Электричество шаг за шагом

Т-170. Настоящий генератор: штрихи к портрету. От рамки, которая вращалась в магнитном поле, до настоящего электрогенератора так же далеко, как от зажигалки до ракетного двигателя, который выводит на орбиту многотонный спутник. Начнём с того, что на выходе типичного мощного генератора э.д.с. составляет несколько тысяч вольт, на одном виточке рамки такую электродвижущую силу не наведёшь. В настоящем генераторе она наводится в многовитковых катушках, как известно, э.д.с., наведённая в отдельных витках катушки, суммируется. Далее, катушки, в которых наводится э.д.с., не вращаются в поле постоянного магнита, как вращалась наша учебная рамка. В реальном генераторе катушки, в которых наводится э.д.с., входят в неподвижную его часть — в статор. А сам магнит, точнее электромагнит, находится в роторе, он вращается внутри системы этих неподвижных катушек, внутри статора. В обоих вариантах (вращается основная обмотка или вращается магнит) основная обмотка и магнитное поле встречаются в движении, так что в принципе разницы никакой нет, а вот выигрыш во втором варианте очень большой. Выходное напряжение генератора немалое, выходная мощность — сотни тысяч киловатт, снять такую большую мощность с помощью скользящих контактов очень непросто. А вот подвести ток к катушке вращающегося электромагнита — значительно проще.

Ещё одна примета настоящей электрической машины. В ней главный работник — магнитный поток, который должен быть как можно более сильным. Поэтому поток, как в сердечнике трансформатора, в основном замыкается через железо — статор собран из стальных пластин, и ротор тоже стальной, но не пластинчатый. Магнитное поле этого электромагнита вращается вместе со своим сердечником и вихревых токов в нём не наводит. Зазор между статором и ротором минимальный, для этого обмотка ротора уложена в пазы, чтобы она не выступала, не заставляла увеличить зазор. Статор и ротор имеют каждый свою систему жидкостного охлаждения, позволяющую создавать генератор более высокой мощности.

И ещё одна важная особенность: в настоящем генераторе очень часто не два магнитных полюса, а несколько пар полюсов. Как известно, во многих странах, в том числе и в России, для сетей переменного тока принята частота 50 герц, то есть 50 периодов в секунду или 3000 периодов в минуту. Чтобы получить такую частоту в двухполюсном генераторе, его ротор должен совершать 3000 оборотов в минуту, а это многовато — в больших машинах из-за больших центробежных сил возникают серьёзные проблемы прочности, да и некоторым первичным двигателям удобнее (Т-8) вращаться медленнее. Если в генераторе две пары магнитных полюсов, то на каждый оборот ротора приходится 2 периода переменного тока, и частота 50 герц получается уже не при 3000, а при 1500 оборотах в минуту. Чтобы получить 50 герц при трёх парах полюсов, ротор должен вращаться со скоростью 1000 оборотов в минуту.

Кстати, электрическая машина, о которой идёт речь, — это синхронный генератор, напряжение на его выходе меняется синхронно с вращением ротора. Если при определённом его положении появляется, например, положительная амплитуда, то она всегда будет появляться, когда ротор проходит через эту точку. Понятие синхронности ещё пригодится нам, когда речь пойдёт о двигателях — синхронных и асинхронных.

Что стоит за цифрами, называющими мощность электрогенератора, легче представить себе, если вспомнить следующее: энергетики считают, что каждому городскому жителю в среднем нужна электрическая мощность 3 киловатта, каждому сельскому жителю 2 киловатта, для заводов и других производств счёт особый. Электрические генераторы для электростанций обычно имеют мощность от 100 до 500 тысяч киловатт, хотя уже есть сверхмощные генераторы на 1 миллион и даже на 1,2 миллиона киловатт. На электростанции всегда несколько генераторов, а сами станции объединяются в крупные системы, снабжающие электроэнергией огромные территории, сотни городов, тысячи предприятий.

ВК-201.Свобода художника проявилась в том, что на одной картинке показаны две эпохи развития электрических сетей. Справа большие дома, электричество приходит к ним по подземному силовому кабелю через понижающий трансформатор. Слева воздушная линия на столбах, она снабжает электричеством небольшие поселковые дома, на столбах находятся и понижающие трансформаторы. В обеих сетях к трансформаторам приходит высокое напряжение, например 6000 В, потребитель получает 220 В.