А. Характеристики генератора.

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:

• 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;
• 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.
• 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 Ф₀ sinωt, 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 е_{2 =} п₁ п₂. (1)

Сумма напряжения u₁, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e₁ должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u₁ + e₁ = i₁ R₁, где R₁ - активное сопротивление обмотки, а i₁ - 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:

u₂ ≈ - e₂. (3)

Так как мгновенные значения ЭДС e₁ и e₂ изменяются 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 u₂ ≈ - e₂ уже не выполняется точно, и соответ­ственно связь между U₁ и U₂ становится более сложной, чем в уравнении (4).

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

U₁I₁ = U₂I_2, (5)

где I₁ и 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.