Генератор переменного тока

Простейшим генератором переменного тока является рамка, вращающаяся с частотой ω между полюсами постоянного магнита

Поток магнитной индукции через рамку

Угол φ меняется со временем по закону 

Тогда

Генерируемая ЭДС равна производной от потока со знаком "-":

Если между полюсами находится не один виток, а обмотка с N витками, то ЭДС

Генерируемое во внешней цепи напряжение и сила тока

Устройство генератора и изменение ЭДС со временем

  

Если снимать напряжение с нескольких выводов, то можно получить многофазный ток:

Передача электроэнергии

Электрическая энергия обычно производится далеко от тех мест, где она будет потребляться. Для передачи электроэнергии строятся линии электропередач, в которых необходимо минимизировать потери.

При протекании тока по проводам в них выделяется тепло, мощность которого зависит от силы тока:

по закону Джоуля-Ленца Q = I²Rt

Для уменьшения потерь нужно уменьшить силу тока. При неизменной передаваемой мощности P = IU необходимо повысить напряжениепеременного тока, для чего и служит трансформатор.

Трансформатор

Трансформатор - это устройство для преобразования напряжения переменного тока.

    

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Магнитное поле концентрируется внутри сердечника и одинаково во всех его сечениях. Мгновенное значение индукции ε_i в любом витке и первичной, и вторичной обмоток одинаково: ε₁ = ε₂.

ЭДС, действующие в обмотках, прямо пропорциональны числу витков в них.

Сила тока в первичной обмотке трансформатора во столько раз больше силы тока во вторичной обмотке, во сколько раз напряжение в ней больше напряжения в первичной обмотке:

Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях обмоток, когда сопротивления малы, то можно записать отношение и для напряжений на обмотках трансформатора

Работа трансформатора на холостом ходу

Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, а вторичную оставить разомкнутой, (этот режим трансформатора называют холостым ходом), то тока в ней не будет, а в первичной обмотке появится слабый ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток наводит в каждом витке обмоток одинаковую ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет прямо пропорциональна числу витков в этой обмотке.

ε ~ N

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U₂ будет равно наводимой в ней ЭДС ε₂.

U₂ ≈ ε₂

В первичной обмотке ЭДС Е₁ по числовому значению мало отличается от подводимого к этой обмотке напряжения U₁, практически их можно считать равными.

U₁ ≈ ε₁

Величина, показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации.

При подаче на первичную обмотку трансформатора какого-либо напряжения U₁ на вторичной обмотке мы получаем на выходе U₂. Оно будет больше первичного, если обмотка содержит больше витков, чем первичная.

Итак, если N₂ > N₁, то U₂ > U₁, коэффициент трансформации k < 1 и трансформатор называется повышающим.

Если N₂ < N₁ и U₂ < U₁, то k > 1 и трансформатор называется понижающим.

Если обмотки не содержат активного сопротивления или им можно пренебречь, то коэффициент полезного действия трансформатора близок к 100%:

Работа трансформатора с нагрузкой

Если во вторичную цепь трансформатора включить нагрузку, то во вторичной обмотке возникает ток. Этот ток создает магнитный поток, который согласно правилу Ленца, должен уменьшить изменение магнитного потока в сердечнике, что в свою очередь, приведет к уменьшению ЭДС индукции в первичной обмотке, поэтому ток в первичной обмотке должен возрасти, восстанавливая начальное изменение магнитного потока. При этом увеличивается мощность, потребляемая трансформатором от сети.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление вторичной обмотки R₂ (говорится о длине проводников из которых изготовлена обмотка, или о материале проводника, или о сечении и диаметре проводов обмотки), то на выходе вторичной обмотки напряжение U₂' будет меньше расчетного напряжения U₂ на величину падения напряжения ΔU = I₂·R₂ на этом сопротивлении из-за потерь энергии тока на джоулево тепло. На выход (на нагрузку) Rн  пойдет меньшее напряжение:

U₂' = U₂ – ΔU = U₂ – I₂·R₂

Потери напряжения ΔU находят по закону Ома для участка цепи: ΔU = I₂·R₂, откуда 

(отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн, так как R₂ и Rн соединены последовательно).

Напряжение на нагрузке по закону Ома для участка цепи сопротивлением , тогда 

Учитывая, что   можем всегда найти нужную величину напряжения или силы тока, количество витков в катушках.

Тогда КПД мпределяется как

Использование трансформаторов

Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако всегда остается принцип их действия: изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения. В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%.

• на заводах и фабриках при подаче напряжения к двигателям станков 380–660 В.
• при передаче электроэнергии по проводам от 100 до 1000В;
• для электросварки и электроплавки;
• в радиотехнике; и др.