Главное преимущество использования переменного тока, перед постоянным становиться очевидным, при решении задачи передачи электроэнергии на расстояние. При увеличении расстояния повышается суммарное электрическое сопротивление проводов, а также растут потери на их нагрев.
Существенно снизить потери можно:
- снижая электрическое сопротивление проводов (делая их толще или изготавливая их из другого материала);
- повышая напряжение (что приводит к уменьшению силы тока).
Чтобы вчетверо снизить потери, приходится либо вчетверо снижать сопротивление, либо вдвое повышать напряжение.
В случае использования переменного тока напряжение легко изменяется с помощью трансформаторов, при этом КПД трансформаторов очень высокий, до 99 %.
Это даёт возможность передавать ток по высоковольтным магистральным линиям на большие расстояния (сотни километров), предоставляя потребителю электроэнергию через понижающие трансформаторные подстанции.
Простейшую модель генератора переменного тока, можно сделать, используя катушку с проводом, и планку с постоянными магнитами, которые закреплены на ней разными полюсами.
Подключив на выход катушки 2 светодиода навстречу друг другу и протащив такую планку над катушкой на выходе получается переменный ток. (ток который меняет значение и направление).
При этом на выходе катушки получается синусоидальная ЭДС.
Осталось свернуть магнитики (магнитное поле) в кольцо, поставить нужное количество катушек, чтобы получить необходимое напряжение, трансформировать и передавать электроэнергию по двум проводам?
Но как известно во всем мире для передачи электроэнергии используются либо три провода, либо четыре. Зачем?
Разберем это на примере модели мини-трехфазного генератора, принцип работы которого аналогичен изделиям применяемым в промышленности.
На выходе генератора трёхпроводной клеммник. Нагрузку из трех одинаковых ламп накаливания можно подключить по следующей схеме.
Не смотря на маленький размер - три лампы накаливания данный генератор тянет на ура, а 4-й общий для всех ламп провод (который обычно называется нулевым проводником) не нужен.
Но такого-же эффекта можно бы было добиться и используя только 2 провода соединив все катушки и лампы последовательно. Но, у трехфазного генератора есть одно преимущество недоступное однофазным.
Для этого возьмем еще один точно такой же трехфазный генератор, снимем с него ротор, а вместо него повесим нехитрую конструкцию из медной проволоки, которая именуется "беличья клеть".
В роторе из медной проволоки нет ни каких магнитов, так что вращаться такая конструкция сможет только во вращающемся магнитном поле.
Направление вращения ротора электродвигателя будет зависеть от направления вращения ротора электрогенератора.
Что в итоге получается? Используя вращающееся магнитное поле на стороне генератора мы создали электрический ток. Этот электрический ток на стороне двигателя снова создал вращающееся магнитное поле. В такой конструкции электродвигателя нет - ни коллекторного узла со щетками, ни сложной электронике по переключению токов в обмотках.
На картинке представлена схематическое изображение генератора:
Ротор состоит из 12-ти постоянных магнитов, которые обязательно чередуются своими полюсами. Статор состоит из 9 катушек.
Лампы имеют одинаковую мощность - поэтому нулевой проводник не нужен. Если это понимание вызывает некоторые затруднения - читайте мою статью:
Если Вам не понятно почему что-то совсем не обладающими магнитными свойствами (рамка из медной проволоки) вращается в магнитном поле читайте статью:
Вообще, вращающееся магнитное поле можно создать используя и двухфазную систему электроснабжения. Типичный двухфазный электродвигатель можно встретить в любом ПК или ноутбуке - по такому принципу работают компьютерные вентиляторы. Двухфазный переменный ток там, создает управляющая электроника. Подробнее об этом можно узнать в этой статье.
Двухфазную систему электроснабжения в 1888 году запатентовал Никола Тесла.
Однако для того чтобы передавать энергию от генератора к потребителю, в двухфазной системе требуются 4 провода, поскольку объединить концы обмоток так, чтобы по ним не шел ток - не представляется возможным.
Когда Российский ученый Доливо-Добровольский придумал сместить обмотки в генераторе под углом 120 градусов, то у него получилась трехфазная система.
Он долго шел к этой разработке, и в итоге продемонстрировал её на международной электротехнической выставке во Франкфурте в 1891 году. Именно тогда была создана первая линия электропередачи протяженностью 170км. В начале этой линии был генератор, который создавал трехфазное напряжение, сама трехфазная линия, и в конце был потребитель - искусственный водопад.
Лауфен-Франкфуртская передача была подвергнута всестороннему изучению. экспертной комиссией. Выводы этой комиссии сводятся к следующему:
- передача электрической энергии на расстояние в 170 км переменным током при напряжении 8500 В голым медным проводом доставляла, во Франкфурт от 68,5% до 75,2% выработанной в Лауфене энергии;
- потери при передаче ограничивались сопротивлением проводов;
- передача была такой же бесперебойной, безопасной и правильной, как при напряжении в несколько сот вольт и расстоянии в несколько метров.
Это заключение имело громадное историческое значение, так как к Лауфен-Франкфуртская передача соединила в себе все звенья новой электротехники, она включила трехфазный генератор и двигатель, трансформатор и высоковольтную линию переменного тока.
Именно с опытной передачи трехфазного переменного тока из Лауфена на Франкфурт в 1891 году берёт своё начало вся современная электрификация.
Полный список статей канала доступен по этой ссылке:
Всем удачи.