессе подготовки плана ГОЭЛРО В.И. Ленин определил важнейшие принципы электрификации народного хозяйства страны:

- широкое использование для производства электроэнергии местных непервоклассных сортов топлива и водной энергии;

- осуществление концентрации и централизации энергоснабжения путем строительства мощных электростанций и высоковольтных линий электропередач, объединяющих тепловые и гидравлические станции;

- широкое применение электроэнергии не только в промышленности, но и в сельскохозяйственном производстве, на транспорте.

Ленинские идеи электрификации страны полностью реализуются в наши дни. На рисунке 235 представлена диаграммой годовая выработка электроэнергии в стране с 1913 по 1986 г. Годовое производство электроэнергии в стране выросло по сравнению с 1913 г. почти в 1000 раз и более чем в 3000 раз па сравнению с 1921 г.

Рис. 235

Единичная мощность электрических генераторов с 0,5 тыс. кВт в 1924 г. возросла до 1200 тыс. кВт, т.е. увеличилась в 2400 раз. Увеличение единичной мощности турбогенераторов ведет к снижению затрат материалов на их сооружение и строительство зданий, уменьшению числа обслуживающих работников. Все это обеспечивает снижение себестоимости производства электроэнергии.

В 1987 г. в стране выработано 1665 млрд. кВт·ч электроэнергии. Основными направлениями экономического и социального развития СССР планируется довести выработку электроэнергии в стране к 1990 г. до 1840-1880 млрд. кВт·ч.

При интенсивном развитии атомной энергетики и строительстве мощных гидроэлектростанций в настоящее время около 70% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. Основные энергетические запасы химического горючего и энергии рек расположены в восточных районах страны, а около 90% производимой в стране электроэнергии потребляется в европейской части страны. Это приводит к необходимости строительства сверхдальних линий электропередач. Продолжается формирование единой энергетической системы страны, в которой важная роль будет принадлежать межсистемным линиям электропередачи с напряжением 500, 750 и 1150 кВ переменного тока, 1500 кВ постоянного тока.

Планируется повысить производительность труда в электроэнергетике на 21-23% и снизить себестоимость электрической энергии на 4-5%.