Вопросы, страница 115 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Как устроен трёхфазный генератор переменного тока?

2. Какие преимущества даёт использование трёхфазной системы переменного тока?

3. Каков принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя?

1. Как устроен трёхфазный генератор переменного тока?

Трёхфазный генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию трёхфазного переменного тока. Он состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор — это неподвижная часть генератора. Он имеет сердечник, набранный из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах сердечника статора уложены три независимые обмотки, называемые фазными обмотками. Эти обмотки пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол 120 электрических градусов. Выводы обмоток подключаются к потребителю.

Ротор — это вращающаяся часть генератора, представляющая собой электромагнит (или, в некоторых случаях, постоянный магнит). Обмотка возбуждения ротора питается постоянным током через контактные кольца и щётки, создавая постоянное магнитное поле. Ротор приводится во вращение внешним механическим двигателем (например, паровой или гидравлической турбиной).

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки обмоток статора. В каждой из трёх обмоток индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Поскольку обмотки сдвинуты в пространстве на 120°, индуцируемые в них ЭДС также оказываются сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 120° (или $2\pi/3$ радиан). Таким образом, на выходе генератора мы получаем три синусоидальных напряжения одинаковой частоты и амплитуды, но сдвинутых по фазе.

Обмотки статора могут соединяться двумя способами: «звездой» или «треугольником».

• При соединении «звездой» концы всех трёх обмоток соединяются в одну общую точку (нейтраль), а начала служат выводами фаз. Это позволяет получить два напряжения: фазное (между фазой и нейтралью) и линейное (между двумя фазами), причём линейное напряжение в $\sqrt{3}$ раз больше фазного.
• При соединении «треугольником» конец одной обмотки соединяется с началом следующей, образуя замкнутый контур. В этом случае линейное напряжение равно фазному.

Ответ: Трёхфазный генератор состоит из неподвижного статора с тремя обмотками, сдвинутыми на 120°, и вращающегося ротора (электромагнита). При вращении ротора его магнитное поле пересекает обмотки статора, индуцируя в них три синусоидальные ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°.

2. Какие преимущества даёт использование трёхфазной системы переменного тока?

Использование трёхфазной системы переменного тока имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с однофазной, что обусловило её широкое распространение в производстве, передаче и распределении электроэнергии.

• Экономичность передачи энергии. Для передачи одинаковой мощности на одинаковое расстояние трёхфазная система требует меньшего расхода проводникового материала (примерно на 25% меньше), чем три независимые однофазные системы или одна однофазная система. Это приводит к значительной экономии средств при строительстве линий электропередач.
• Создание вращающегося магнитного поля. Трёхфазный ток, протекая по симметрично расположенным обмоткам (например, в статоре двигателя), легко и эффективно создаёт вращающееся с постоянной скоростью магнитное поле. Это свойство является основой для создания простых, надёжных и самозапускающихся асинхронных и синхронных электродвигателей, которые являются самыми распространёнными в промышленности.
• Постоянство мгновенной мощности. В отличие от однофазной цепи, где мгновенная мощность пульсирует с удвоенной частотой сети, в симметричной трёхфазной цепи суммарная мгновенная мощность всех трёх фаз остаётся постоянной во времени. Это обеспечивает более равномерную нагрузку на генератор и плавную, без вибраций, работу электродвигателей.
• Надёжность и универсальность. Трёхфазная система позволяет получить два уровня рабочего напряжения — линейное и фазное (при соединении «звездой» с нейтральным проводом), что удобно для питания различных потребителей (мощных трёхфазных и менее мощных однофазных). Кроме того, система более надёжна: например, трёхфазный двигатель может продолжать работать (хотя и с потерей мощности) при обрыве одной из фаз.

Ответ: Основные преимущества трёхфазной системы: экономичность передачи электроэнергии, возможность простого создания вращающегося магнитного поля для двигателей, постоянство мгновенной мощности в цепи, что обеспечивает плавную работу электродвигателей, а также возможность получения двух уровней напряжения (линейного и фазного).

3. Каков принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя?

Принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля для создания вращающего момента. Двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, не имеющего электрического контакта с внешней цепью.

1. Создание вращающегося магнитного поля. На обмотки статора, которые сдвинуты в пространстве на 120°, подаётся трёхфазное переменное напряжение. Синусоидальные токи, сдвинутые по фазе на 120°, создают в совокупности результирующее магнитное поле, которое вращается в пространстве с постоянной угловой скоростью. Эта скорость называется синхронной скоростью ($n_с$) и зависит от частоты питающей сети ($\text{f}$) и числа пар полюсов обмотки статора ($\text{p}$): $n_с = 60 \cdot f / p$ [об/мин].
2. Индукция ЭДС и тока в роторе. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники короткозамкнутой обмотки ротора (чаще всего выполненной в виде «беличьей клетки»). В соответствии с законом электромагнитной индукции, в проводниках ротора наводится ЭДС, под действием которой в замкнутой обмотке ротора возникает значительный ток.
3. Возникновение вращающего момента. На проводники ротора, по которым протекает ток, со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера (сила Лоренца). Совокупность этих сил создаёт электромагнитный момент, который стремится повернуть ротор.
4. Асинхронное вращение и скольжение. Согласно правилу Ленца, индуцированный ток всегда направлен так, чтобы своим действием противодействовать причине, его вызвавшей. В данном случае причина — это относительное движение поля статора и ротора. Поэтому ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и поле, стремясь его «догнать». Однако ротор никогда не может достичь синхронной скорости. Если бы их скорости сравнялись, относительное движение прекратилось бы, ЭДС и ток в роторе исчезли бы, и вращающий момент стал бы равен нулю. Поэтому ротор всегда вращается с несколько меньшей, асинхронной скоростью ($n_р$). Разница между синхронной и асинхронной скоростью, отнесённая к синхронной, называется скольжением: $s = (n_с - n_р) / n_с$. Именно наличие скольжения обеспечивает работу двигателя.

Ответ: Принцип действия основан на создании вращающегося магнитного поля с помощью трёхфазного тока в обмотках статора. Это поле индуцирует ток в короткозамкнутом роторе. Взаимодействие магнитного поля статора и тока ротора создает вращающий момент, заставляющий ротор вращаться в ту же сторону, что и поле, но с небольшой разницей в скорости (скольжением).