>> 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.

Современные ветряные турбины обычно состоят из мачты, гондолы, лопастей ротора, коробки передач, вала ротора, генератора и управляющих лопаток. Задача ветряных турбин - генерировать электричество от ветра. Они работают преимущественно по принципу плавучести, с лопастями ротора с аэродинамической формой, так как они также используются в самолетах. Обычно системы оснащены так называемыми роторами горизонтальной оси, которые необходимо отследить до направления ветра. Они требуют установки генератора в шпиле.

Энергия ветра уже давно играет решающую роль в человеческой цивилизации. Но относительно новым является использование ветровых турбин, чтобы выиграть электроэнергию от ветра, поэтому кинетическая энергия. Эта энергия создается солнечной радиацией в земной атмосфере - фактически, энергия ветра представляет собой форму солнечной энергии. Но как работает энергия от ветра?

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.

Ветровые турбины приносят электроэнергию, требуют ветра

Ветровые турбины генерируют электричество, потому что кинетическая энергия ветра воздействует на лопасти ротора и тем самым приводит к вращению ротора установки. Ротор направляет эту энергию вращения на генератор, который генерирует из него электрический ток. Затем он подается в энергосистему.

В целом, существует тенденция к созданию более мощных систем. Это сопровождается увеличением необходимой мачты. Эти пилоны высотой более 100 метров не всегда соответствуют одобрению органов власти и местных жителей, поэтому началась борьба за ветровые и утвержденные места.

§ 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.

Энергия ветра имеет высокую экономическую выгоду. В дополнение к сокращению импорта сырья и укреплению сельских районов, где в основном построены заводы, энергия ветра также создает много рабочих мест. Кроме того, ветряные турбины, электричество и ветер практически не загрязняют окружающую среду, а районы ветропарков продолжают использоваться для сельского хозяйства.

Античный - обнаружена электрическая особенность янтаря

Наш современный термин для электрики происходит от греческого термина для янтаря, электрона. Уже в Древней Греции внимательные наблюдатели обнаружили, что янтарь способен привлекать мелкие предметы, сильно втирая мех или ткань. Таким образом, в древности была обнаружена связь между статикой, т.е. генерируемой электричеством трения и магнетизмом. Однако знание осталось почти неизменным до начала века.

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.

Ученый Отто фон Герике был первым, кто с научной точки зрения применил феномен электромагнетизма. Протирка шара создала небольшое напряжение, из-за чего свечение серной сферы. Герике был не только первый генератор, но он также первым открыл явление электролюминесценции, способность некоторых веществ светиться при приложении напряжения. Но так как проволока электричества еще не была обнаружена металлическими проводами в то время, вы не могли бы многое сделать с генератором.

Узнав, как проводить электричество в металлических проводах, становятся все более популярными электрические машины, которые генерируют трение за счет трения. Наука использовала всплески, которые она создавала для экспериментов, медицина для лечения болезней и прекрасное общество, чтобы развлекать своих гостей. Крайне популярным в то время был электрический поцелуй на вечеринках.

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.

Однако генерация электричества статическими генераторами была только предшественником возраста электричества. Это началось с открытия известного физика Фарадея. Случайно, Фарадей заметил, что электрический ток течет при изменении магнитного поля, действующего на провод. Он обнаружил электромагнитную индукцию и способ генерации электрического тока путем преднамеренного изменения магнитного поля. С помощью этого открытия теперь стало возможным создавать генераторы из простых магнитов и металлических катушек для выработки электроэнергии.

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.

Он состоял из двух металлических катушек, под которыми магнит подковы вращался по вертикальной оси и генерировал переменное напряжение в двух катушках. По этому простому принципу велосипедные динамомы по-прежнему генерируют электроэнергию сегодня. Хотя генераторы с постоянными магнитами были неплохими. Но у них был большой недостаток: во-первых, они были очень тяжелыми, а во-вторых, сила магнитного поля была ограничена. Одним из способов повышения эффективности генератора было электрическое генерирование магнитного поля в железном сердечнике.

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).

Однако исследователи столкнулись с проблемой, что они нуждаются в напряжении, которое должно было генерировать генератор. После активизации он усиливается, и генератор генерирует свое собственное магнитное поле. Этот электродинамический принцип помог генерировать генераторы и, следовательно, развитие электротехники.

Видео этой статьи о первом введении является предметом электрических машин в качестве генератора. В то время как в первые дни электрическая энергия могла генерироваться только с помощью гальванических элементов, гальванические клетки до сих пор известны как лучшие - в середине века началось использование магнитной индукции для генерации электрической энергии.

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.

Генераторы, основанные на этом принципе, могут быть найдены сегодня во многих приложениях. Колесо динамо легкого двигателя автомобиля АЭС угольные электростанции гидроэлектростанции ветряные турбины. Генераторы и двигатели находятся рядом с трансформаторами на электрических машинах.

В то время как двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую энергию, преобразование энергии в генераторах идет в противоположном направлении. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. В принципе, почти каждый электродвигатель также может работать как генератор.

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.

Индукция движения - принцип генератора

Когда проводящий материал перемещается через магнитное поле, сила воздействует на электроны в этом проводнике. Таким образом, движущиеся электроны движутся в одном направлении. Это связано с избытком электронов и электронным дефицитом. И к электрическому напряжению. Процесс называется напряжением индукции напряжения.

Этот процесс индукции используется при работе генераторов для генерации электрического напряжения и, следовательно, электрической энергии. С помощью направления электрического напряжения можно определить. быть. В видеоролике эти физические явления сначала объясняются, а затем показана конструкция генератора.

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.

Вопрос о том, как электричество приходит к нам, чтобы мы могли читать в постели или находить ванную по ночам, мы едва успеваем во взрослую жизнь. В детстве у нас все еще были наивные идеи. Но прилежные грызуны, борющиеся в колесе хомяка, выпадают как объяснение для нас не позднее семи лет и эпохи мультфильмов, а также порабощенных дядей на велосипедах в подвале.

Как работает генератор?

Генератор преобразует кинетическую энергию или механическую в электрическую энергию - или, как мы говорим, электричество - вокруг. Сначала это звучит сложно, но на самом деле это не так!

Кто изобрел генератор

Натуралист и физик считается одним из самых ярких в Британии мозгов и в то время пытался повернуть электромагнит. До этого электричество могло генерировать магнитное поле. Его целью было противоположное: магнитное поле, генерирующее электричество. В конце концов появился фарадайш. Не путать с клеткой Фарадея, но и от него.

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.

Начнем с примера, который все знают, и который спрашивает нас, как работает генератор? делает понятным: велосипедное динамо. Используя всю нашу мышечную силу и педалирование, небольшое колесо приводится в динамо. Это колесо, в свою очередь, устанавливает катушку в движение. Вместе это происходит в магнитном поле, которое вызывает генерирование напряжения. Этот процесс также упоминается как индукция на жаргоне и гарантирует, что наш велосипедный свет начнет светиться.

Где производится наше электричество?

Точно так же, как с велосипедным динамо, также происходит на электростанции - только в гораздо большем размере. Существуют огромные магниты и катушки, а приводное колесо соответствует турбине. Тем не менее, нет волонтеров, ездящих на велосипеде и педалях, чтобы продвигать их. Потому что на самом деле это происходит, среди прочего, через водяной пар, который поднимается при нагревании большого количества воды.

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.

Генераторы представлены во всех: он играет центральную роль как в обычной энергетике, так и в возобновляемых источниках энергии. Например, ветряная турбина передает свое вращательное движение на приводной вал. А это, в свою очередь, управляет генератором, который затем генерирует электричество. А в воде направляется к турбинам. В этих турбинах находится лопастное колесо, похожее на большой пропеллер, который приводится в движение под воздействием воды. В результате в свою очередь генерируются генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электричество, подобную динамо-велосипеду.

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.

Генераторы также музыкально в пути!

С электростанции электричество затем преобразуется и подается в энергосистему. И это происходит так же надежно от нашего выхода. Независимо от того, электрическая гитара, э-бас или электрическое пианино: Как только мы нажимаем клавиши или струны, генератор приводится в инструмент - так называемый пикап. Подобно велосипедному динамо, здесь тоже есть катушка в магнитном поле, которая перемещается путем выщипывания струн или нажатия клавиш. Это создает напряжение, которое звучит очень хорошо с помощью усилителя.

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 .

Но вернемся к первоначально упомянутому колесу хомяка, или, вернее, к примерам того, как сила может вырабатываться силой мышц - где люди становятся своего рода зарядным устройством. Например, его можно включить в подошвы обуви, производя до десяти ватт на фут. Таким образом, энергия будет пополняться, просто работая постоянно и будет достаточной для того, чтобы держать мобильный телефон или ноутбук «в процессе».

Остается надеяться, что бизнес скоро начнет работать. Машина для преобразования механической энергии в электрическую. Для этой цели используется электромагнитная индукция движущегося проводника в петле магнитного поля. В принципе проводится различие между генераторами внутренних полюсов, в которых ротор является носителем магнитного поля, и индуцированное напряжение на обмотке статора снимается, а внешние генераторы полюсов, в которых статор накапливает поле, и напряжение на роторе постукивается.

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<0 – 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.