68. 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 В индукции составляет с перпендикуляром и к плоскости витка угол (рис. 233).

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

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

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

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

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.

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

Самый мощный в мире турбогенератор переменного тока изготовлен для Костромской 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 хозяйственна 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 по сравнению с 1921 г.

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%.