Вынужденные колебания. Переменный ток. Явление резонанса, страница 19

Казалось бы, мечта о применении двигателя переменного тока на железнодорож­ном транспорте так и останется мечтой. Однако пришло время, и о таких двигателях вспомнили конструкторы высокоскоростного транспорта на магнитной подвеске. Справедливости ради необходимо сказать, что электродвигатель, используемый в таких системах, выглядит необычно. Представьте себе электродвигатель, в котором статор разрезан по длине и развернут вдоль одной линии, а ротор заменен проводящим листом; именно в этом листе под воздействием поля статора возникают токи индукции. Получен­ное устройство носит название линейного электродвигателя. В таком двигателе обмотки, находя­щиеся в пазах статора и создающие в обычном роторном двигателе вращающееся магнитное поле, генерируют бегущее поле, которое тянет за собой "ротор" - проводящий лист.

Существуют различные виды конструкций линейного электродвигателя. Важно, однако, то, что в любом варианте для приведения одного из элементов двигателя в движение требуется непосредственного механического контакта между ним и статором. Разместив статор в основании железнодорожного полотна, а подвижную часть в днище вагона, конструкторам удалось создать уникальные транспортные средства, позволяющие перемещаться со скоростью 400-500 км/час. Строительство реальных транспортных систем подобного типа – дело ближайшего будущего.

Как мы уже говорили ранее, для снижения потерь электроэнергии при передаче ее на большие расстояния необходимо использовать высоковольтные линии. Повысить или понизить напряжение можно при помощи трансформатора - устройства, состоящего из замкнутого сердечника, который собирается из тонких пластин стали специального состава, и двух (иногда и большего числа) проволочных обмоток, надетых на сердечник: первичной, с числом витков N1, и вторичной, с числом витков N2. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. В этом случае по подключенной к источнику переменного напряжения первичной обмотке трансформатора течет маленький ток, под действием которого происходит периодическое перемагничивание стального ферромагнитного сердечника. При этом в первичной обмотке возникает ЭДС индукции:

(здесь Ф - магнитный поток, пронизывающий один виток обмотки). Для ЭДС индукции, возникающей во вторичной обмотке, можно записать:

Сравнивая оба выражения и полагая, что магнитное поле трансформатора скон­центрировано в его стальном сердечнике, то есть потоки вектора индукции сквозь каждый из витков обеих обмоток одинаковы, получим:

Отношение  носит название коэффициента трансформации. Если k больше единицы, то такой трансформатор называется понижающим, а если меньше единицы, то - повышающим (ЭДС во вторичной обмотке выше, чем ЭДС  в первичной).

При подключении нагрузки ко вторичной обмотке трансформатор начинает отдавать ей некоторую энергию. Одновременно увеличивается и энергия, забираемая первичной обмоткой из питающей цепи. Если пренебречь неизбежными потерями энергии, то мощности Р₁ и Р₂ в первичной и вторичной обмотках трансформатора будут одинаковы:

Полученное ранее соотношение для ЭДС окажется справедливым и в этом  случае:

В общем случае потери энергии все же существуют, они вызываются тепловыми процессами, сопровождающими протекание тока по проводам и перемагничивание стального сердечника. И все же благодаря отсутствию вращающихся и трущихся деталей потери энергии в трансформаторе по сравнению с обычными машинами чрезвычайно малы. Коэффициент полезного действия η трансформатора, определяемый, как отношение мощностей тока на его выходе и входе  достигает очень большой величины 98 - 99%!

Трансформатор был изобретен в 1878 году русским ученым Яблочковым, а после того, как в1887 году  Тесла запатентовал первую систему передачи электроэнергии на большие расстояния при помощи переменного тока, он стал незаменимым элементом электротехнических приборов. Трансформатор позволяет, например, повысить напряжение, полученного при помощи генератора переменного тока, до оптимальных значений, а после передачи электроэнергии по проводам,  понизить его до необходимой величины. Любопытно, что первым инициатором  внедрения систем переменного тока в свое время выступил ставший компаньоном Теслы американский  предприниматель Вестингауз, известный как изобретатель пневматического тормоза для железнодорожного транспорта.