Номер 3, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.4. Почему в гидрогенераторах

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.

Промышленный генератор переменного тока (также называемый синхронным генератором или альтернатором) — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию трехфазного переменного тока. Он является основным источником электроэнергии на электростанциях.

Устройство промышленного генератора:

• Статор — неподвижная часть генератора. Он состоит из корпуса и сердечника, набранного из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах сердечника уложена трехфазная обмотка, в которой и индуцируется электрический ток. Витки трех фаз сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120°.
• Ротор — вращающаяся часть генератора, представляющая собой мощный электромагнит. На роторе расположена обмотка возбуждения, на которую подается постоянный ток. Этот ток создает сильное магнитное поле. Ротор механически соединен с валом турбины (паровой, газовой или гидравлической).
• Система возбуждения — устройство, которое питает обмотку ротора постоянным током. В современных мощных генераторах часто применяются бесщеточные системы возбуждения, где на одном валу с основным ротором находится ротор вспомогательного генератора (возбудителя). Переменный ток с возбудителя выпрямляется и подается в обмотку основного ротора, что исключает необходимость в скользящих контактах (щетках и контактных кольцах).
• Система охлаждения — из-за больших потерь мощности на нагрев (в обмотках и магнитопроводе) промышленные генераторы требуют эффективного охлаждения. В качестве охладителей могут использоваться воздух, водород или вода. Водородное и водяное охлаждение являются наиболее эффективными.

Принцип действия:

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции. В соответствии с законом Фарадея, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС).

1. Первичный двигатель (турбина) вращает ротор генератора.
2. Постоянный ток в обмотке возбуждения ротора создает постоянное магнитное поле. При вращении ротора это поле также вращается.
3. Вращающееся магнитное поле пересекает витки неподвижной обмотки статора.
4. Из-за этого в каждой из трех фазных обмоток статора индуцируется переменная синусоидальная ЭДС.
5. Так как обмотки статора сдвинуты в пространстве на 120°, индуцируемые в них ЭДС также сдвинуты по фазе на 120° друг относительно друга. В результате на выходе генератора получается система трехфазного переменного тока.

Частота вырабатываемого переменного тока $f$ строго зависит от скорости вращения ротора $n$ (в оборотах в минуту) и числа пар магнитных полюсов ротора $p$:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

Для поддержания стандартной частоты в сети (50 Гц в России и Европе) скорость вращения генератора должна быть строго синхронизирована.

Ответ: Промышленный генератор состоит из неподвижного статора с трехфазной обмоткой и вращающегося ротора-электромагнита. Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле ротора пересекает обмотки статора, индуцируя в них трехфазную ЭДС. Частота тока определяется скоростью вращения ротора и числом пар его полюсов.

4. Почему в гидрогенераторах ротор имеет большое число пар полюсов?

Это связано с низкой скоростью вращения гидравлических турбин, которые приводят в движение роторы гидрогенераторов, и необходимостью поддерживать стандартную промышленную частоту переменного тока (50 Гц в России).

Частота переменного тока $f$, вырабатываемого генератором, связана со скоростью вращения его ротора $n$ (об/мин) и числом пар полюсов $p$ следующей формулой:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

Из этой формулы видно, что для получения постоянной частоты $f = 50$ Гц при разной скорости вращения $n$ необходимо изменять число пар полюсов $p$.

• Турбогенераторы на тепловых и атомных электростанциях приводятся в движение быстроходными паровыми турбинами, скорость вращения которых составляет, как правило, $n = 3000$ об/мин. Для них число пар полюсов:

  $p = \frac{60 \cdot f}{n} = \frac{60 \cdot 50}{3000} = 1$ пара полюсов (т.е. 2 полюса).

• Гидрогенераторы на гидроэлектростанциях приводятся в движение гидравлическими турбинами. Скорость их вращения зависит от напора воды и обычно значительно ниже — от 60 до 750 об/мин. Чтобы при такой низкой скорости получить ток с частотой 50 Гц, необходимо использовать ротор с большим числом полюсов. Например, при скорости вращения $n = 120$ об/мин:

  $p = \frac{60 \cdot f}{n} = \frac{60 \cdot 50}{120} = 25$ пар полюсов (т.е. 50 полюсов).

Таким образом, большое число пар полюсов у гидрогенераторов является конструктивной необходимостью, позволяющей компенсировать низкую скорость вращения гидротурбины и вырабатывать ток стандартной частоты.

Ответ: Гидрогенераторы приводятся в движение низкооборотными гидравлическими турбинами. Чтобы при низкой скорости вращения ротора вырабатывать переменный ток стандартной промышленной частоты (например, 50 Гц), необходимо, согласно формуле $f = (p \cdot n)/60$, увеличивать число пар полюсов $p$.