После этого были предложены различные конструкции  электромагнитных генераторов. Магнито-электрические  машины были изготовлены многими  изобретателями: У. Риччи, И. Пикси, Ю. Кларком  и др., но все они были трудно применимы  для практического использования.

По заказу А.М. Ампера в 1832 г. И. Пикси (1808-1835) изготовил первый электрический генератор с коммутатором для получения постоянного тока. Он приводился в движение вручную.

В 1842 г. Д.С. Вулрич изготовил  мощный генератор постоянного тока, соединив его ременной передачей  с паровой машиной. Такой генератор  использовали для питания гальванических ванн.

1842 год считается  годом рождения электроснабжения  предприятий.

В 1856-1866 годах появилась  идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому: венгр А. Йедлик (1800-1895); немец  Э.В. Сименс (1816-1892); англичане Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варли; американец М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) и др.

Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз З. Грамм создал генератор с кольцевым ротором, тороидальной обмоткой и коллектором  почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил подобный электродвигатель.

В 1880 г. американец Т. Эдисон предложил делать магнитопровод  якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию  якоря.

В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения  коммутации.

Создание электрогенераторов и электродвигателей на постоянном токе решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась  затруднительной.

В 1876 г. П.Н.Яблочков создал дуговые лампы, которые гораздо  эффективнее работали на переменном токе. Для питания нескольких дуговых  ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки  с ответвлениями - прообраз трансформатора или простейший трансформатор с  разомкнутым сердечником.

Введение переменного  тока должно было позволить передавать электроэнергию с помощью повышающих трансформаторов напряжения на большие  расстояния. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного  тока.

Впервые идею вращающегося электромагнитного поля высказал Д. Араго в 1821 г. В 1885 г. Г. Феррарис. (1847-1897) предложил использовать двухфазный ток (систему двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 90°), который  дает возможность получить «вращающееся магнитное поле», и построил двигатель  переменного тока.

Н. Тесла (1856 - 1943) (рис. 40), удалось построить систему  из двухфазного генератора, трансформатора и двигателя.

Она была использована на Ниагарской гидростанции в США, система  требовала четыре провода для  передачи электроэнергии.

В 1888 году русский  изобретатель М.О. Доливо-Добровольский (1862-1919), создал трехфазную систему токов, которая затем получила признание  и распространилась во всем мире как  наиболее удобная и экономичная.

Вращающееся магнитное  поле было получено путем сдвига фаз  между токами одинаковой амплитуды  на 120°. М.О. Доливо-Добровольский разработал ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и создал короткозамкнутый асинхронный  двигатель. Трехфазная система, состоящая  изтрехфазного генератора, трехфазного  двигателя (рис. 42), и трехфазного  трансформатора, требовала для передачи и распределения электроэнергии всего три провода, являясь в  то же время симметричной, уравновешенной и экономичной. Затраты металла  были на 25 % меньше, чем в двухпроводной  линии однофазной системы. Трехфазный синхронный генератор был построен Доливо-Добровольским в 1890 г. Впервые  передача трехфазного тока на расстояние 170 км была продемонстрирована на Международной  электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне  в 1891 г. во время Международного конгресса  электротехников.

На базе электрических  генераторов и электродвигателей  стал конструироваться индивидуальный привод станков, механизмов и устройств.

Первое защитное заземление электрических машин  предложили русский инженер Р.Э. Классон и француз М. Депре. Генераторы электрического тока предъявили к первичному двигателю следующие требования: большое число оборотов, высокая  равномерность вращения и непрерывно возрастающая мощность. Паровая машина уже не отвечала этим требованиям, Она  имела 400-600 об/мин. Паровую машину вытеснила паровая турбина, которая имела большую скорость и более высокий КПД. Сейчас мощность паровых турбин достигает 1200 МВт. Турбина вместе с электрическим генератором называется турбогенератором

Работа  и устройство генератора переменного тока.

Работа основана на явлении электромагнитной индукции.

Устройство

1. Обмотка  статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В  ней наводится ЭДС.

2. Станина, внутри  которой размещены статор и  ротор.

3. Ротор (вращающаяся  часть генератора) создает магнитное  поле от электромашины постоянного  тока. Может иметь n пар полюсов.

4. Статор состоит  из отдельных пластин для уменьшения  нагрева от вихревых токов.  Пластины — из электротехнической  стали.

5. Клеммный щиток  на корпусе станины для снятия  напряжения.

При равномерном  вращении ротора в обмотках статора  наводится ЭДС:

где N - число витков обмотки статора.

 

Частота ЭДС  равна: v=np, где р - число пар полюсов, а n - число оборотов ротора в секунду.  На гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40 - 50, а на тепловых - 10 -16.

Генератор переменного тока (рис., б) состоит  также из двух основных частей: статора  с неподвижной обмоткой, в которой  индуцируется переменный ток, и ротора, создающего подвижное магнитное  поле. Полюсы ротора 10 поочередно проходят мимо неподвижных катушек, размещенных  в пазах с внутренней стороны  корпуса генератора. При этом в  сердечниках катушек, расположенных  с внутренней стороны корпуса  генератора, изменяется направление  магнитного потока, а следовательно, и направление индуцируемой в  катушке ЭДС. Обычно число полюсов  магнита на роторе и число катушек  в корпусе такое, которое необходимо для получения трехфазного тока. У трехфазных генераторов обмотки  часто имеют одну общую точку  — в ней соединяются их концы. Такая схема соединения называется «звезда», а общая точка обмоток  — «нулевой».

Трансформаторы

 

В 1848 г. французский  механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора.

П.Н. Яблочков, русский  изобретатель, разработал систему «дробления»  электрической энергии, впервые  использовав индукционную катушку  в качестве трансформатора с разомкнутым  сердечником для питания нескольких дуговых ламп. По существу он в 1889 г. Создал первый силовой трансформатор.

В 1882 г. русский электротехник  И.Ф. Усагин, а в 1884 г. французский  инженер Болард создали трансформатор  напряжения (для повышения или  понижения напряжения). Разработка силовых трансформаторов дала возможность  передавать электричество на дальние  расстояния, так как с возрастанием величины передаваемого напряжения уменьшаются потери электрической  энергии, и появляется возможность  уменьшить сечение проводов (рис. 43).

В 1885 году венгерские инженеры М. Дери и О. Блати вместе с К. Зиперовским разработали  трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. Появилась система распределения  электроэнергии, основанная на параллельном подключении трансформаторов к  питающей сети высокого напряжения.

В настоящее время  на электрических станциях и подстанциях  применяют понижающие и повышающие, двух- и трехобмоточные, трехфазные и однофазные силовые трансформаторы.

Трансформаторы тока применяют в установках переменного  тока всех напряжений для последовательных катушек измерительных приборов и реле защиты.

Первичную обмотку  трансформатора тока включают в цепь по следовательно, а ко вторичной  обмотке также последовательно  присоединяют катушки приборов и  реле. Между первичной и вторичной  обмотками трансформатора тока нет  электрической связи, поэтому они  надежно изолируют приборы и  реле от напряжения установки.

Трансформаторы напряжения применяют в установках переменного  тока для питания параллельных катушек  измерительных приборов и реле защиты. Первичную обмотку трансформатора напряжения подключают параллельно  к сети, а ко вторичной обмотке  присоединяют параллельно катушки  приборов и реле.

Трансформатор является одним из ключевых компонентов современной  энергетической системы. Он преобразует  напряжения в низкие или высокие  с малыми потерями энергии. Является важным элементом многих электроприборов, механизмов и устройств: зарядных устройств, радиоприемников, телевизоров, подстанций, электростанций и т.п.

Размеры трансформаторов  могут варьировать от горошины до громадин весом в 500 тонн. Уменьшение габаритов трансформаторов достигается  за счет более эффективного отвода тепла с помощью вентиляторов, внешних радиаторов, специальных насосов. Применяются системы испарительного охлаждения, однако они пока слишком дороги. Процесс совершенствования системы изоляции и охлаждения трансформаторов продолжается: улучшаются конструкции трансформаторов, способы охлаждения, ведётся поиск возможности использования сверхпроводимости обмоток.

В настоящее время  функции трансформаторов могут  брать на себя полупроводниковые  приборы. Однако трансформаторы еще  будут выполнять свою службу довольно длительное время, эффективно и незаметно  поддерживая функционирование электроэнергетических  систем, от которых зависит так  много в нашей современной  жизни.

                             

Трансформатор

Преобразует переменный ток: изменяются напряжение и сила тока, не изменяются мощность и частота I₂.

                                                                                    Устройство:

1. Замкнутый сердечник (магнитопровод): набор пластин из трансформаторной стали.
2. Две обмотки: первичная (к генератору) и вторичная (к нагрузке).

Принцип действия основан  на законе электромагнитной ин­дукции.

Эффект  трансформации возникает  из-за неодинакового  количества витков в  первичной и вторичной  обмотках!

 

При холостом ходе трансформатор потребляет из сети небольшую энергию, которая затрачивается  на перемагничивание его сердечника.

2. Работа под  нагрузкой. 

 

При включении  во вторичную цепь нагрузки R в ней  возникает ток I₂ той же частоты, что и ток I₁. Напряжение во вторичной цепи

 Т.к. участки нагрузки присоединяются  ко вторичной обмотке трансформатора  параллельно, то при увеличении  нагрузки сопротивление уменьшается,  а сила тока согласно закону  Ома увеличивается. Значит, напряжение  на нагрузке уменьшается.

 

Магнитное поле тока I₂ приводит к размагничиванию катушки, ее индуктивное сопротивление уменьшается, следовательно, при неизменном напряжении в первичной обмотке сила тока в ней увеличивается.

                   

                  Потери энергии в трансформаторе

 

Потери энергии  в трансформаторе складываются из:

 

- потерь на  нагревание обмоток; Поэтому обмотки  делаются из меди.

- потерь на  нагревание сердечника; Поэтому  сердечник делается наборным, все  пластины изолированы.

- потери на  перемагничивание сердечника; Сердечник  выполняется из мягкой трансформаторной  стали. 

 

При правильной конструкции КПД трансформатора 97—99%. Чем больше мощность, тем больше КПД.

КПД  η  97—99%.

 

Передача  электрической энергии

1. генератор переменного тока;

2- повышающие  трансформаторы;