11-3. Переменный ток промышленной частоты
Промышленная электротехника возникла в конце прошлого века. Первые центральные электростанции вырабатывали постоянный ток. Этот ток можно передавать и потреблять лишь при том же напряжении, при котором он вырабатывается на электростанции. Для питания электроламп применяют напряжение не выше 220 в. Более высокое напряжение чрезмерно опасно для жизни. Поэтому и центральные электростанции постоянного тока приходилось строить на напряжение 200 в. При таком напряжении электроэнергию можно передавать на расстояние не более 1 км. Электростанции постоянного тока стали вытесняться электростанциями переменного тока. Переменное напряжение легко можно изменять трансформаторами. Поэтому в линии электропередачи можно иметь высокое напряжение, а на месте потребления трансформаторами понижать его до безопасного значения.
В 1891 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский разработал свою знаменитую систему трехфазного переменного тока1.
1 Многофазными системами называют сочетание нескольких цепей простого переменного тока одинаковой частоты, но не одновременно изменяющихся — сдвинутых по фазе. Двухфазная система, например, состоит из двух цепей переменного тока; токи эти сдвинуты один относительно другого на четверть периода — 90°; когда в одной фазе ток максимальный, в другой ток переходит через нуль. В трехфазной системе три переменных тока сдвинуты один относительно другого на треть периода — на 120°.
Трехфазный ток имеет ряд ценных преимуществ перед другими системами переменных токов. Для передачи заданной мощности при заданном напряжении при трехфазной системе получается наименьший расход проводниковых материалов (меди, алюминия). Генераторы и двигатели трехфазного тока конструктивно совершеннее по сравнению с машинами для токов других систем.
Для этого тока Доливо-Добровольский создал простые и обладающие хорошими характеристиками асинхронные электродвигатели. Трехфазный переменный ток стал применяться для электрификации во всем мире.
Сначала электростанции переменного тока строились на различные частоты. Одни предпочитали частоты пониже — 16—25 периодов в секунду, другие более высокие частоты — 70, 90, 100 периодов в секунду; были также электростанции с частотой тока 42 периода в секунду. Станции с разной частотой не могли работать совместно, поэтому была установлена одна общая стандартная частота для всех электростанций. В Европе, в Азии, в том числе и в России, приняли частоту 50 периодов в секунду. В Соединенных Штатах Америки приняли частоту 60 периодов в секунду. И теперь во всем мире существуют эти два стандарта. Единицу частоты в честь знаменитого исследователя быстропеременных токов Генриха Герца назвали герц (Гц). Генераторы на электростанциях, линии передачи, распределительные сети теперь строятся на частоты 50 или 60 Гц. По сравнению с частотами тока в миллионы и даже миллиарды герц, применяемыми в радиотехнике, 50 и 60 Гц — это низкие частоты.
С первых лет развития промышленной электротехники строители центральных электростанций стремились увеличить мощность генераторов. Сначала мощным считался генератор на несколько десятков киловатт, потом появились генераторы на мощности в сотни и тысячи киловатт. Недавно казалось, что генератор на 100 тыс. кВт — это предел мощности. Теперь уже построены генераторы на мощность 300 тыс. кВт, и проектируются еще более мощные генераторы.
Частота переменного тока, вырабатываемого генератором, равна произведению числа пар полюсов ротора генератора (вращающейся части) на число оборотов в секунду этого ротора. На тепловых электростанциях (угольных, нефтяных, урановых) применяются быстроходные турбины на 50 об/сек (3 000 об/мин).
Рис. 11-2.
В турбогенераторах, соединенных с такими турбинами, ротор имеет лишь одну пару полюсов. На гидравлических электростанциях водяные турбины выполняются относительно тихоходными. Иногда они делают меньше одного оборота в секунду. Ротор гидрогенератора обычно несет несколько десятков пар полюсов.
Мощные генераторы переменного тока выполняются обычно на напряжения порядка 10—20 тыс. в. Более высоковольтные генераторы не вошли в практику из-за затруднений с изоляцией.
Для дальних линий электропередач применяют напряжение 100—200 тыс. в, а для линий передачи Волжские ГЭС—Москва применено напряжение 500 тыс. в. Напряжение магистральных линий передачи электрической системы СССР будут значительно выше 500 кВ. Генераторы соединяются с дальними линиями электропередачи при помощи повышающих трансформаторов. Такие же трансформаторы, только включенные на понижение напряжения, стоят и на приемном конце линии электропередачи. На нашей карте трансформаторы должны вытягиваться вдоль линий постоянной мощности, соединяя собой линии двух разных сопротивлений. Трансформаторы — это согласователи нагрузок. Повышающие трансформаторы позволяют подключить высоковольтную нагрузку, потребляющую небольшой ток, к сети с низким напряжением, но большим током. Понижающие трансформаторы, наоборот, согласуют нагрузку низкого напряжения и большого тока с высоковольтной сетью.
Трансформатор — важнейший аппарат электротехники переменных токов. В механике электрическому трансформатору соответствуют рычаги, зубчатые и другие передачи, которые меняют соотношения между силой и скоростью. Электрический трансформатор меняет соотношение между напряжением и током.
Электрический трансформатор для низкочастотного однофазного тока состоит из двух катушек, пронизываемых общим магнитным потоком. Этот магнитный поток создается током первичной катушки и, следовательно, изменяется, точно следуя изменениям тока. Переменный магнитный поток наводит во вторичной катушке — индуктирует, как говорят электрики, — напряжение точно такой же формы, т. е. изменяющееся во времени точно так же, как и напряжение, приложенное к первичной катушке. Величина же вторичного напряжения зависит от отношения чисел витков первичной и вторичной катушек трансформатора. Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации. Этот термин применяется и в механике. Так, в рычаге коэффициент трансформации — это отношение плеч, в зубчатой передаче — отношение зубцов ведущей и ведомой шестерен.
Когда во вторичной катушке витков больше, чем в первичной, то трансформатор — повышающий: напряжение вторичной обмотки получается выше, чем в первичной, а ток меньше. Если же, наоборот в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, то такой трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток.
В трансформаторах промышленной частоты, чтобы облегчить путь магнитному потоку, внутрь обмоток помещают сердечник из ферромагнитного материала. Промышленность выпускает специальную трансформаторную сталь в виде листов стандартной толщины 0,35 м. Из изолированных (покрытых лаком или оклеенных тонкой бумагой) полосок трансформаторной стали и собирают сердечники — магнитопроводы. Сердечник из массивного стального бруса нельзя применить. Стальной массив, помещенный внутрь катушки, обтекаемой переменным током, явится как бы коротко замкнутой обмоткой. В нем будут циркулировать токи, называемые вихревыми. Вихревые токи в сердечнике трансформатора вызывают вредные потери энергии. Если сердечник расслоить — собрать из отдельных изолированных один от другого листов или проволок, — то циркуляция вихревых токов ослабляется. Чтобы еще снизить потери на вихревые токи, в состав трансформаторной стали вводят кремний: он увеличивает электросопротивление стали и этим снижает силу вихревых токов и выделяемую ими энергию.
Огромно разнообразие машин, приборов, аппаратов переменного тока 50 Гц, применяемых в быту. В средней части карты переменного тока помещены некоторые электробытовые устройства.
Мощность электрической бритвы, например, всего лишь несколько ватт. При ежедневном бритье стоимость израсходованной электроэнергии за год — копейки 3—4.
Электронагревательные приборы для бытовых целей обычно имеют мощность нескольких сотен ватт. 300 — утюг, 600 вт — электроплитка, электрочайник. Мощность в несколько сотен ватт потребляют обычно и электродвигатели в холодильнике, электрополотере, пылесосе.
Много тысяч электродвигателей трехфазного тока 50 Гц работает в промышленности. Применяются двигатели на мощность от долей киловатта до тысяч киловатт. Чем быстроходнее двигатель, тем меньше его вес на единицу мощности. Поэтому стремятся применить возможно более быстроходные двигатели, а если рабочая машина имеет медленные движения, то применяют понижающую зубчатую или ременную передачу от двигателя.
В двигателях переменного тока вращающаяся часть — ротор увлекается вращающимся магнитным полем, которое создает обмотка неподвижной части — статора, подключаемая к питающей сети. Скорость вращения магнитного поля равна частоте тока, деленной на число пар полюсов обмотки статора. При двухполюсной обмотке получается наибольшая скорость —3 000 об/мин. Существуют различные типы двигателей. В одних ротор строго следует за вращающимся магнитным полем. Такие двигатели называют синхронными, так как ротор движется синхронно (одновременно) с магнитным полем. Но эти двигатели плохо берут с места, скорость их не может плавно регулироваться.
Больше всего распространены так называемые асинхронные двигатели, изобретенные впервые Доливо-Добровольским. В них ротор немного — на 2—3% — отстает от магнитного поля. Эти двигатели хорошо берут с места под нагрузкой, имеют простую, надежную конструкцию. Число оборотов их меньше скорости вращающегося магнитного поля на величину скольжения. При двухполюсном исполнении номинальная скорость асинхронного двигателя примерно 2 900 об/мин, при четырехполюсном — 1 450 об/мин, шестиполюсном — 940 об/мин. Двигатель с четырьмя парами полюсов делает 720— 740 об/мин.
На карте переменного тока промышленной низкой частоты мало можно найти устройств малой мощности, не они определяют электротехнику низкочастотного переменного тока.
Из маломощных устройств на токе с частотой 50 Гц в первую очередь должны быть отмечены магнитные усилители. Они имеют сердечники из стали (или из другого ферромагнитного материала), на которых расположены обмотки переменного тока и обмотки, обтекаемые током усиливаемого сигнала. Ток сигнала меняет магнитное насыщение сердечника и, таким образом, его магнитную проницаемость. От этого меняется индуктивное сопротивление обмоток переменного тока, меняется и величина текущего через них переменного тока. Переменный ток меняется в такт изменению тока сигнала. При этом мощность в цепи переменного тока, точно повторяющего изменения тока сигнала, может быть в десятки и сотни раз больше, чем мощность самого сигнала. При помощи магнитных усилителей, например, можно усилить мощность в 10-6 вт, отдаваемую измерительной термопарой, в тысячи раз. Строятся магнитные усилители и на большие мощности — в несколько киловатт.
Такие магнитные усилители могут управлять работой электродвигателей, поддерживать с высокой степенью точности режим электрических печей и т. д.
В технике переменных токов есть особенности, не встречающиеся в технике постоянного тока.
При постоянном токе произведение вольт на амперы дает мощность, выраженную в ваттах. Ее называют «активная мощность». На переменном же токе произведение вольт на амперы — вольт-амперы — это так называемая «полная мощность». Активная мощность в ваттах равна произведению полной мощности в вольт-амперах на коэффициент мощности, который может лежать в пределах от нуля до единицы. Этот коэффициент мощности равен произведению двух сомножителей: коэффициента искажения и коэффициента сдвига. Когда кривые тока и напряжения в точности подобны одна другой, обе являются синусоидами, одновременно проходят через нуль и одновременно принимают максимальное значение, то коэффициент мощности равен единице. Если же формы кривых тока и напряжения неодинаковы — например, одна из них является чистой синусоидой, а другая — искаженной синусоидой, то произведение тока на напряжение надо множить еще на коэффициент искажения, чтобы получить активную мощность.
Если кривые тока и напряжения обе являются идеальными синусоидами, но не одновременно переходят через нуль — между ними имеется сдвиг фаз, то активная мощность равна полной мощности, умноженной на коэффициент сдвига — косинус угла сдвига фаз между синусоидами тока и напряжения.
Когда сдвиг фаз между синусоидами тока и напряжения равен нулю, то коэффициент мощности cosφ=l. Активная мощность равна полной мощности. Электрики стремятся в своих установках приблизиться к этому идеальному случаю.
Когда сдвиг фаз между синусоидами тока и напряжения равен 90°, то коэффициент мощности равен нулю. Следовательно, равна нулю и активная мощность: произведение напряжения на ток в этом случае дает реактивную мощность, т. е. мощность, которая циркулирует в цепи, не производя полезной работы.
У асинхронных электродвигателей коэффициент мощности бывает обычно в пределах 0,7—0,9.
При коэффициенте мощности, равном 0,7, активная и реактивная мощности равны.
Реактивная мощность, циркулируя по линиям передачи, вызывает дополнительные потери энергии. Поэтому электрики стремятся повысить коэффициент мощности, приблизить его к единице и этим уменьшить потери электроэнергии.
Отношение реактивной мощности к активной зависит от частоты тока. В установках, работающих на токе с частотой 50 Гц, реактивная мощность в редких случаях превышает активную. В высокочастотных установках реактивная мощность может в десятки раз превышать активную. В радиотехнике применяются устройства, в которых реактивная мощность превышает активную в тысячи и даже десятки тысяч раз.
