Производство и передача электрической энергии на большие расстояния

8

МОУ СОШ №9

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ: «ПРОИЗВОДСТВО И ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ»

Выполнил: Галимов Д.

г. Татарск 2009 г.

План работы:

1. Переменный ток

2. Преимущество переменного тока над постоянным

3. Преимущество электроэнергии перед другими видами энергии

4. Трансформатор:

5. Генератор:

6. Блок-схема превращение в ТЭС и ГЭС (вывод)

1. Переменный ток

Переменный электрический ток - электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю.

Рис. 1. Простейшая установка для выработки переменного электрического тока

2. Преимущество переменного тока над постоянным

Переменный ток имеет преимущество над постоянным током в том, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радио- технических устройствах. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.

Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рис. 1 изображена примитивная установка для выработки переменного тока.

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рис. 2.

Рис. 2. Изменения положения рамки в разные периоды времени

Точкой отсчета будет положение рамки, показанное на рис. 2, а. В этот момент плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям, и магнитный поток будет иметь максимальное значение. Параллельно магнитным линиям рамка встанет через четверть периода. Магнитный поток при этом станет равным нулю, потому что ни одна магнитная линия не проходит через поверхность рамки. Чтобы определить ЭДС индукции, нужно знать не величину потока, а скорость его изменения. В точке отсчета ЭДС индукции равна нулю, а в третьем (рис. 2, в) -- максимальному значению. Исходя из положений рамки, можно увидеть, что ЭДС индукции меняет и значение, и знак. Таким образом, она является переменной (см. график на рис. 2).

Если рамка имеет только активное сопротивление, то ток, который возникает в контуре под действием ЭДС индукции, с течением времени будет меняться, как и сама ЭДС. Такой ток называется переменным синусоидальным током. Периодом переменного тока называется отрезок времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание (эту единицу обозначают буквой Т). Число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой (f). Частота измеряется в герцах (Гц). В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц.

3. Преимущество электроэнергии перед другими видами энергии

Электроэнергия обладает неоспоримым преимуществом перед другими видами энергии. Её можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно небольшими потерями и удобно распределять между потребителями. Главное, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств можно легко превратить в любые другие формы энергии: механическую, внутреннюю энергию и др.

4. Трансформатор

ЭДС мощных генераторов электростанций довольно велика. Между тем в практике чаще всего нужно не слишком высокое напряжение. Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. В первые трансформаторы были использованы в 1878г. русским учённым П. Н. Яблочниковым для питания изобретённых им электрических свечей - нового в то время источника света.

Трансформатор состоит из замкнутого стольного сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называется первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Схематическое устройство трансформатора. 1 -- первичная обмотка, 2 -- вторичная

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток I₀(ток холостого хода), который возбудит в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, будет индуктировать в этой обмотке э.д.с. Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой э. д. с. Е₂ по этой обмотке и через приемник энергии будет протекать ток I₂. Одновременно и в первичной обмотке появится нагрузочный ток I', который в сумме с током холостого хода I₀ определит ток первичной обмотки I₂. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.

Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками они помещаются на стальном магнитопроводе.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собираются из тонких пластин.

Применение трансформаторов:

· В электросетях

Применение трансформаторов при передаче электроэнергии на большие расстояния помогает контролировать возникающие большие напряжения. Трансформаторы позволяют повысить уровень безопасности и снизить объемы используемой изоляции. Для преобразования напряжения используют трехфазные трансформаторы (в соответствии с тремя фазами электрической сети) либо в комплекс однофазных трансформаторов, объединенных по схеме «звезда» или «треугольник».

· В источниках питания

Трансформаторы широко применяются в источниках питания электроприборов для преобразования необходимого для питания напряжения из напряжения электросети. В современных блоках питания используется схема, согласно которой переменное напряжение сети сначала выпрямляют, после чего преобразуют в высокочастотные импульсы. Импульсный трансформатор преобразует импульсы во все нужные напряжения. Это позволяет значительно уменьшить массу блока питания.

· Разделительные трансформаторы

Такие трансформаторы используются в электросетях для устранения угрозы поражения электрическим током (при одновременном касании человеком фазового провода или корпуса прибора с плохой изоляцией и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь). Прибор, включенный в сеть через трансформатор, безопасен, поскольку вторичная цепь трансформатора контакта с «землёй» не имеет.

· Импульсные трансформаторы

Импульсные трансформаторы обеспечивают неискаженную передачу формы трансформируемых импульсов напряжения (в основном прямоугольного электрического импульса).

· Измерительные трансформаторы

Применяют для измерения переменных напряжений и токов (очень больших или очень маленьких) в цепях релейной защиты и автоматики.

· Измерительно-силовые трансформаторы

Этот тип трансформаторов широко используется в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до 1 мегаватта) для стабилизации выходного напряжения генератора. Трансформаторы представляют собой измерительные трансформаторы тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. С вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. Для трехфазных генераторов соответственно применяется трёхфазный трансформатор.

· Согласующие трансформаторы

Согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление, а также в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.

· Фазоинвертирующие трансформаторы

Фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом - для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада.

5. Генератор:

Генератор переменного тока используется на современных автомобилях для заряда батареи аккумуляторов и для энергоснабжения автомобильной электрической системы. Генераторы переменного тока имеют большое преимущество над генераторами постоянного тока из-за не использования коммутатора, что делает их проще, легче и дешевле, чем генераторы постоянного тока. Автомобильные генераторы переменного тока используют набор выпрямителей (диодный мост) для преобразования переменного тока в постоянный ток. Для производства постоянного тока с низкими пульсациями, автомобильные генераторы переменного тока имеют трёхфазную обмотку.

Все генераторы состоят из одних и тех же основных частей. Это во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС. Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного тока.

Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети (дополнительных диодов).

С увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора повышается. Когда оно начинает превышать уровень 13,5…14,2. В, выходной транзистор в регуляторе напряжения запирается, и ток через обмотку возбуждения прерывается. Напряжение генератора падает, транзистор в регуляторе отпирается и снова пропускает ток через обмотку возбуждения.

Чем выше частота вращения ротора генератора, тем больше время запертого состояния транзистора в регуляторе, следовательно, тем сильнее снижается напряжение генератора. Этот процесс запирания и отпирания регулятора происходит с высокой частотой. Поэтому колебания напряжения на выходе генератора незаметны, и практически можно считать его постоянным, поддерживаемым на уровне 13,5…14,2 В.

Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике. В некоторых установках генераторы Маркса работают и в качестве генераторов импульсного тока (ГИТ).

В некоторых установках объединяют два генератора Маркса в единую установку в которой многоступенчатый ГИН с конденсаторами небольшой общей ёмкостью обеспечивает высокий потенциал напряжения, необходимый для развития разряда основного малоступенчатого ГИТ с конденсаторами большой общей ёмкости, со сравнительно невысоким потенциалом, но большой силой тока в продолжительном импульсе.

Например, генераторы Маркса применяются (начальное историческое применение) в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций.

Генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений.

В военной технике генераторы Маркса в комплексе с, например, виркаторами в качестве генераторов излучения применяются для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы, в качестве электромагнитного оружия, действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).

Известно применение генераторов Маркса в качестве источников энергии рельсотронов и гауссовских пушек, рассматриваемых как перспективные артиллерийские системы.

Миниатюризованные генераторы Маркса считаются перспективными для использования в современных моделях электрошокового оружия, как мобильного (например тетанайзера установленного на колёсном транспорте), так и ручного, носимого человеком постоянно.

В общепромышленной технике генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в технике электрогидравлической обработки материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.

6. Блок-схема превращение в ТЭС и ГЭС (вывод)

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо и гидроресурсов. Электроэнергию не удаётся консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии практически весьма трудно. Поэтому приходится уменьшить силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС - Москва и некоторых других используют напряжение 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающее 16 - 20 кВ.