Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия
Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.
Превращение механической энергии в электрическую
Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.
Устройство и конструкция генератора переменного тока
Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:
- Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
- Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
- Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
- Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.
В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:
- Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
- Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.
Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:
- С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
- С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.
В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.
Схема генератора переменного тока
Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.
Классификация и виды генераторов
Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.
По принципу работы
Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.
Асинхронный
У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.
Синхронный
Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.
По типу топлива двигателя
Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.
Газовый генератор
В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:
- Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
- Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
- Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
- Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.
Дизельный генератор
Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:
- Относительная дешевизна топлива;
- Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
- Высокий уровень противопожарной безопасности;
- В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
- Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.
Бензогенератор
Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:
Получение переменного электрического тока
Переменным током, в традиционном понимании, называется ток, получаемый благодаря переменному, гармонически изменяющемуся (синусоидальному) напряжению. Переменное напряжение генерируется на электростанции, и постоянно присутствует в любой настенной розетке.
Для передачи электроэнергии на большие расстояния также используется именно переменный ток, поскольку переменное напряжение легко повышается при помощи трансформатора, и таким образом электрическую энергию можно передать на расстояние с минимальными потерями, а затем обратно понизить с помощью трансформатора до приемлемого для бытовой сети значения.
Генерация переменного напряжения (и соответственно тока) осуществляется на электростанции, где промышленные генер аторы переменного тока приводятся во вращение от турбин, движимых паром высокого давления. Пар получается из воды, которая сильно разогревается теплом, выделяемым в процессе ядерной реакции или при сжигании ископаемого топлива, в зависимости от типа конкретной электростанции. В любом случае, вращение генератора переменного тока — это и есть причина образования переменного напряжения и тока.
Для ответа на вопрос, как в генераторе образуется переменный ток, достаточно рассмотреть элементарную модель, состоящую из куска провода, и магнита, попутно вспомнив силу Лоренца и закон электромагнитной индукции. Допустим, провод длиной 10 см лежит на столе, а у нас в руке сильный неодимовый магнит, размер которого немного меньше провода. Присоединим к концам провода чувствительный гальванометр или стрелочный вольтметр.
Поднесем магнит одним из полюсов близко к проводу, на расстояние менее 1 см, и быстро проведем магнитом над проводом поперек него слева направо — пересечем магнитным полем магнита проводник. Стрелка гальванометра резко отклонится в определенную сторону, затем вернется в исходное положение.
Перевернем магнит другим полюсом к проводу. И снова, движением руки слева на право, быстро пересечем магнитным полем экспериментальный проводник. Стрелка гальванометра резко отклонилась в другую сторону, затем вернулась в исходное положение. Вместо того чтобы переворачивать магнит, можно сначала совершить движение слева направо, а потом — справа налево, эффект смены направления генерируемого тока получится аналогичным.
Эксперимент показал, что для получения переменного напряжения нам необходимо либо двигать магнит поперек провода вправо-влево, либо пересекать проводник чередующимися магнитными полюсами. В генераторе на электростанции (и во всех традиционных генераторах переменного тока) применен второй вариант.
Принцип действия генератора — получение переменной электродвижущей силы (напряжения)
Переменное синусоидальное напряжение
Генератор переменного тока на электростанции состоит из ротора и статора. Механическая энергия вращающейся турбины передается ротору. Магнитное поле ротора сконцентрировано на его полюсных наконечниках, и создается либо закрепленными на нем постоянными магнитами, либо током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора.
Обычно обмотка статора состоит из трех отдельных обмоток, смещенных относительно друг друга в пространстве, что приводит к возникновению переменного напряжения и тока в каждой из трех обмоток. Таким образом, каждая из трех обмоток статора является источником переменного напряжения, причем мгновенные значения напряжений смещены по фазе относительно друг друга на 120 градусов. Это и называется трехфазный переменный ток.
Получение трехфазного переменного напряжения и тока
Ротор генератора с двумя магнитными полюсами, вращающийся с частотой 3000 оборотов в минуту, дает 50 пересечений каждой фазы обмотки статора за секунду. А поскольку между магнитными полюсами имеется нулевая точка, то есть место, где индукция магнитного поля равна нулю, то во время каждого полного оборота ротора наведенное в обмотке напряжение переходит через ноль, затем изменяет полярность. В результате напряжение на выходе имеет форму синусоиды и частоту 50 Гц.
Когда источник переменного напряжения соединен с нагрузкой, в цепи получается переменный ток. Напряжение и максимально допустимый ток статора тем больше, чем сильнее магнитное поле ротора, т.е. чем больше ток протекающий в обмотках ротора. У синхронных генераторов с внешним возбуждением напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу основного генератора.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Так все таки, как мы получаем электричество?
Сегодня я постараюсь вам рассказать, как же производят бОльшую часть электричества в мире. Чем постоянный ток отличается от переменного. И коротко об устройстве машин, которые электричество вырабатывают.
Постараюсь понятно все рассказать, чтобы не было таких же казусов, как в мемасе). Поехали!
У всех на слуху эти слова: переменный и постоянный ток. Хочется, чтобы разницу знали все, но я понимаю, что это не так. Попробую рассказать, что из себя представляют эти токи, но без углубления в физику.
Постоянный ток – течет в одном направлении, от плюса «+» к минусу «-» или от точки с бОльшим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Если взять проволочку и прислонить к контактам пальчиковой батарейки, то проволока нагреется, вот тут как раз постоянный ток себя и проявит.
Перейдем к переменному току, тут все сложнее. Представьте, что у той же батарейки, контакты меняли бы свои знаки полюсов. То есть вы смотрите на батарейку, на один из контактов, а там то плюс, то минус, то плюс, то минус и так же происходит со вторым контактом. Магия, да и только!
Переменный ток вырабатывают генераторы переменного тока, как не странно. На их выводах знаки + и – меняются с частотой 50Гц, то есть, если замкнуть эту цепь, то ток за 1 секунду будет течь по проводнику 50 раз в одну сторону и 50 раз в другую. Сложно, но держимся!
Еще раз, переменный ток меняет свое направление сто раз в одну секунду. Вот тут и есть главное отличие от постоянного тока.
Нашел картинку из советского учебника:
Перейдем к тому самому получению электричества. Есть специальные объекты – электростанции. Сейчас расскажу про основные виды станций:
На тепловых станциях сжигают топливо (газ, уголь, мазут), тепловая энергия передается воде, вода превращается в пар, а пар вращает ротор турбины, а турбина вращает ротор генератора (устройство в целом называется турбогенератор). Генератор «выдает электричество».
Теперь про гидроэнергетику:
Крупнейшая ГЭС России — Саяно-Шушенская:
Специально обученные люди строят плотину. С одной стороны плотины воды становится много, а с другой мало. Вода под напором проходит сквозь гидроагрегаты и вращает их. Генератор вырабатывает электричество.
В атомных реакторах происходит реакция распада и выделяется огромное количество теплоты. Тепловая энергия нагревает воду, вода превращается в пар, который вращает ротор турбогенератора.
Как вы заметили, общий принцип получения электричества следующий – вода или пар вращает ротор генератора, генератор вырабатывает электричество.
Перейдем к конструкции генератора.
На электростанциях устанавливают синхронные генераторы. Почему синхронные рассказывать не буду, это сейчас не к чему.
Основные части синхронного генератора: ротор, та часть, которая вращается и статор, та часть, которая неподвижна. Ротор вращается непосредственно внутри статора.
У генератора есть выводы на статоре, где и появляется напряжение.
Ротор генератора соединяется с валом турбины и на обмотку (цепи) ротора генератора подают постоянный ток (чтобы получить переменный ток, надо подать постоянный, таков путь).
Имеем следующую систему:
На ротор подают постоянный ток, пар вращает турбину, турбина вращает ротор генератора, электромагнитные поля делают свою работу и на выводах статора появляется напряжение. Как-то так.
Теперь прогуливаясь по лесу, не стоит боятся лешего, который схватит вас за шкирку, поднесет к своему кривому носу и спросит:
«@username, расскажи-ка мне, а как это ваше электричество появляется, авось пойму чего?»
А вы ему в ответ: «Турбины крутятся – амперы мутятся!».
Коротко и по сути.
Спасибо что дочитали до конца,
Правила сообщества
ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.
Основные условия публикации
— Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.
— Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.
— Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.
— Видеоматериалы должны иметь описание.
— Названия должны отражать суть исследования.
— Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.
Не принимаются к публикации
— Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.
— Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.
— Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.
Наказывается баном
— Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.
— Попытки использовать сообщество для рекламы.
— Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.
— Нарушение правил сайта в целом.
Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.
В общем вечная проблема таких попыток коротко объяснить что-то не очень простое.
Какая понятная статья. Те кто ее читал наверное и на проверочные вопросы ответят ?
1) Как регулируют мощность, то есть узнают что я включил чайник и нужно добавить угля в топку или наоборот, солнечная электростанция узнает что не нужно больше давать ток ?
2) Как подключают генератор к сети, ведь в сети переменное напряжение, вдруг вырабатываемый ток по фазе не совпадет ?
3) Почему на столбе три провода, а в наш многоквартирный современный дом приходит уже пять, а в розетке опять три, что за чудеса ?
4) Что такое полная, активная и реактивная мощность?
5) Почему большинство мощных электродвигателей требуют для питания именно переменный ток ?
«Ротор генератора соединяется с валом турбины и на обмотку (цепи) ротора генератора подают постоянный ток (чтобы получить переменный ток, надо подать постоянный, таков путь).»
А откуда взять постоянный ток?
Автор не с той стороны зашёл. Надо было подробно объяснять устройство генератора, и как можно сделать простейший генератор своими руками. А именно, как кинетическую энергию превратить в ток, а потом обратно ток в кинетическую энергию, тепло или свет. Эти знания уже хоть как-то можно начать применять на практике. Типа переделать водяную мельницу, чтоб она могла запитать какую-нибудь электроплитку в другом здании или привести в движение веретено.
Начал хорошо, до строчки в конце
Как появляется напряжение, что за выводы. И главное как потом снять переменное напряжение, и заставить его делать механическую работу.
Как тут не добавить)
И да, а как ты ответишь на вопрос «И что такое генератор? как его сделать?»
«Турбины крутятся – амперы мутятся!».
Как крутятся, куда, почему, в какую сторону, почему, что такое амперы, почему амперы, что такое потенциал, что за заряд, почему кулон, откуда, причем здесь Лейден, зачем в землю заводят землю, если муть мутится, где вода.
И все таки на вопрос как по факту в средневековье дать людям электричества вы не ответили. Например, найти залежи меди, выковать из них проволоку, намотать эту проволоку куда то, как то сделать выводы этих проводов, найти речку, найти палку, на один конец которой накрутить штуку с намотанной медной проволокой (статор), на другой конец палки приделать импровизированные лопасти и окунуть их в воду, выводы проводов с нашего «электродвигателя» подсоединить к какой нибудь железяке, она будет нагреваться, и например на ней можно готовить пищу.
Ты лучше скажи, как электроны на Саяно-Шушенской ГЭС узнают, что я хочу свет включить? Я только выключателем щёлкнул — а они уже тут как тут. И куда они потом деваются?
Профессор на экзамене:
— Что такое электричество?
— Ммм. Я знал, но забыл.
— Что же ты наделал?! Единственный человек знал что такое электричество и тот забыл.
Для средневековья лучше подойдет химический источник тока. Проволоку-то тогда делать умели, но изоляцию.
Но ведь электрический ток это движение электронов, а они бегут от минуса к плюсу.
Не будет у Ивана Грозного паровоза(с)
А я легче получаю — просто вставляю вилку в розетку). А есть проще система — выключатель. Правда есть и ноухау свет просто появляется, но там ещё технология сырая.
И все это придумали чтобы меня в детстве ебнуло током когда я радио разобрал, а потом еще раз когда я потрогал оголеные провода от дверного звонка? Хитро, но в третий раз я не куплюсь
«Перейдем к конструкции генератора.
На электростанциях устанавливают синхронные генераторы. Почему синхронные рассказывать не буду, это сейчас не к чему.»
Но эта жи важна!
Стоп-стоп! Я вчера думал о том если бы меня перенесло в прошлое, как бы я смог поделиться с людьми знаниями и технологиями, имея поверхностные знания.
Да, этот эффект замечания тем как-то называется.
Автор, спасибо. Лично мне всё понятно. Всё наглядно и доходчиво.
Ёбаная же ты ностальгия. Я в 8-9 лет по этой книге электронике учиться пытался. У меня был только паяльник и дохлые платы с помойки.
Р. Сворень «Шаг за шагом».
Два часа прошло и нет видосика с мистером фрименом? Мда.
— В общем чтобы получить электричество в розетке, надо взять электричество, засунуть палку в дырку, покрутить и магниты сделают своё дело
— Да он не демон, он просто е***утый
Я думаю, что древним людям сначала надо объяснить ЧТО такое электричество, а потом уже откуда оно берётся. Да, и зачем им это, что они с этой информацией делать будут?
-У блондинки спрашивают: как работает двигатель?
-А можно своими словами?
-Да конечно — Тыр тыр тыр тыр тыр!
Автор. Земной поклон тебе за такое простое описание столь сложных (для людей не имеющих профильного ВО) вещей и явлений. А можно ли ещё об устройстве генераторов? И тоже — вот чтобы прям для полных дебилов?
Не, ну а что, проволоку медную в прошлом найти можно, магнит тоже. Но я бы лучше открыл древним людям тайну самогона 🙂
А где описание самого физического процесса?
Как появляется электричество, зачем нужно вращение и тому подобное.
то есть, если взять электродвигатель и руками вращать вал, то на контактах можно получить электричество, например, чтобы зарядить телефон, так?
В розетке три провода? Ты точно видел розетку? Там две дырочки.
Хороший метод. Можно брать на вооружение
Волновые генераторы обещают обеспечить человечество самой дешевой энергией в мире
Компания «Sea Wave Energy Ltd» обещает снизить стоимость выработки энергии на своем волновом генераторе «Waveline Magnet» до невероятно низкого уровня в $0,01/кВт⋅ч. Это в 80 раз меньше, чем принятая оценка для данного способа генерации по формуле LCoE, и самый низкий показатель затрат для выработки энергии из любых источников, известных человечеству. Но есть небольшой нюанс – за десяток лет работы «Sea Wave Energy Ltd» не построила и не продала ни одной полноценной волновой электростанции.
Если зайти на сайт другой, не менее известной в прошлом компании «Albatern», которая разработала свою перспективную технологию волновой генерации «WaveNet», то мы увидим там скромную заглушку. Что касается технологии «Waveline Magnet», ее разработчики спустя десять лет трудов все еще собирают и анализируют данные испытаний, поэтому собранной информации нет в открытом доступе. Зато есть рекламные публикации, в которых указано, что система работает при «любой высоте волн», и чем суровее стихия, тем лучше идет выработка энергии.
Принцип действия «Waveline Magnet» предельно прост: подвижные поплавки соединены между собой рычагами, которые подключены к генераторам. Система анализирует силу волны и автоматически подстраивается под нее, чтобы обеспечивать максимальный КПД при каждом движении. Журналистам удалось раздобыть промежуточный отчет из лаборатории «Centrale Nantes», в котором указано, что прототип длиной 32 м и весом 1,8 тонны во время испытаний показал пиковую мощность 1,4 кВт.
Нетрудно подсчитать, что 100-мегаваттная волновая электростанция из рекламы «Sea Wave Energy Ltd» должна быть в 71 429 раз крупнее прототипа. При меньшей мощности рентабельности достичь станет проблематично, однако насколько сложно будет создать и собрать подобную конструкцию? И как дорого это обойдется потенциальному заказчику? К сожалению, это приводит к тому, что интересная в целом идея волновых генераторов пока не нашла практического воплощения.
Концептуальный дизайн магнита Waveline:
Блэкаут в США 2003: как два сервера обвалили энергосистему
Автор: Владимир Герасименко (@Woolfen).
Крупнейший в истории США блэкаут, случившийся в 2003 году — это один из тех случаев, когда едва ли не ведущую роль в развитии аварии сыграли неисправности ПО. Хотя хватает там и того, что все мы любим в любых авариях: халатность, нарушение протоколов или их отсутствие, несогласованность действий и полный шок, когда ситуация выходит окончательно из под контроля. В общем заваривайте чай, у нас очередной технодетектив.
Пара слов о том, почему линии электропередач могут отключаться
Энергосистема — это довольно сложный организм, состоящий из множества узлов генерации электроэнергии и узлов потребления, соединённых между собой линиями электропередач. Когда-то на заре энергетики электростанции были маленькими и находились рядом с потребителями, а потому были соединены напрямую. Но со временем станции становились больше, возникала задача транспортировки электроэнергии на всё большие расстояния, что требовало усложнять тракт передачи.
Как вы должны помнить из школьного курса физики, при протекании тока по проводу тот нагревается. Энергия, которая тратится на нагрев проводника – это потери, а терять электричество – это терять и деньги. Потери на нагрев определяются по формулам:
Соответственно, чтобы снизить потери на нагрев мы можем увеличить напряжение в проводнике или его сечение, причём, так как напряжение у нас в квадрате, то увеличение его оказывает гораздо больший эффект на величину потерь, чем площадь сечения проводника. Отсюда вывод: надо делать для передачи на дальние расстояния линии с большим напряжением. Но при этом чем выше напряжение – тем больше размеры оборудования и требования к безопасности, а значит для потребителей в большинстве случаев придётся сохранять низкие значения напряжения.
Это приводит к тому, что энергосистема выстраивается по следующему принципу: есть ЛЭП высокого напряжения, которые осуществляют транзит больших мощностей на большие расстояния, есть линии меньшего напряжения, которые дублируют их и распределяют энергию между более мелкими узлами потребления, и есть линии низкого напряжения в распределительной сети, к которой подключают потребителей.
Принципиальная схема сетей США
Но у нагрева проводов есть и ещё одно следствие. Опять же, вспоминаем школьный курс физики: при нагреве проводник расширяется, т.е. удлиняется, что вызывает ещё больший рост потерь. Провод из-за удлинения провисает и может либо оборваться, либо задеть какие-то объекты внизу, например ветку дерева, что вызовет замыкание. Худший случай – это перехлёст двух или трёх проводов, что вызовет междуфазное короткое замыкание. Поэтому перегрузку линии током (термическую перегрузку) требуется жёстко ограничивать по значению и длительности.
Ключевая проблема провисания ЛЭП в одной картинке: в данном случае при провисании до 38 футов ветер в 5 узлов может привести к касанию дерева; при 36 — уже даже в отсутствии ветра может произойти касание; при 34 — критический провис по механической прочности самого провода
Что такое короткое замыкание? Электрический ток, как вода, течёт по пути наименьшего сопротивления. Из двух линий больший ток и мощность потекут по той у которой меньшее сопротивление. Короткое замыкание случается, когда сопротивление линии внезапно резко падает по одной из озвученных выше причин, и по линии начинает протекать гораздо больший ток, чем допустимо. Ток короткого замыкания может быть в сотни раз больше, чем номинальный, что может привести к повреждению оборудования электростанций и подстанций. Поэтому короткое замыкание требуется как можно скорее устранить, пока оно не нанесло вреда, путём отключения повреждённого элемента энергосистемы.
После отключения повреждённого элемента электрическая мощность, которую мы должны передать потребителям, распределится между оставшимися в работе элементами. Обычно отключение даже одной ЛЭП высокого напряжения не должно оказывать существенного влияния на состояния системы. Тем не менее, из-за изменившихся потоков мощности становится возможна термическая перегрузка отдельных элементов энергосистемы и для исключения их отключения требуется вмешательство оперативно-диспетчерского управления.
Этих знаний нам будет достаточно для понимания процесса развития аварии.
Предпосылки
Любая авария в энергосистеме — это сочетание множества факторов. Как бы ни была сложна система передачи электроэнергии, она обычно имеет достаточный запас надёжности по отказам, а также большую инерцию из-за чего даже в случае неблагоприятного стечения обстоятельств обычно есть время провести компенсирующие мероприятия. Но проблема в том, что для начала опасную для энергосистемы ситуацию нужно вовремя распознать, а с этим в 14 августа 2003 в Северо-Восточной энергосистеме США случились большие проблемы.
Начало аварии положило незначительное на первый взгляд происшествие: в 13:30 остановился блок №5 ТЭЦ Eastlake мощностью 680 МВт. Причина аварии крылась в неправильных действиях персонала, приведших к выходу из строя регулятора возбуждения турбины. Само по себе это происшествие было некритичным: да, возник локальный дефицит мощности, но его компенсировало увеличение перетоков мощности по линиям из других частей энергосистемы.
Перетоки мощности между сетями энергокомпаний перед аварией
Вторым фактором стало отключение в 14:02 линии 345 КВ Stuart-Atlanta: из-за незначительной перегрузки провода провисли и произошло касание с деревьями, растущими под ЛЭП. Опять же, и этот инцидент не должен был значительно повлиять на состояние энергосистемы при внимательном наблюдении за режимом оператором диспетчерского пункта. Но именно с этим у энергообъединения First Energy Corporation (FE), в чьей зоне ответственности и происходили описанные события, в этот момент случились проблемы.
Ничего не вижу. Ничего не слышу
Для начала разберёмся с инструментарием, с помощью которого диспетчер управляет энергосистемой. Основным инструментом взаимодействия с энергосистемой у диспетчера является Supervisory control and data acquisition (диспетчерское управление и сбор данных) или попросту SCADA. SCADA служит для обеспечения работы систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. Условно её можно разделить на 3 крупных составных части: система сбора информации, система пользовательского интерфейса, система реализации управляющих воздействий.
Система сбора информации осуществляет сбор данных со всех датчиков (трансформаторов тока и напряжения, датчиков мощности, направления перетока мощности и т.д), информации о срабатывании защит и автоматик, расчёт дополнительных необходимых для контроля параметров и передачу их в систему пользовательского интерфейса.
Система пользовательского интерфейса предоставляет полученные данные в удобном для оператора формате: мнемосхемы, отображающей состояние элементов сети; графиков изменения ключевых параметров; окон данных параметров по ключевым узлам и каждому объекту сетевого хозяйства; оповещений о событиях.
Система реализации управляющих воздействий позволяет либо отправлять запросы на объекты электросетевого хозяйства об изменениях режима, либо напрямую управлять отдельными её элементами.
А это уже техническая реализация
Резервирует все эти три системы обычный телефон, с помощью которого оператор может узнать о текущем положении напрямую и также напрямую отдать указания. Фактически же, в то время всё оперативно-диспетчерское управление осуществлялось с помощью звонков по телефону, а SCADA выполняла лишь функцию информирования о режиме.
Более того, из-за размеров энергообъединения FE мнемосхема на экране диспетчера при максимальном масштабе отображения была крайне малоинформативна, поэтому диспетчеры полностью полагались на подсистему генерации оповещений, которая выдавала сообщения по факту любых изменений в энергосистеме: включение/отключение объектов, выход контролируемых параметров за допустимые пределы и т.д. По факту получения оповещения диспетчер увеличивал масштаб схемы, рассматривал нужный район и решал о том, какие дальнейшие действия следует предпринять.
Примерно так выглядела мнемосхема на экране оператора. Упустить какое-то изменение статуса линии очень легко
В 14:14 из-за ошибки сервера SCADA подсистема генерации оповещений была потеряна без всяких сообщений об ошибке и диспетчер не узнал об этом, считая отсутствие оповещений за признак нормальной работы энергосистемы, а не отказ функции SCADA. В результате диспетчер на протяжении следующих двух часов был уверен, что у него в энергосистеме всё в порядке. Решением проблемы могло бы быть использование видеостены с большой мнемосхемой, где были бы удобно отображены все объекты и планшеты с основными параметрами сети в ключевых точках. На такой мнемосхеме диспетчер мог бы вовремя увидеть отключение сетевых элементов и изменения параметров режима. Но по неизвестной причине в FE решили сэкономить на этом, из-за чего диспетчер оказался в полной ситуационной неосведомлённости о положении в его энергосистеме.
А вот так должен выглядеть диспетчерский пункт в идеале, с большой мнемосхемой
Что же произошло с серверами FE?
Подсистема генерации отчётов SCADA GE Energy’s XA/21, использовавшейся FE, исполнялась на отдельном резервированном сервере, вместе с другими вспомогательными подсистемами. Такое решение должно было увеличить надёжность работы всей системы и обеспечить большее быстродействие. Принцип работы системы был простой: она обрабатывала входящую информацию о событиях в энергосистеме и изменении параметров, как расчётных, так и измеряемых, и в случае, если один из параметров вызывал срабатывание заранее заданных триггеров, то формировалось оповещение в виде текстового сообщения и звукового сигнала.
Архитектура SCADA GE XA/21
Окно отчётов о событиях
Во время расследования первоначально предположили, что сервер подсистемы генерации отчётов был поражён червём “Slammer”, бушевавшем тогда в США и уже поразившем ранее несколько ТЭЦ. Но разбор логов и кода не подтвердил эту теорию, система кибербезопасности сетей FE была признана адекватной и нескомпрометированной. Тогда начали искать причину в самом коде и после анализа миллионов строк таки нашли. Проблема заключалась в самом принципе работы генератора отчётов и крайне маловероятном стечении обстоятельств. После срабатывания триггера на вход генератора подаётся запрос на создание оповещения. Из-за кратковременной задержки обработки запросов, не более чем на пару миллисекунд, два процесса одновременно обратились к записи в одну и ту же ячейку памяти. Это привело к «состоянию гонки» (race condition) и зависанию генератора отчётов в бесконечном цикле обращения к ячейке памяти. Из-за этого уже с 14:14 оповещения не генерировались SCADA.
Так как запросы обрабатывались по очереди поступления, то из-за зависания генератора вскоре в буфере скопились необработанные запросы. К 14:41 буфер сервера переполнился и он отключился. На этот случай был резервный сервер, в котором мгновенно из бэкапа были развёрнуты все процессы, ранее запущенные на основном сервере, в том числе и зависший генератор отчётов. Этот сервер протянул гораздо меньше из-за всё большего числа данных на входе и отрубился в 14:54. При этом никаких сообщений об этом диспетчеру сгенерировано не было, автоматически был создан только тикет в службу технической поддержки FE и то только после отключения второго сервера. Из-за отсутствия в протоколе ТП требования сообщать о неисправностях оборудования диспетчерам, техподдержка естественно этого не сделала и отправилась чинить сервера, в то время, как диспетчер был свято уверен, что весь последний час они работают нормально.
В 15:08 были «мягко» перезапущены сервера, но при этом инженеры проверили только сам факт восстановления работы серверов, но не функциональность их ПО. А ПО подсистемы генерации отчётов после ребута серверов из-за ошибки при завершении работы оказалось нефункциональным. Т.е. перезапуск серверов никак не решил проблему. В 15:42 звонок из техподержки сильно удивил диспетчеров, сообщением, что «мы восстановили работоспособность сервера генерации отчётов». При этом подсистема генерации отчётов всё ещё не работала и диспетчер пребывал в полной уверенности, что у него-то в энергосистеме всё в порядке. Хотя на самом деле к моменту этого звонка всё уже 10 минут как катилось к чёрту и точка невозврата была очень близка.
Потерянное время
Таймлайн блэкаута
Так как диспетчер FE не знал об отказе генерации отчётов, а потому считал, что в его зоне ответственности всё в порядке, то он естественно пропустил роковое для энергосистемы событие – отключение ЛЭП 345 кВ Chamberlin-Harding. Она отключилась в 15:05 при нагрузке всего 45,5% от номинальной из-за касания фазой дерева, растущего под ЛЭП. Первой очевидной причиной такого развития событий было пренебрежение FE ухаживанием за трассами ЛЭП, так как это было уже второе за два часа, но не последнее за день, отключение линии из-за касания деревьев. Второй же причиной, непосредственно приведшей к первой, стал рост перетоков по линиям и их нагрев из-за уже случившегося ранее ослабления сети. Тот факт, что перегрузка на них так и не наступила был скорее лишь отягчающим обстоятельством, так как незначительный провис из-за термического расширения провода привёл к короткому замыканию, чего в нормальной ситуации быть не должно.
Так как в SCADA никаких уведомлений не было, то диспетчер FE был уверен, что ЛЭП 345 кВ Chamberlin-Harding находится в работе и на звонки с вопросом о её состоянии отвечал, что «всё ОК». В 15:32 из-за выросшей нагрузки коснулась деревьев и отключилась ещё одна линия — 345 кВ Hanna-Juniper. Отключение уже трёх системообразующих линий 345 кВ привело к росту нагрузки на все остальные линии. Диспетчер FE всё ещё бездействовал, так как не знал о всех этих авариях.
Диспетчер FE
Точкой невозврата стал отказ линии 345 кВ The Star-South Canton расположенной на стыке FE and AEP (American Electric Power). Эта линия уже дважды отключалась из-за выросшей нагрузки по ней: в 14:27 и в 15:38. Оба раза причиной были всё то же сочетание факторов перегрузка + деревья, растущие под ЛЭП. В 15:41 линия 345 кВ The Star-South Canton отключилась в третий раз и восстановить её работу на этот раз не вышло.
Схема сети и 3 первых отключившихся линии 345 кВ
Всё, точка невозврата была пройдена – сеть потеряла 4 системообразующие ЛЭП из-за чего началась перегрузка сети меньшего напряжения 138 кВ. Первая линия 138 кВ отключилась в 15:39, т.е. за две минуты до отключения 345 кВ The Star-South Canton, но после процесс принял лавинообразный характер, так как чем меньше линий оставалось в работе – тем больше была перегрузка оставшихся.
Таймлайн роста перегрузки линий
При всём при этом оператор FE не делал НИЧЕГО, так как всё ещё не знал об отказе SCADA, а на все звонки отвечал, что «проблема не в моей зоне ответственности, ищите у себя». Время на предотвращение аварии было упущено и процесс вошёл в самоподдерживающуюся стадию – впереди был только блэкаут. Но неужели система была столь плохо выстроена, что отказ одного диспетчерского пункта привёл к неминуемому коллапсу энергосистемы? Конечно нет, но в тот день США очень не повезло.
Координировали, координировали, да не выкоординировали
Естественно, что в США управлением энергетики страны занимались не дураки и понимали, что для координации деятельности разных диспетчерских центров нужен единый орган. И он на Северо-Востоке США был – координатор надёжности энергосистемы или Midcontinent Independent System Operator (MISO), объединявший значительную часть операторов энергосистем северо-востока. К MISO в автоматическом режиме поступали все данные энергообъединений о состоянии объектов сетевого хозяйства (включены/отключены), а также результаты измерения основных параметров. По этим данным информационная система MISO должна была проводить анализ надёжности, сводящийся к расчёту режима и поиску опасных для работоспособности системы ситуаций. Выполнение таких расчётов должно было проводиться как автоматически по таймеру и при отключении/включении объектов, так и вручную в случае необходимости проверки верности предлагаемых управляющих воздействий.
Операционная зона MISO
В идеальном мире для этого использовалась бы real-time система, как SCADA, но MISO развивало свой собственный продукт, в основном методом добавления костылей. Система в распоряжении MISO была не real-time: да она получала данные с низовых устройств, но расчёт надёжности проводился по таймеру раз в 5 минут, таким образом оператор имел срез состояния энергосистемы, который мог за следующий промежуток времени сильно устареть. Автоматический расчёт надёжности проводился по скрипту, который днём в 13:07 был отключён для проведения работ с системой. Причиной стала необходимость привязать сигналы включенного/отключенного состояния линии 230 кВ Bloomington-Denois Creek к её отображению в расчётной модели. После окончания процесса диспетчер попросту забыл активировать скрипт и ушёл на ланч из-за чего до 14:40 автоматический расчёт надёжности не производился.
При этом даже после восстановления работы скрипта и получения результатов расчёта, свидетельствующих о нарастании кризиса в энергосистеме, эти расчёты оказались неадекватны ситуации. Как выяснится уже в ходе расследования, линия 345 КВ Stuart-Atlanta, отключившаяся ещё в 14:02, тоже не была подключена к автоматическому обновлению статуса по данным, получаемым от автоматик. Из-за этого расчётная модель обсчитывала более лёгкий режим и диспетчер MISO не понимал всю тяжесть ситуации.
Как результат MISO до 14:40 вообще не понимало о существовании кризисной ситуации. После 14:40 ситуация оценивалась куда легче, чем была в реальности. Сомнения в том, что результаты расчётов адекватны, появились у диспетчера MISO лишь в начале 15 часов, когда стало ясно, что реальные замеры мощности и расчётные сильно расходятся. И только в 15:29 после телефонного звонка оператору линии 345 КВ Stuart-Atlanta (фирма PJM), была найдена ошибка в модели, устранённая к 16:04, когда каскадная авария уже охватила всю энергосистему. В результате MISO не смог выполнить свою основную функцию – сохранить надёжность работы энергосистемы.
При этом, как выяснится в ходе расследования, схожая же проблема была и у SCADA оператора PJM. При этом у MISO кроме ПО для расчёта надёжности были и альтернативные решения, которые выступали вспомогательными средствами и могли бы помочь быстрее сориентироваться. Так в комплексе ПО MISO была ещё и программа Flowgate Monitoring Tool (FMT), которая была альтернативным средством, рассчитывавшим перегрузки наиболее важных линий и сигнализировавшей об этом. Данное ПО работало в тот день штатно и могло бы вовремя выявить аварийную ситуацию, но оно не смогло из-за особенностей сбора данных. В отличие от расчёта надёжности, FMT получала данные о состоянии линий не от их автоматик, а из базы данных NERC SDX, куда владельцы линий должны были сообщать в течении 24 часов(!) о всех выполняемых переключениях. В результате эта система обсчитывала подчас режимы, отстающие от реальных на часы, и никто этого вообще не замечал. По какой причине FMT брало данные не из обновляющейся автоматически информации о состоянии линий, неизвестно.
Кроме того, была и система оповещений об отключении линий, похожая на имевшуюся в SCADA FE. Но и она оказалась бесполезна, так как, во-первых, диспетчер просто не заметил оповещения. А во-вторых, пользовательский интерфейс был таков, что диспетчеру после получения оповещения требовалось найти на схеме нужный выключатель и, уже кликнув по нему, проверить его состояние. Система не подсвечивала выключатели, изменившие состояние, и не имела функции перехода к объекту по щелчку на уведомление. Все эти недостатки вместе стали фатальны для работы MISO в тот день.
После 15:42 энергосистему северо-востока было уже не спасти. Лавинообразный процесс нарастания перегрузок и отключений линий привёл к тому, что за следующие 25 минут отключилось из-за перегрузки 11 линий 138 кВ и 1 – 345 кВ. За следующие 5 минут отключилось 6 линий 345 кВ. Каскад перегрузок линий и их отключений привёл к ещё одному каскадному процессу – лавине напряжения, так как баланс нагрузки и генерации стал смещаться в сторону нагрузки и напряжение в сети стало проседать. А когда напряжение в сети уменьшается, то уменьшается и производительность асинхронных двигателей питательных насосов электростанций из-за чего их эффективность падает и ещё больше увеличивается дефицит генерации. В течении следующих 5 секунд с 16:10:39 по 16:10:46 отключилось 5 линий 345 кВ и 19 энергоблоков станций (в том числе 1 блок АЭС) суммарной мощностью 4700 Мвт.
При этом никто из диспетчеров так и не понимал что и почему происходит. MISO только-только восстановили нормальную работу ПО для оценки надёжности, но всё новые отключения приводили к расхождениям их схемы и реальности. Операторы AEP и PJM, на энергосистемы которых начали накатывать перегрузки, тоже потеряли контроль за ситуацией, так как не понимали причину возникших сложностей, а оператор FE клятвенно уверял, что «проблемы не в сети FE, у нас всё в порядке». При этом в работе SCADA AEP и PJM тоже были недостатки, в частности проблемы с обновлением статуса состояния линий, но это уже мало влияло на ситуацию.
Диспетчеры FE начали понимать, что что-то возможно идёт не так, когда после 15:42 на них обрушилась просто лавина звонков от соседних диспетчерских пунктов и низового персонала FE о всё новых отключениях линий. Только после этого диспетчер решил таки позвонить в техподдержку и попросить проверить работу сервера ещё раз. К 16:05 был произведён полный перезапуск подсистемы генерации отчётов и она заработала. Внезапное прозрение, что проблема таки в сети FE, произошло, но было уже слишком поздно. Диспетчеры FE и других операторов, могли лишь наблюдать за разворачивающимся апокалипсисом, так как сделать что-то было уже решительно невозможно.
Диспетчер FE в 16:00
Диспетчер FE в 16:05
История сохранила записи телефонных звонков операторов, в которых сквозит полное непонимание происходящего:
Оператор AEP: “У нас большие проблемы… много линий отключается. East Lima и New Liberty отключились. Посмотри на это.”
Оператор AEP: “О боже, я в глубокой …”
Оператор PJM: “Ты и я, мы оба, брат. Что мы собираемся делать? Если тебе что-нибудь нужно, дай мне знать.”
Оператор AEP: “Только что еще что-то отключилось. Много чего происходит.”
Оператор PJM: “И когда это произошло? Это могло бы. ”
Оператор MISO: “Я еще не знаю. У меня все еще есть. У меня не было пока возможности изучить этот вопрос. Сейчас слишком много всего происходит”.
Последние минуты перед коллапсом. Жёлтым отмечены перетоки мощности
К 16:13 коллапс энергосистемы завершился, приведя к отключению сотен линий электропередач и 508 энергоблоков на 265 электростанциях, из которых 10 это АЭС(!). В зоне отключения оказались: северная часть Огайо, восточная часть Мичигана, северная часть Пенсильвании и Нью- Джерси, большая часть Нью-Йорка, Массачусетс, Коннектикут, Вермонт, а также канадские провинции Онтарио и Квебек. Всего без света остались 40 миллионов человек в США и 15 миллионов в Канаде. Рухнула сотовая и телефонная связь, остановилась торговля на Нью-Йоркской фондовой бирже, возникли проблемы с посадкой самолётов и многочасовые задержки рейсов. Единственным плюсом было то, что авария произошла днём и власти успеют наладить подобие порядка на улицах городов. На полное возвращение энергоснабжения уйдёт несколько дней из-за того, что многие станции вынуждены были проводить ремонтные работы из-за аварийного останова.
Как несложно заметить, авария развивалась 2 часа, из которых первые полтора часа было достаточно возможностей для устранения аварии, но из-за бездействия диспетчеров она развилась в каскадную аварию, остановить которую было уже нереально. При этом причиной аварии стала череда из множества совершенно неожиданных отказов. Фактически только отсутствие оперативного диспетчерского управления и сделало блэкаут неизбежным, хотя если бы линии ЛЭП оператор FE вовремя очищал от деревьев, то может ничего вообще бы и не случилось. После аварии было проведено расследование, которое выявило все описанные и многие другие проблемы. Среди предложений мер реакции были, как организационные меры, в частности пересмотры внутренних регламентов и аудиты, так и технические меры: совершенствование систем SCADA, более жесткие требования к контролю состояния линий, установка автоматик отключения нагрузки при снижении напряжения и т.д. Более крупных блэкаутов в США не было, но, как и в любой сложной системе, сколько бы дыр в ней не закрывали, всегда может найтись новая.
NERC «Technical Analysis of the August 14, 2003, Blackout: What Happened, Why, and What Did We Learn?»
U.S.-Canada Power System Outage Task Force «Final Report on the August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes and Recommendations»
The Availability Digest «The Great 2003 Northeast Blackout and the $6 Billion Software Bug»
Автор: Владимир Герасименко (@Woolfen).
Пост написан для блога компании TimeWeb и перенесён на Пикабу с разрешения.
А ещё вы можете поддержать нас рублём, за что мы будем вам благодарны.
Яндекс-Юmoney (410016237363870) или Сбер: 4274 3200 5285 2137.
При переводе делайте пометку «С Пикабу от . «, чтобы мы понимали, на что перевод. Спасибо!
Переменный ток
Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят – постоянный ток одной амплитуды.
Создание переменного тока
Как образуется переменный ток
Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.
Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.
История открытия переменного тока
Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.
Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.
Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.
Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.
Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока
Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природные двух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:
- Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
- Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.
Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.
Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.
Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.
Никола Тесла изучал электрические машины
Почему переменный ток используется чаще постоянного
Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.
Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности
Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.
Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:
- Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
- В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.
Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.
Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.
Через эфир
Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».
Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.
Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.
Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!
Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.
Диполь антенна Герца
Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна
Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.
Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.
Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость). В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».
Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.
Где используется переменный ток
Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:
- Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
- КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
- При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
- Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
- Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.
В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.
Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.
- alt=»Сила тока» width=»120″ height=»120″ />Сила тока
- alt=»Трёхфазное напряжение» width=»120″ height=»120″ />Трёхфазное напряжение
- alt=»Электрическая цепь» width=»120″ height=»120″ />Электрическая цепь
- alt=»Трёхфазный ток» width=»120″ height=»120″ />Трёхфазный ток
Из этого текста так и неясно, кто же изобрел переменный ток и соответственно генератор переменного тока. А Фарадей все-таки экспериментировал с магнитными полями, в том числе и изменяющимися.
Тесла открыл для планеты переменный ток и создал чертежи очень многих электроприборов (изобретений). Затем раздавал патенты на это все окружающим “ученым” потому что сам – посвятил всю свою жизнь глобальным открытиям на благо человечества и не считал правильным тратить время на введение в обиход своих бытовых изобретений, потому и раздавал их ученым – чтобы те продолжили его дело, и человечество в результате получило конечные электро-продукты.
Достаточно почитать его биографию. Он даже семью не заводил потому, что любил все человечество сразу; и на благо человечества тратил каждую минуту своей жизни, забывая о себе.