96257

Производство, передача и использование электроэнергии

Реферат

Энергетика

Для более точного описания используются такие параметры как напряжение частота и количество фаз для переменного тока номинальный и максимальный электрический ток. Оно в свою очередь вызывает напряжение между обмотками статора что в конечном итоге и производит переменный ток.

Русский

2015-10-04

264.74 KB

6 чел.

Реферат

На тему: "Производство, передача и использование электроэнергии"

Выполнил: студент группы ППр-14-1

Мишин Михаил

Введение.

Электроэнергия — физический термин, широко распространённыйв технике и в быту для определения количества электрической энергии, выдаваемой генератором вэлектрическую сеть или получаемой из сети потребителем. Основной единицей измерения выработки ипотребления электрической энергии служит киловатт-час (и кратные ему единицы). 

Для более точногоописания используются такие параметры, как напряжение, частота и количество фаз (для переменноготока), номинальный и максимальный электрический ток.

Производство. Генератор.

Большую часть электроэнергии, производимой в мире, вырабатывают тепловые электростанции. В резервуарах цилиндрической формы или в «сосудах», объём которых может достигать 14 000м в кв. , там хранится мазут – тяжелая фракция нефти, служащая одним из видов топлива в энергетической промышленности.

Из нефти сегодня вырабатывают около 7% мировой электроэнергии. Это существенная доля, если учесть высокую стоимость нефтяного топлива. Его целесообразно использовали в районах, куда природный газ и каменный уголь доставлять сложнее. В нашей стране на мазуте в основном работают электростанции, расположенные на Севере и на Дальнем Востоке. Кроме того, мазут часто применяют в качестве резервного топлива на ТЭС, используют газ как основное топливо. В России доля электростанций составляет 35%.

Принцип работы ТЭС основан на преобразовании тепловой энергии в механическую, а затем – в электрическую. В топке котельного агрегата сжигают топливо, чтобы произвести в движение первичный двигатель, который в свою очередь заведёт электрогенератор. Так, в самых распространённых в мире паротурбинных ТЭС, сжигая топливо, получают пар высокого давления. Он приводит в движение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора.

а. Характеристики генератора.

Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.п. Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока . В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции . Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

Характеристики генератора.

электромагнит или постоянный магнит , создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка , в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока Ф=BS через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников , сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором . Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором . Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции.

В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходиться при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами , присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем ), расположенным на том же валу. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора. Современный генератор электрического тока - это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Устройство генератора

Двигатель

Двигатель — основной источник механической энергии в генераторе. Размер двигателя прямо пропорционален максимальной выходной мощности, которую генератор может создавать. При выборе генератора следует максимально полно узнать информацию о производителе двигателя, его технических особенностях и периодичности обслуживания.

Двигатели могут классифицироваться по:

  1.  типу используемого топлива — современные агрегаты работают на различных видах топлива, таких как дизельное топливо,бензин, пропан (в сжиженном или газообразном состоянии) или природный газ. Компактные двигатели обычно работают на бензине, а более крупные — на дизельном и остальных разновидностях топлива. Некоторые модели двигателей могут работать используя два вида топлива в различных режимах работы;
  2.  по расположению клапанов — все большее распространение получают двигатели с верхним расположением клапанов (международное обозначение — OHV (Overhead Valve). Впускные и выпускные клапаны в таких моделях расположены в голове цилиндра, в отличие от другой модификации, когда они располагаются в блоке самого двигателя. Двигатели с верхним расположением клапанов отличаются компактной конструкцией, повышенной прочностью и удобством в работе, низким уровнем шума и минимальными показателями выбросов вредных веществ.
  3.  по наличию или отсутствию чугунного рукава в цилиндре двигателя. На эту деталь также стоит обратить внимание, поскольку такая своеобразная подкладка в цилиндре двигателя существенно снижает износ и обеспечивает его долговечность.

Генератор переменного тока

Компонент, который отвечает за преобразование механической энергии в электрическую. Он состоит их нескольких неподвижных и подвижных частей, заключенных в корпус. Элементы генератора работают вместе, чтобы вызывать относительное движение между магнитными и электрическими полями, которые, в свою очередь, и вырабатывает электроэнергию.

Статор — стационарная деталь генератора, представляющая собой набор электрических проводников смотанных вокруг железного сердечника. Ротор напротив — перемещающийся элемент, который создает вращающееся магнитное поле. Оно, в свою очередь, вызывает напряжение между обмотками статора, что в конечном итоге и производит переменный ток.

В числе основных рекомендаций по выбору генератора, специалисты отмечают, что лучше всего, если он будет в металлическом корпусе и иметь в конструкции шариковые подшипники, поскольку эти компоненты способствуют уменьшению износа.

Топливная система

Топливный бак, как правило, имеет достаточный потенциал для поддержания непрерывной работы генератора на протяжении6-8 часов. В большинстве бытовых или не слишком мощных моделей, топливный бак является частью генератора или устанавливается в верхней области его корпуса. В некоторых коммерческих или высокопроизводительных моделях может быть предусмотрена установка внешнего топливного бака.

Регулятор напряжения

Как следует из названия — этот компонент регулирует выходное напряжение генератора, преобразовывая переменное напряжение в постоянный ток.

Напряжение генератора без этой детали зависит от частоты вращения его ротора и магнитного потока, создаваемого обмоткой. Чем больше частота вращения и сила тока, тем больше напряжение генератора. Основным назначением регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет управления током.

Охлаждение и выхлопная система

Система охлаждения является одним из важнейших компонентов генератора, осуществляя операции по охлаждению нагретых деталей.

Для бесперебойной работы устройства необходимо регулярно проверять уровень охлаждающей жидкости генератора. Как правило, система охлаждения и водяной насос в ее конструкции следует промывать каждые 600 часов, а теплообменник следует чистить каждые 2400 часов работы генератора. Генератор всегда должен быть размещен в хорошо проветриваемом помещении с достаточной подачей свежего воздуха.

Выхлопные пары, испускаемые генератором, примерно такие же, как выхлопные газы от других дизельных или газовых двигателей — они содержат немало токсичных химических веществ. Очень важно установить оптимальную выхлопную систему чтобы избавиться от них.

Выхлопные трубы, как правило, изготавливаются из чугуна, кованого железа или стали. Они прикреплены к двигателю при помощи гибких труб, чтобы минимизировать вибрации и предотвратить повреждение выхлопной системы генератора.

Передача электроэнергии.

Трансформаторы.

 

Вы приобрели холодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.


                        Рис.1                                                                             Рис.2

Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначение — на рис. 3.


                                                                Рис. 3.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

Если Ф = Ф0 соsωt, то

е = ω Фsinωt, или

                                               е = E0 sinωt ,

где E0= ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e1 равна п1е.

Во вторичной обмотке полная ЭДС. е2  равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

                                               e1 е2 = п1 п2.                 (1)

Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС eдолжна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u+ e= iR1,  где R1 - активное сопротивление обмотки, а i- сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i1R1 можно пренебречь. Поэтому

u1   ≈ - e1.            (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u≈ - e2.                                 (3)

Так как мгновенные значения ЭДС eи eизменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений  U1 и U2.

U1/U2 = E1/E2 = n1/ n2= k.            (4)

Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор является понижающим, при k<1 - повышающим.

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и Uстановится более сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи:

U1I1 = U2I2,    (5)                                          

где Iи I2  — действующие значения силы   в первичной и вторичной обмотках.

Отсюда следует, что

U1/U2 = I1/I2 . (6)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных трансформаторах суммарные потери не превышают 2—3%.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.

 Передача электроэнергии

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

Q=I2Rt

где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивленияR линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке.


Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.

Использование электроэнергии.

Использование электроэнергетики в различных областях науки.

ХХ век стал веком, когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику, культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наука способствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самым увеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченное использование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.

Рассмотрим эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валового продукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основная часть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новым разработкам в различных отраслях науки.

Большая часть научных разработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчеты производились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-технической революции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и даже лингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии, наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но если первоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из науки компьютеры пришли в жизнь.

Сейчас они используются во всех сферах деятельности человека: для записи и хранения информации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнения чертежных и графических работ, автоматизации производства и сельского хозяйства. Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия "второй промышленной" или "микроэлектронной" революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой.

Микропроцессоры ускорили рост робототехники. Большинство применяемых ныне роботов относится к так называемому первому поколению, и применяются при сварке, резании, прессовке, нанесении покрытий и т.д. Приходящие им на смену роботы второго поколения оборудованы устройствами для распознавания окружающей среды. А роботы-"интеллектуалы" третьего поколения будут "видеть", "чувствовать", "слышать". Ученые и инженеры среди наиболее приоритетных сфер применения роботов называют атомную энергетику, освоение космического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство, медицинское обслуживание, переработку отходов, освоение богатств океанического дна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличение потребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат во многих энергоемких производственных процессах  за счет внедрения более рациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.

Но вернемся к науке. Все новые теоретические разработки после расчетов на ЭВМ проверяются экспериментально. И, как правило, на этом этапе исследования проводятся с помощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструменты научных исследований многообразны - многочисленные измерительные приборы, ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и т.д. Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают на электрической энергии.

Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, например волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния.

Не обошла наука и сферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной и непроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль в повышении их эффективности начинает играть управление. Из своего рода искусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в наши дни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этот термин происходит от греческих слов "рулевой", "кормчий". Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение его произошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученого Норберта Винера "Кибернетика".

До начала "кибернетической" революции существовала только бумажная Информатика, основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая не использовала электроэнергию. "Кибернетическая" революция породила принципиально иную - машинную информатику, соответствующую гигантски возросшим потокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия. Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления, обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления), информационные банки данных, автоматизированные информационные базы, вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфные аппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой и скоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило сферу использования электроэнергии.

Многие ученые считают, что в данном случае речь идет о новой "информационной" цивилизации, приходящей на смену традиционной организации общества индустриального типа.

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит:  где

 — напряжение на вторичной обмотке,

 — число витков во вторичной обмотке,

 — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю  и площади  через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

где

 — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

 — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение  на , получим отношение[8]:

Понижающие трансформаторы – это электрические приборы специализированного назначения, позволяющие питать электроприборы или оборудование напряжением различных нагрузок, требующихся в каждом конкретном случае. 

Понижающий трансформатор представляет собой электромагнитное устройство, которое преобразует переменный электрический ток исходного напряжения, в переменный электрический ток другого требующегося напряжения. В классическом исполнении, понижающие трансформаторы состоят из замкнутого ферромагнитного сердечника, и двух проволочных (как правило, медных) обмоток (первичной и вторичной). 

Работа 
понижающих трансформаторов основана на явлении взаимной индукции, действующей через магнитное поле, и используемое для передачи энергии из оного контура трансформатора в другой. 

В настоящее время выпускается огромное разнообразие 
понижающих трансформаторов, большое число их типов и видов. Однако следует знать, что качественный понижающий трансформатор тот, в котором коэффициент трансформации (одна из технических характеристик прибора) меньше 1. 

Понижающие трансформаторы бывают трехфазные или однофазные, в открытом исполнении или с защитным кожухом (корпусом). В настоящее время понижающие трансформаторы делятся на несколько серий: ТСЗИ, ОСМ, ОСВМ – это основные из них. 

Понижающие трансформаторы позволяют, в зависимости от модели, преобразовывать электрический ток самого различного начального напряжения (220, 380 В и выше, вплоть до 660 В) с частотой тока от 50 до 400 Гц, в необходимое в каждом конкретном случае выходное напряжение: 12, 24, 36, 42, 127 В и т.д. 

Понижающие трансформаторы используются очень широко, и имеют самые различных области применения. В любом случае, выбор понижающего трансформатора необходимо проводить исходя из конкретных запросов, необходимых Вам в каждом отдельном случае.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ

Трансформатор напряжения ГОСТ 1983-2001- это устройство, используемое в электрических цепях, для того чтобы изменить напряжение электроэнергии. Данные электронные устройства могут использоваться как для повышения электрической энергии, так и для понижения, ими обеспечивается защита отдельных электрических приборов и зданий.

В основе работы трансформатора лежит принцип электромагнитной индукции. Железное ядро погружено в изоляционное масла, которое не проводит электричество. Катушки провода физически не подключены. Провод первой катушки имеет больше витков, чем во второй. Разное число витков обмоток обеспечивает разность напряжения катушек. Трансформаторы высокого напряжения работают только с цепями переменного тока.

Емкостные трансформаторы являются пассивными устройствами — они не добавляют мощность. Но зато не только контролирую количество проходящей энергии, но и гарантируют высокое КПД – мощные измерительные трансформаторы тока и напряжения способны передавать ток с напряжением от 6 кВ до 10 кВ без потерь.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Трансформатор состоит из двух катушек, намотанных на железное ядро. Когда ток переменного напряжения проходит через первичную катушку, вокруг неё образовывается магнитное поле, благодаря которому обеспечивается выполнение закона электромагнитной индукции. Сила магнитного поля увеличивается, если ток возрастает от нуля до ее максимального значения, заданного в формуле dΦ/dt. Магнитный поток может изменять свое направление в обе стороны (на подъем и спад), в зависимости от области использования устройства.

Тем не менее, напряженность магнитного поля зависит от числа витков обмоток в ядре, чем меньше витков – тем ниже показатель магнетизма. Когда ток уменьшается, напряженность магнитного поля снижается.

В том случае, когда линии магнитного потока ядра проходят через витки вторичной обмотки, напряжение будет вызываться на вторичной обмотке. Количество индуцированного напряжения будет определяться по формуле: NΦ/dt (Закон Фарадея), где N — количество витков катушки. Это напряжение имеет ту же частоту, что напряжение первичной обмотки.

Коэффициент трансформации трансформатора — это величина, выражающая масштабирующую (преобразовательную) характеристику трансформатора относительно какого-нибудь параметра электрической цепи (напряжения, тока, сопротивления и т. д.).

Принцип работы трансформатора основан на явлении взаимоиндукции.

Рис. 1 Схема трансформатора.

При включении источника переменной э. д. с. в первичной обмотке протекает переменный ток, а в сердечнике трансформатора создается переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает витки первичной и вторичной обмоток и на каждом отдельном витке, согласно закону электромагнитной индукции, наводит индуктированную э. д. с. Так как витки каждой обмотки наматываются в одну сторону, то э. д. с., действующая на концах данной обмотки, будет равна сумме э. д. с. ее отдельных витков.

Если число витков вторичной обмотки W2 меньше числа витков первичной обмотки W1, то и напряжение на концах вторичной обмотки Uбудет меньше напряжения, действующего на концах первичной обмотки, т. е. U1. В этом случае трансформатор понижает напряжение внешнего источника, поэтому он называется понижающим. Если число витков вторичной обмотки W2 больше числа витков первичной обмотки W1, то напряжение U2 будет больше напряжения U1. В таком случае трансформатор повышает напряжение, создаваемое внешним источником, и называется повышающим.

Разделив амплитуду напряжения на вторичной обмотке U2 на амплитуду напряжения, действующего на первичной обмотке U1 получим величину, которая характеризует степень преобразования величины напряжения и называется коэффициентом трансформации:

n = U2 : U1

Так как магнитный поток является общим для обоих обмоток, то отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке можно заменить отношением чисел витков этих обмоток:

n = U2 : U1 = W2 : W1

Если n> 1, то трансформатор повышающий, если n< 1, то — понижающий.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначение — на рис. 3.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

Если Ф = Ф0 соsωt, то

е = ω Фsinωt, или

                                               е = E0 sinωt ,

где E0= ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e1 равна п1е.

Во вторичной обмотке полная ЭДС. е2  равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

                                               e1 е2 = п1 п2.                

Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС eдолжна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u+ e= iR1,  где R1 - активное сопротивление обмотки, а i- сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом iR1 можно пренебречь. Поэтому

u1   ≈ - e1.           

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u≈ - e2.                                

Так как мгновенные значения ЭДС eи eизменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений  U1 и U2.

U1/U2 = E1/E2 = n1/ n2= k.           

Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор является понижающим, при k<1 - повышающим.

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и Uстановится более сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи:

U1I1 = U2I2,    (5)                                          

где Iи I2  — действующие значения силы   в первичной и вторичной обмотках.

Отсюда следует, что

U1/U2 = I1/I2 . (6)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных трансформаторах суммарные потери не превышают 2—3%.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.

 Передача электроэнергии

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

Q=I2Rt

где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке.


Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.

Использование электроэнергии.

Использование электроэнергетики в различных областях науки.

ХХ век стал веком, когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику, культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наука способствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самым увеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченное использование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.

Рассмотрим эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валового продукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основная часть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новым разработкам в различных отраслях науки.

Большая часть научных разработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчеты производились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-технической революции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и даже лингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии, наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но если первоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из науки компьютеры пришли в жизнь.

Сейчас они используются во всех сферах деятельности человека: для записи и хранения информации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнения чертежных и графических работ, автоматизации производства и сельского хозяйства. Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия "второй промышленной" или "микроэлектронной" революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой.

Микропроцессоры ускорили рост робототехники. Большинство применяемых ныне роботов относится к так называемому первому поколению, и применяются при сварке, резании, прессовке, нанесении покрытий и т.д. Приходящие им на смену роботы второго поколения оборудованы устройствами для распознавания окружающей среды. А роботы-"интеллектуалы" третьего поколения будут "видеть", "чувствовать", "слышать". Ученые и инженеры среди наиболее приоритетных сфер применения роботов называют атомную энергетику, освоение космического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство, медицинское обслуживание, переработку отходов, освоение богатств океанического дна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличение потребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат во многих энергоемких производственных процессах  за счет внедрения более рациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.

Но вернемся к науке. Все новые теоретические разработки после расчетов на ЭВМ проверяются экспериментально. И, как правило, на этом этапе исследования проводятся с помощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструменты научных исследований многообразны - многочисленные измерительные приборы, ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и т.д. Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают на электрической энергии.

Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, например волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния.

Не обошла наука и сферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной и непроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль в повышении их эффективности начинает играть управление. Из своего рода искусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в наши дни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этот термин происходит от греческих слов "рулевой", "кормчий". Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение его произошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученого Норберта Винера "Кибернетика".

До начала "кибернетической" революции существовала только бумажная Информатика, основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая не использовала электроэнергию. "Кибернетическая" революция породила принципиально иную - машинную информатику, соответствующую гигантски возросшим потокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия. Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления, обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления), информационные банки данных, автоматизированные информационные базы, вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфные аппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой и скоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило сферу использования электроэнергии.

Многие ученые считают, что в данном случае речь идет о новой "информационной" цивилизации, приходящей на смену традиционной организации общества индустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:

·     

·     

·     

·     

Такой переход от индустриального общества к "информационной цивилизации" стал возможен во многом благодаря развитию энергетики и обеспечению удобным в передаче и применении видом энергии - электрической энергией.

Электроэнергия в производстве.

Современное общество невозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось в виде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличиться до 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28978. Демократическая революция 1917г в России и ее итоги 31.5 KB
  В городах появились очереди стояние в которых было психологическим надломом для сотен тысяч рабочих и работниц. Начало первым беспорядкам положила забастовка рабочих Путиловского завода 17 февраля. Рабочие завода требовали увеличения расценок на 50 и приёма на работу уволенных рабочих. К толпам рабочих присоединялись тысячи случайных людей: подростков студентов мелких служащих интеллигентов.
28979. Мировая цивилизация в начале XXI века. Глобальные проблемы человечества и пути их разрешения 39.5 KB
  Теперь приведём главные глобальные проблемы человечества: Проблема мира и разоружения предотвращение новой мировой войны; Экологическая проблема; Демографическая проблема; Энергетическая и сырьевая проблема; Проблема использования Мирового океана; Глобальные проблемы человечества стали важным объектом междисциплинарных исследований в которых участвуют и общественные и естественные и технические науки. 1 Проблема мира: На протяжении нескольких послевоенных десятилетий проблема войны и мира предотвращения новой мировой войны была...
28980. История университета 29.5 KB
  Открыто 15 филиалов ИНЖЭКОНА в России в таких городах как Апатиты Анадырь Альметьевск Выборг Кизляр Мурманск Певек Псков Тверь Тихвин Чебоксары Череповец. Ежегодно в университете проходят профессиональную подготовку по 32 специальностям более 25000 студентов из России а также из стран ближнего зарубежья Европы Азии Африки Латинской Америки. Наши выпускники работают на крупнейших предприятиях в компаниях коммерческих фирмах и банках СевероЗападного региона по всей России за рубежом.
28981. Проблемы и противоречия современного периода развития российского общества 25 KB
  Основное противоречие современного этапа развития российского общества заключается в необходимости реформирования всех сфер деятельности переоценке традиционных ориентиров и ценностей открытости для контактов с другими государствами и одновременно сохранении национальной идентичности и этнической самобытности при соблюдении национальных интересов. Люди признают что роль государства в решении проблем региональной и национальной безопасности приоритетна. Для оптимизации государственного и общественного понимания проблем национальной...
28982. ИТ экспертных систем: назначение, структура, функционирование 28.5 KB
  Базы знаний содержат факты описывающие предметную область а так же качественную взаимосвязь между ними как правило в форме правил. Интерпретатор осуществляет обработку знаний в БЗ путем перебора правил правило за правилом. модуль создания системы служит для пополнения базы знаний а также для модернизации экспертной системы.
28983. Модели данных 28.5 KB
  Модель данных совокупность структур данных и операций их обработки отражает записи и взаимосвязи между ними. Модели данных: 1 иерархическая в виде иерархии в которой данные размещены по уровню подчиненности древовидная структура. Основные понятия: 1 таблица совокупность записей одной структуры представляет один объект БД; 2 запись совокупность логически связанных полей строка таблицы; 3 поле элементарная единица данных которая соответствует определённому реквизиту столбец.
28984. Понятие и структура СУБД 40.5 KB
  СУБД совокупность языковых и программных средств предназначенных для создания и ведение использование БД. Структура СУБД. При помощи отладчиков происходит объединение отдельных блоков СУБД.
28985. RDA модель 31 KB
  Коды компонента представления и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере клиенте кот реализует как функции ввода и отображения данных так и прикладные функции т. Поддержка разного интерфейса компонента представления. Проблемы с администрированием приложений поэтому при необходимости изменения прикладного компонента необходимо переписывать всю программу целиком.
28986. DBS модель 31 KB
  На компьютере клиенте находится представительские прикладные функции которые реализует прикладной компонент реализуемый на компьютере сервере в виде хранящих процедур. Компонент доступа к информационным ресурсам связан с ядром БД так же находится на компьютере сервере совместно с прикладным. Пользователь через компонент представления вызывает необходимые процедуры из прикладного компонента. Прикладной компонент формируется внутри SQLзапрос компонента доступа извлекает необходимую информацию из БД обрабатывает ее и отправляет ее через...