Всички технологични процеси на всяко производство са свързани с потребление на енергия. По-голямата част от енергийните ресурси се изразходват за тяхното изпълнение.
Най-важната роля в промишленото предприятие играе електрическата енергия - най-универсалният вид енергия, който е основният източник на механична енергия.
Преобразуването на различни видове енергия в електрическа става при електроцентрали .
Електрическите централи са предприятия или инсталации, предназначени за производство на електроенергия. Горивото за електроцентралите са природни ресурси - въглища, торф, вода, вятър, слънце, ядрена енергия и др.
В зависимост от вида на преобразуваната енергия електроцентралите могат да се разделят на следните основни типове: топлоелектрически, атомни, водноелектрически, помпено-акумулиращи, газови турбини, както и локални централи с ниска мощност - вятърни, слънчеви, геотермални, приливни, дизелови и др.
По-голямата част от електроенергията (до 80%) се произвежда в топлоелектрически централи (ТЕЦ). Процесът на получаване на електрическа енергия в топлоелектрическа централа се състои от последователно преобразуване на енергията на изгореното гориво в топлинната енергия на водната пара, която задвижва въртенето на турбинния агрегат (парна турбина, свързана с генератор). Механичната енергия на въртене се преобразува от генератора в електрическа енергия. Горивото за електроцентралите е въглища, торф, нефтени шисти, природен газ, нефт, мазут и дървесни отпадъци.
При икономична работа на топлоелектрическите централи, т.е. когато потребителят едновременно доставя оптимални количества електроенергия и топлина, ефективността им достига над 70%. В периода, когато потреблението на топлина спира напълно (например през неотоплителния сезон), ефективността на станцията намалява.
Атомните електроцентрали (АЕЦ) се различават от конвенционалната парна турбина по това, че атомната електроцентрала използва процеса на делене на ядра на уран, плутоний, торий и др. като източник на енергия в резултат на разделянето на тези материали в специални устройства - реактори, се отделя огромно количество топлинна енергия.
В сравнение с топлоелектрическите централи, атомните електроцентрали консумират малко гориво. Такива станции могат да бъдат построени навсякъде, т.к те не са свързани с местоположението на запасите от природни горива. Освен това околната среда не се замърсява от дим, пепел, прах и серен диоксид.
Във водноелектрическите централи (ВЕЦ) водната енергия се преобразува в електрическа с помощта на хидравлични турбини и свързани към тях генератори.
Водноелектрическите централи биват язовирни и отклоняващи. Язовирните водноелектрически централи се използват в равнинни реки с ниско налягане, отклонителните водноелектрически централи (с обходни канали) се използват в планински реки с големи наклони и нисък воден поток. Трябва да се отбележи, че работата на водноелектрическите централи зависи от нивото на водата, определено от природните условия.
Предимствата на водноелектрическите централи са тяхната висока ефективност и ниска цена на произведената електроенергия. Трябва обаче да се има предвид високата цена на капиталовите разходи при изграждането на водноелектрически централи и значителното време, необходимо за тяхното изграждане, което определя дългия им период на изплащане.
Особеност при работата на централите е, че те трябва да генерират толкова енергия, колкото е необходима в момента, за да покрият натоварването на потребителите, собствените нужди на централите и загубите в мрежите. Следователно оборудването на станцията трябва винаги да е готово за периодични промени в потребителското натоварване през деня или годината.
Повечето електроцентрали са интегрирани в енергийни системи , всяко от които има следните изисквания:
- Съответствие на мощността на генераторите и трансформаторите с максималната мощност на потребителите на електроенергия.
- Достатъчен капацитет на електропроводите (PTL).
- Осигуряване на непрекъснато захранване с високо енергийно качество.
- Рентабилен, безопасен и лесен за използване.
За да отговорят на тези изисквания, енергийните системи са оборудвани със специални центрове за управление, оборудвани със средства за наблюдение, управление, комуникация и специални оформления на електроцентрали, преносни линии и понижаващи подстанции. Центърът за управление получава необходимите данни и информация за състоянието на технологичния процес в електроцентралите (разход на вода и гориво, параметри на парата, скорост на въртене на турбината и др.); за работата на системата - кои елементи на системата (линии, трансформатори, генератори, товари, котли, паропроводи) в момента са изключени, кои са в експлоатация, в резерв и др.; относно електрическите параметри на режима (напрежения, токове, активни и реактивни мощности, честота и др.).
Работата на електроцентралите в системата позволява, благодарение на голям брой паралелно работещи генератори, да се повиши надеждността на захранването на потребителите, да се натоварят напълно най-икономичните блокове на електроцентралите и да се намалят разходите за електроенергия поколение. Освен това се намалява инсталираната мощност на резервното оборудване в електроенергийната система; осигурява по-високо качество на електрическата енергия, доставяна на потребителите; нараства единичната мощност на модулите, които могат да бъдат инсталирани в системата.
В Русия, както и в много други страни, за производството и разпределението на електроенергия се използва трифазен променлив ток с честота 50 Hz (в САЩ и редица други страни - 60 Hz). Трифазните токови мрежи и инсталации са по-икономични в сравнение с еднофазните инсталации за променлив ток и също така позволяват широкото използване на най-надеждните, прости и евтини асинхронни електродвигатели като електрическо задвижване.
Наред с трифазния ток в някои индустрии се използва постоянен ток, който се получава чрез изправяне на променлив ток (електролиза в химическата промишленост и цветната металургия, електрифициран транспорт и др.).
Електрическата енергия, генерирана в електроцентралите, трябва да бъде прехвърлена към местата на потребление, предимно в големите индустриални центрове на страната, които са на много стотици, а понякога и хиляди километри от мощни електроцентрали. Но предаването на електричество не е достатъчно. Тя трябва да бъде разпределена между много различни потребители - промишлени предприятия, транспорт, жилищни сгради и др. Преносът на електроенергия на дълги разстояния се извършва при високо напрежение (до 500 kW или повече), което осигурява минимални електрически загуби в електропроводите и води до големи икономии на материали поради намаляване на напречните сечения на проводниците. Следователно в процеса на предаване и разпределение на електрическа енергия е необходимо да се увеличава и намалява напрежението. Този процес се осъществява чрез електромагнитни устройства, наречени трансформатори. Трансформаторът не е електрическа машина, т.к работата му не е свързана с преобразуването на електрическата енергия в механична и обратно; той само преобразува напрежението в електрическа енергия. Напрежението се повишава с помощта на повишаващи трансформатори в електроцентралите, а напрежението се намалява с помощта на понижаващи трансформатори в потребителските подстанции.
Междинната връзка за предаване на електроенергия от трансформаторни подстанции към приемници на електроенергия са Електричество на мрежата .
Трансформаторна подстанция е електрическа инсталация, предназначена за преобразуване и разпределение на електроенергия.
Подстанциите могат да бъдат затворени или отворени в зависимост от местоположението на основното оборудване. Ако оборудването се намира в сграда, тогава подстанцията се счита за затворена; ако е на открито, тогава отворете.
Оборудването на подстанцията може да бъде сглобено от отделни елементи на устройството или от блокове, доставени сглобени за монтаж. Блоковите подстанции се наричат пълни.
Оборудването на подстанцията включва устройства, които превключват и защитават електрически вериги.
Основният елемент на подстанциите е силовият трансформатор. Структурно силовите трансформатори са проектирани по такъв начин, че да отстранят възможно най-много топлина от намотките и сърцевината в околната среда. За да направите това, например, сърцевината с намотки се потапя в резервоар с масло, повърхността на резервоара е направена оребрена, с тръбни радиатори.
Комплектни трансформаторни подстанции, инсталирани директно в производствени помещения с мощност до 1000 kVA, могат да бъдат оборудвани със сухи трансформатори.
За да се увеличи коефициентът на мощност на електрическите инсталации, в подстанциите се монтират статични кондензатори, за да се компенсира реактивната мощност на товара.
Автоматична система за наблюдение и управление на подстанционните устройства следи процесите, протичащи в товара и в електрозахранващите мрежи. Той изпълнява функциите за защита на трансформатора и мрежите, изключва защитените зони с превключвател при аварийни условия, извършва рестартиране и автоматично включване на резерва.
Трансформаторните подстанции на промишлените предприятия са свързани към електрозахранващата мрежа по различни начини, в зависимост от изискванията за надеждност на непрекъснатото захранване на потребителите.
Типичните схеми, осигуряващи непрекъснато електрозахранване, са радиални, основни или пръстеновидни.
В радиалните схеми линиите, които захранват големи електрически приемници, се отклоняват от разпределителното табло на трансформаторната подстанция: двигатели, групови разпределителни точки, към които са свързани по-малки приемници. Радиалните вериги се използват в компресорни и помпени станции, цехове на взриво- и пожароопасни, прашни индустрии. Те осигуряват висока надеждност на електрозахранването, позволяват широкото използване на средства за автоматично управление и защита, но изискват високи разходи за изграждане на разпределителни табла, полагане на кабели и проводници.
Магистралните вериги се използват, когато товарът е равномерно разпределен върху площта на цеха, когато не е необходимо да се изгражда разпределително табло в подстанцията, което намалява цената на съоръжението; могат да се използват готови шини, което ускорява монтажа. В същото време преместването на технологично оборудване не изисква преработка на мрежата.
Недостатъкът на главната верига е ниската надеждност на захранването, тъй като ако главната линия е повредена, всички електрически приемници, свързани към нея, се изключват. Въпреки това, инсталирането на джъмпери между електрическата мрежа и използването на защита значително повишава надеждността на захранването с минимални разходи за резервиране.
От подстанциите токът с ниско напрежение с индустриална честота се разпределя в цеховете с помощта на кабели, проводници, шини от разпределителната уредба на работилницата до електрическите задвижващи устройства на отделните машини.
Прекъсванията в електрозахранването на предприятията, дори краткотрайни, водят до смущения в технологичния процес, разваляне на продуктите, повреда на оборудването и непоправими загуби. В някои случаи прекъсването на захранването може да създаде опасност от експлозия и пожар в предприятията.
Съгласно правилата за електрическа инсталация всички приемници на електрическа енергия са разделени на три категории според надеждността на захранването:
- Енергийни приемници, за които прекъсването на електрозахранването е неприемливо, тъй като може да доведе до повреда на оборудването, масови продуктови дефекти, нарушаване на сложен технологичен процес, нарушаване на работата на особено важни елементи на общинската икономика и в крайна сметка застрашава живота на хората .
- Енергоприемници, чието прекъсване на захранването води до неизпълнение на производствения план, престой на работници, машини и промишлен транспорт.
- Други приемници на електрическа енергия, например несерийни и спомагателни производствени цехове, складове.
Електрозахранването на приемниците на електрическа енергия от първа категория трябва да бъде осигурено във всеки случай и при прекъсване да бъде автоматично възстановено. Следователно такива приемници трябва да имат два независими източника на захранване, всеки от които може напълно да ги захранва с електричество.
Приемниците на електроенергия от втора категория могат да имат резервен източник на захранване, който се свързва от дежурен персонал след определен период от време след повреда на основния източник.
За приемници от трета категория по правило не се осигурява резервен източник на захранване.
Електрозахранването на предприятията се разделя на външно и вътрешно. Външно захранване е система от мрежи и подстанции от източника на енергия (енергийна система или електроцентрала) до трансформаторната подстанция на предприятието. Преносът на енергия в този случай се осъществява чрез кабелни или въздушни линии с номинално напрежение 6, 10, 20, 35, 110 и 220 kV. Вътрешното електроснабдяване включва енергоразпределителната система в цеховете на предприятието и на територията му.
На захранващия товар (електродвигатели, електрически пещи) се подава напрежение от 380 или 660 V, а на осветителния товар - 220 V. За да се намалят загубите, е препоръчително да се свържат двигатели с мощност от 200 kW или повече напрежение 6 или 10 kV.
Най-често срещаното напрежение в промишлените предприятия е 380 V. Широко се въвежда напрежение 660 V, което позволява да се намалят загубите на енергия и консумацията на цветни метали в мрежи с ниско напрежение, да се увеличи обхватът на цеховите подстанции и мощността на всеки трансформатор до 2500 kVA. В някои случаи при напрежение 660 V е икономически оправдано използването на асинхронни двигатели с мощност до 630 kW.
Разпределението на електроенергия се извършва с помощта на електрическа инсталация - набор от проводници и кабели със свързани с тях закрепвания, носещи и защитни конструкции.
Вътрешното окабеляване е електрическо окабеляване, монтирано вътре в сграда; външни - отвън, покрай външните стени на сградата, под навеси, върху опори. В зависимост от метода на монтаж вътрешното окабеляване може да бъде отворено, ако е положено върху повърхността на стени, тавани и др., И скрито, ако е положено в конструктивните елементи на сградите.
Окабеляването може да бъде положено с изолиран проводник или неброниран кабел със сечение до 16 кв. мм. В местата на възможно механично въздействие, електрическите проводници са затворени в стоманени тръби и запечатани, ако средата на помещението е експлозивна или агресивна. На машинни инструменти и печатни машини окабеляването се извършва в тръби, в метални ръкави, с тел с поливинилхлоридна изолация, която не се разрушава от излагане на машинни масла. Голям брой проводници от системата за управление на електрическите кабели на машината са положени в тави. Шинопроводите се използват за пренос на електричество в цехове с голям брой производствени машини.
За пренос и разпределение на електроенергия широко се използват силови кабели в гумени и оловни обвивки; небронирани и бронирани. Кабелите могат да бъдат положени в кабелни канали, монтирани на стени, в земни канали или вградени в стени.
ИЗПОЛЗВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСТВОТО В РАЗЛИЧНИ ОБЛАСТИ НА НАУКАТА
И ВЛИЯНИЕТО НА НАУКАТА ВЪРХУ ИЗПОЛЗВАНЕТО НА ЕЛЕКТРИЧЕСТВОТО В ЖИВОТА
Двадесети век стана векът, в който науката нахлува във всички сфери на обществения живот: икономика, политика, култура, образование и др. Естествено, науката пряко влияе върху развитието на енергетиката и обхвата на приложение на електричеството. От една страна, науката допринася за разширяване на обхвата на приложение на електрическата енергия и по този начин увеличава нейното потребление, но от друга страна, в епоха, когато неограниченото използване на невъзобновяеми енергийни ресурси представлява опасност за бъдещите поколения, спешно задачи на науката са разработването на енергоспестяващи технологии и тяхното внедряване в живота.
Нека да разгледаме тези въпроси, като използваме конкретни примери. Около 80% от растежа на БВП (брутен вътрешен продукт) на развитите страни се постига чрез технически иновации, основната част от които е свързана с използването на електроенергия. Всичко ново в индустрията, селското стопанство и ежедневието идва при нас благодарение на новите разработки в различни клонове на науката.
Повечето научни разработки започват с теоретични изчисления. Но ако през 19-ти век тези изчисления са правени с помощта на писалка и хартия, то в епохата на STR (научно-техническата революция) всички теоретични изчисления, подбор и анализ на научни данни и дори лингвистичен анализ на литературни произведения се извършват с помощта на компютри (електронни компютри), които работят с електрическа енергия, която е най-удобна за предаването й на разстояние и използването й. Но ако първоначално компютрите са били използвани за научни изчисления, сега компютрите оживяват от науката.
Сега те се използват във всички области на човешката дейност: за записване и съхраняване на информация, създаване на архиви, подготовка и редактиране на текстове, извършване на чертожна и графична работа, автоматизиране на производството и селското стопанство. Електронизацията и автоматизацията на производството са най-важните последици от „втората индустриална“ или „микроелектронна“ революция в икономиките на развитите страни. Развитието на комплексната автоматизация е пряко свързано с микроелектрониката, чийто качествено нов етап започва след изобретяването през 1971 г. на микропроцесора - микроелектронно логическо устройство, вградено в различни устройства за управление на тяхната работа.
Микропроцесорите ускориха развитието на роботиката. Повечето от използваните днес роботи принадлежат към така нареченото първо поколение и се използват при заваряване, рязане, пресоване, нанасяне на покрития и др. Второто поколение роботи, които ги заменят, са оборудвани с устройства за разпознаване на околната среда. А „интелигентните“ роботи от трето поколение ще „виждат“, „усещат“ и „чуват“. Учени и инженери посочват ядрената енергия, изследването на космоса, транспорта, търговията, складирането, медицинските грижи, обработката на отпадъците и разработването на богатствата на океанското дъно сред най-приоритетните области за използване на роботи. По-голямата част от роботите работят с електрическа енергия, но увеличаването на потреблението на електроенергия от роботи се компенсира от намаляването на разходите за енергия в много енергоемки производствени процеси поради въвеждането на по-рационални методи и нови енергоспестяващи технологични процеси.
Но да се върнем на науката. Всички нови теоретични разработки след компютърни изчисления се проверяват експериментално. И като правило на този етап се извършват изследвания чрез физически измервания, химически анализи и др. Тук инструментите за научни изследвания са разнообразни - множество измервателни уреди, ускорители, електронни микроскопи, скенери за магнитен резонанс и др. По-голямата част от тези инструменти на експерименталната наука се захранват от електрическа енергия.
Но науката не само използва електричеството в своите теоретични и експериментални области, научните идеи постоянно възникват в традиционната област на физиката, свързана с получаването и предаването на електричество. Учените например се опитват да създадат електрически генератори без въртящи се части. При конвенционалните електродвигатели трябва да се подаде постоянен ток към ротора, за да възникне „магнитна сила“. Електрическият ток трябва да се подава към електромагнит, „работещ като ротор“ (скоростта му на въртене достига три хиляди оборота в минута) чрез проводими въглеродни четки и пръстени, които се търкат един в друг и лесно се износват. Физиците излязоха с идеята да заменят ротора със струя от горещи газове, плазмена струя, в която има много свободни електрони и йони. Ако прекарате такава струя между полюсите на силен магнит, тогава, според закона за електромагнитната индукция, в нея ще възникне електрически ток - в края на краищата струята се движи. Електродите, с помощта на които трябва да се отстрани тока от горещата струя, могат да бъдат неподвижни, за разлика от въглеродните четки на конвенционалните електрически инсталации. Нов тип електрическа машина се нарича магнитохидродинамичен генератор.
В средата на ХХ век учените създават оригинален електрохимичен генератор, наречен горивна клетка. Към електродните пластини на горивната клетка се подават два газа - водород и кислород. На платинените електроди газовете предават електрони на външна електрическа верига, стават йони и, когато се комбинират, се превръщат във вода. И електричеството, и водата се получават от газово гориво. Удобен, тих и чист източник на енергия за пътувания на дълги разстояния, като космоса, където и двата продукта с горивни клетки са особено необходими.
Друг оригинален начин за генериране на електроенергия, който стана широко разпространен напоследък, е преобразуването на слънчевата енергия в електрическа енергия "директно" - с помощта на фотоволтаични инсталации (слънчеви батерии). С тях се свързва появата на „слънчеви къщи“, „слънчеви оранжерии“, „слънчеви ферми“. Такива слънчеви панели се използват и в космоса за осигуряване на електричество на космически кораби и станции.
Науката в областта на комуникациите и комуникациите се развива много бързо. Сателитните комуникации вече не се използват само като средство за международна комуникация, но и в ежедневието - сателитните чинии не са рядкост в нашия град. Новите средства за комуникация, като оптичната технология, могат значително да намалят загубите на енергия в процеса на предаване на сигнали на големи разстояния.
Науката не е заобиколила и сферата на управлението. С развитието на научно-техническия прогрес и разширяването на производствените и непроизводствените сфери на човешката дейност управлението започва да играе все по-важна роля за повишаване на тяхната ефективност. От вид изкуство, което доскоро се основаваше на опита и интуицията, днес мениджмънтът се превърна в наука. Науката за управлението, общите закони за получаване, съхраняване, предаване и обработка на информация се нарича кибернетика. Този термин идва от гръцките думи „рулеви“, „рулеви“. Среща се в трудовете на древногръцките философи. Реалното му прераждане обаче се случва през 1948 г., след публикуването на книгата „Кибернетика” на американския учен Норбърт Винер.
Преди началото на „кибернетичната“ революция имаше само хартиена компютърна наука, чието основно средство за възприемане беше човешкият мозък и която не използваше електричество. „Кибернетичната” революция роди коренно различна – машинна информатика, съответстваща на гигантски увеличените информационни потоци, източник на енергия за които е електричеството. Създадени са напълно нови средства за получаване на информация, нейното натрупване, обработка и предаване, които заедно образуват сложна информационна структура. Тя включва автоматизирани системи за управление (автоматизирани системи за управление), информационни банки с данни, автоматизирани информационни бази данни, компютърни центрове, видеотерминали, копирни и фототелеграфни машини, национални информационни системи, сателитни и високоскоростни оптични комуникационни системи - всичко това се разшири неограничено обхвата на използване на електроенергия.
Много учени смятат, че в този случай става дума за нова „информационна“ цивилизация, заменяща традиционната организация на обществото от индустриален тип. Тази специализация се характеризира със следните важни характеристики:
· широко използване на информационните технологии в материалното и нематериалното производство, в областта на науката, образованието, здравеопазването и др.;
· наличието на широка мрежа от различни банки данни, включително публични;
· превръщане на информацията в един от най-важните фактори за икономическо, национално и личностно развитие;
· свободно движение на информация в обществото.
Такъв преход от индустриално общество към „информационна цивилизация“ стана възможен до голяма степен благодарение на развитието на енергетиката и предоставянето на удобен вид енергия за пренос и използване - електрическа енергия.
ЕЛЕКТРИЧЕСТВО В ПРОИЗВОДСТВОТО
Съвременното общество не може да се представи без електрификация на производствените дейности. Още в края на 80-те години повече от 1/3 от цялото потребление на енергия в света се извършва под формата на електрическа енергия. До началото на следващия век този дял може да нарасне до 1/2. Това увеличение на потреблението на електроенергия е свързано преди всичко с увеличаване на потреблението й в промишлеността. По-голямата част от промишлените предприятия работят с електрическа енергия. Високото потребление на електроенергия е типично за енергоемките отрасли като металургията, алуминия и машиностроенето.
Това повдига проблема за ефективното използване на тази енергия. При пренос на електроенергия на дълги разстояния, от производител до потребител, топлинните загуби по преносната линия нарастват пропорционално на квадрата на тока, т.е. ако токът се удвои, тогава топлинните загуби се увеличават 4 пъти. Затова е желателно токът в линиите да е малък. За да направите това, напрежението на преносната линия се увеличава. Електричеството се предава по линии, където напрежението достига стотици хиляди волта. В близост до градове, които получават енергия от преносни линии, това напрежение се повишава до няколко хиляди волта с помощта на понижаващ трансформатор. В самия град в подстанциите напрежението пада до 220 волта.
Страната ни заема голяма територия, почти 12 часови зони. Това означава, че докато в някои региони потреблението на електроенергия е максимално, в други работният ден вече е приключил и потреблението намалява. За рационалното използване на електроенергията, генерирана от електроцентралите, те се обединяват в електроенергийни системи на отделни региони: европейската част, Сибир, Урал, Далечния изток и др. Това обединение позволява по-ефективно използване на електроенергията чрез координиране на работата на отделни електроцентрали. Сега различни енергийни системи са обединени в единна енергийна система на Русия.
Следващата възможност за ефективно използване е намаляване на потреблението на енергия с помощта на енергоспестяващи технологии и модерно оборудване, което консумира минимално количество електроенергия. Пример за това е производството на стомана. Ако през 60-те години основният метод за топене на стомана беше методът на открито (72% от цялото топене), то през 90-те години тази технология на топене беше заменена от по-ефективни методи: кислородно конверторно и електропещно производство на стомана.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Колтун М. Светът на физиката: Научна и художествена литература. - М.: Дет. лит., 1984.- 271 с.
2. Максаковски В.П. Географска картина на света. Част 1. Обща характеристика на света. - Ярославъл: Верх.-Волж. Книга издателство, 1995.- 320 с.
3. Елиън Л., Уилконс У. Физика. - М.: Наука, 1967.- 808 с.
4. Енциклопедичен речник на младия физик / Comp. В.А. Чуянов. - М.: Педагогика, 1984.- 352 с.
Преносът на електроенергия е процес, който включва доставка на електроенергия до потребителите. Електричеството се произвежда в отдалечени източници (електроцентрали) от огромни генератори, използващи въглища, природен газ, вода, ядрен делене или вятър.
Токът се предава чрез трансформатори, които повишават напрежението му. Високото напрежение е икономически изгодно при предаване на енергия на дълги разстояния. Електропроводи за високо напрежение се простират в цялата страна. Чрез тях електрическият ток достига до подстанции в близост до големите градове, където напрежението му се намалява и се изпраща до малки (разпределителни) електропроводи. Електрическият ток преминава през разпределителните линии във всеки район на града и завършва в трансформаторни кутии. Трансформаторите намаляват напрежението до определена стандартна стойност, която е безопасна и необходима за работата на домакинските устройства. Токът влиза в къщата през проводниците и преминава през измервателен уред, който показва количеството консумирана енергия.
Трансформаторът е статично устройство, което преобразува променлив електрически ток от едно напрежение в променлив ток от друго напрежение, без да променя неговата честота. Може да работи само с променлив ток.
Основни конструктивни части на трансформатора
Устройството се състои от три основни части:
- Първична намотка на трансформатора. Брой навивки N 1.
- Ядро със затворена форма, изработено от мек магнитен материал (например стомана).
- Вторична намотка. Брой навивки N 2.
На диаграмите трансформаторът е изобразен, както следва:
Принцип на действие
Работата на силовия трансформатор се основава на закона за електромагнитната индукция на Фарадей.
Между две отделни намотки (първична и вторична), които са свързани с общ магнитен поток, възниква взаимна индукция. Взаимната индукция е процесът, при който първична намотка индуцира напрежение във вторична намотка, разположена в непосредствена близост до нея.
Първичната намотка получава променлив ток, който създава магнитен поток, когато е свързан към източник на захранване. Магнитният поток преминава през сърцевината и тъй като се променя с времето, възбужда индуцирана емф във вторичната намотка. Текущото напрежение на втората намотка може да е по-ниско, отколкото на първата, тогава трансформаторът се нарича понижаващ трансформатор. Повишаващият трансформатор има по-високо напрежение на тока на вторичната намотка. Текущата честота остава непроменена. Ефективното намаляване или увеличаване на напрежението не може да увеличи електрическата мощност, така че токът на изхода на трансформатора съответно се увеличава или намалява пропорционално.
За амплитудните стойности на напрежението върху намотките може да се напише следният израз:
k - коефициент на трансформация.
За повишаващ трансформатор k>1, а за понижаващ - k<1.
По време на работа на реално устройство винаги има загуба на енергия:
- намотките се нагряват;
- работата се изразходва за магнетизиране на сърцевината;
- Токове на Фуко възникват в ядрото (те оказват термичен ефект върху масивното ядро).
За да се намалят топлинните загуби, сърцевините на трансформатора са направени не от едно парче метал, а от тънки плочи, между които е разположен диелектрик.
В наше време нивото на производство и потребление на енергия е един от най-важните показатели за развитието на производствените сили на обществото. Водеща роля тук играе електричеството - най-универсалната и удобна форма на енергия. Ако потреблението на енергия в света се удвои за около 25 години, то увеличението на потреблението на електроенергия с 2 пъти се случва средно за 10 години. Това означава, че все повече и повече енергоемки процеси се превръщат в електричество.
Производство на електроенергия. Електричеството се произвежда в големи и малки електроцентрали главно с помощта на електромеханични индукционни генератори. Има два основни типа електроцентрали: топлоелектрически и водноелектрически. Тези електроцентрали се различават по двигателите, които въртят роторите на генератора.
В топлоелектрическите централи източникът на енергия е гориво: въглища, газ, нефт, мазут, нефтени шисти. Роторите на електрическите генератори се задвижват от парни и газови турбини или двигатели с вътрешно горене. Най-икономични са големите термични паротурбинни електроцентрали (съкратено ТЕЦ). Повечето топлоелектрически централи у нас използват като гориво въглищен прах. За генериране на 1 kW. часа електроенергия се изразходват няколкостотин грама въглища. В парния котел над 90% от енергията, отделена от горивото, се прехвърля на пара. В турбината кинетичната енергия на парните струи се предава на ротора. Валът на турбината е твърдо свързан с вала на генератора. Парните турбогенератори са много бързи: скоростта на ротора е няколко хиляди в минута.
От курса по физика за 10 клас е известно, че ефективността на топлинните двигатели се увеличава с повишаване на температурата на нагревателя и съответно началната температура на работния флуид (пара, газ). Поради това парата, влизаща в турбината, се довежда до високи параметри: температура - почти 550 ° C и налягане - до 25 MPa. Ефективността на топлоелектрическите централи достига 40%. По-голямата част от енергията се губи заедно с горещата отработена пара.
Топлоелектрическите централи - така наречените комбинирани топло- и електрически централи (CHP) - позволяват значителна част от енергията от отпадъчната пара да се използва в промишлени предприятия и за битови нужди (за отопление и топла вода). В резултат на това ефективността на топлоелектрическата централа достига 60-70%. В момента в Русия топлоелектрическите централи осигуряват около 40% от цялата електроенергия и доставят стотици градове с електричество и топлина.
Водноелектрическите централи (ВЕЦ) използват потенциалната енергия на водата, за да въртят роторите на генераторите. Роторите на електрическите генератори се задвижват от хидравлични турбини. Мощността на такава станция зависи от разликата в нивата на водата, създавана от язовира (налягане) и от масата на водата, преминаваща през турбината всяка секунда (воден поток).
Атомните електроцентрали (АЕЦ) играят важна роля в енергийния сектор. В момента атомните електроцентрали в Русия осигуряват около 10% от електроенергията.
Основни видове електроцентрали
Топлоелектрическите централи се изграждат бързо и евтино, но има много вредни емисии в околната среда и природните запаси от енергийни ресурси са ограничени.
Водноелектрическите централи отнемат повече време за изграждане и са по-скъпи; цената на електроенергията е минимална, но плодородните земи са наводнени и строителството е възможно само на определени места.
Атомните електроцентрали отнемат много време за изграждане и са скъпи, но електричеството е по-евтино от топлоелектрическите централи, вредното въздействие върху околната среда не е значително (при правилна експлоатация), но изисква погребване на радиоактивни отпадъци.
Използване на електроенергия
Основният консуматор на електроенергия е промишлеността, на която се падат около 70% от произведената електроенергия. Транспортът също е основен потребител. Все по-голям брой железопътни линии се превръщат в електрическа тяга. Почти всички села и села получават електричество от електроцентрали за промишлени и битови нужди. Всеки знае за използването на електричество за осветление на домове и в домакински електрически уреди.
Повечето от използваната електроенергия сега се преобразува в механична енергия. Почти всички машини в индустрията се задвижват от електрически двигатели. Те са удобни, компактни и позволяват автоматизация на производството.
Около една трета от електроенергията, консумирана от промишлеността, се използва за технологични цели (електрическо заваряване, електрическо нагряване и топене на метали, електролиза и др.).
Съвременната цивилизация е немислима без широкото използване на електричество. Прекъсването на електроснабдяването на голям град и дори на малки села в случай на авария парализира живота им.
Пренос на електроенергия
Консуматорите на електроенергия са навсякъде. Произвежда се на сравнително малко места в близост до източници на гориво и водни ресурси. Електричеството не може да бъде запазено в голям мащаб. Трябва да се консумира веднага след получаване. Следователно има нужда от пренос на електричество на големи разстояния.
Преносът на електроенергия е свързан със значителни загуби, тъй като електрическият ток нагрява проводниците на електропроводите. В съответствие със закона на Джаул-Ленц енергията, изразходвана за нагряване на линейните проводници, се определя по формулата Q = I2Rt, където R е съпротивлението на линията.
Ако дължината на линията е много голяма, преносът на енергия може да стане икономически неизгоден. На практика е много трудно да се намали значително съпротивлението на линията R. Трябва да намалите тока.
Ето защо в големи електроцентрали се инсталират повишаващи трансформатори. Трансформаторът увеличава напрежението в линията със същия брой пъти, колкото намалява тока.
Колкото по-дълъг е преносният проводник, толкова по-изгодно е да се използва по-високо напрежение. Така в електропровода с високо напрежение Волжская ВЕЦ - Москва и някои други се използва напрежение от 500 kV. Междувременно генераторите за променлив ток са настроени на напрежение, което не надвишава 16-20 kV. По-високите напрежения биха изисквали сложни специални мерки за изолиране на намотките и другите части на генераторите.
За директно използване на електричеството в електродвигателите на машините, в осветителната мрежа и за други цели напрежението в краищата на линията трябва да се намали. Това се постига с помощта на понижаващи трансформатори. Общата диаграма на преноса на енергия и нейното разпределение е показана на фигурата.
Обикновено намаляването на напрежението и съответно увеличаването на тока се извършва на няколко етапа. На всеки етап напрежението става все по-малко и територията, покрита от електрическата мрежа, става все по-широка.
Ако напрежението е много високо, може да започне разряд между проводниците, което води до загуба на енергия. Допустимата амплитуда на променливото напрежение трябва да бъде такава, че за дадена площ на напречното сечение на проводника загубите на енергия поради разреждането да са незначителни.
Електрическите централи в редица райони на страната са свързани с високоволтови електропроводи, образуващи обща електрическа мрежа, към която са присъединени потребителите. Тази комбинация, наречена електрическа мрежа, прави възможно изглаждането на пиковите натоварвания на потреблението на енергия в сутрешните и вечерните часове. Енергийната система осигурява непрекъснато снабдяване с енергия на потребителите, независимо от местоположението им. Сега почти цялата територия на нашата страна е снабдена с електроенергия от интегрирани енергийни системи. Единната енергийна система на европейската част на страната е в експлоатация.
Променливото напрежение може да се преобразува - увеличава или намалява.
Устройства, които могат да се използват за преобразуване на напрежениесе наричат трансформатори.Работата на трансформаторите се основава на явлението електромагнитна индукция.
Трансформаторно устройство
Трансформаторът се състои от феромагнитна сърцевина, върху която са поставени две намотки.
Първичната намотка се нарича намотка, свързана към източник на променливо напрежение U 1 .
Вторичната намотка се нарича намотка, която може да бъде свързана към устройства, които консумират електрическа енергия.
Уреди, които консумират електрическа енергия действат като товар и върху тях се създава променливо напрежение U 2 .
Ако U 1 >U 2 , Четрансформаторът се нарича понижаващ трансформатор и ако U 2 >U 1 - след това нараства.
Принцип на действие
В първичната намотка се създава променлив ток, следователно в него се създава променлив магнитен поток. Този поток е затворен във феромагнитната сърцевина и прониква през всеки оборот на двете намотки. Във всеки от навивките на двете намотки се появява една и съща индуцирана ЕДСд аз 0
Ако n 1 и n 2 са броят на навивките съответно в първичната и вторичната намотка, тогава
Индукционна ЕМП в първичната намотка д аз 1 = н 1 * д аз 0 Индукционна ЕМП във вторичната намотка д аз 2 = н 1 * д аз 0
Къдетод аз 0 - Индукционна едс, възникваща при едно завъртане на вторичната и първичната намотка .
Пренос на електроенергия
П 
Преносът на електрическа енергия от електроцентрали до големи градове или индустриални центрове на разстояния от хиляди километри е сложен научен и технически проблем. Загубите на енергия (мощност) за нагревателни проводници могат да се изчислят по формулата
За да се намалят загубите поради нагряване на проводниците, е необходимо да се увеличи напрежението. Обикновено електропроводите се изграждат за напрежение 400–500 kV, докато в линии използва се променлив ток с честота 50 Hz На фигурата е показана схема на електропровода от електроцентралата до потребителя. Диаграмата дава представа за използването на трансформатори в преноса на енергия
41. Електромагнитно поле и електромагнитни вълни. Скорост на електромагнитните вълни. Свойства на електромагнитните вълни. Идеи на теорията на Максуел
Съществуването на електромагнитни вълни е теоретично предсказано от великия английски физик Дж. Максуел през 1864 г. Максуел въвежда концепцията във физиката вихрово електрическо полеи предложи ново тълкуване на закона електромагнитна индукция,открити от Фарадей през 1831 г.:
Всяка промяна в магнитното поле генерира вихрово електрическо поле в околното пространство .
Максуел предположи съществуването на обратния процес:
Променливото във времето електрическо поле генерира магнитно поле в околното пространство.
Веднъж започнал, процесът на взаимно генериране на магнитни и електрически полета трябва да продължи непрекъснато и да обхваща все повече и повече нови области на пространството.
Заключение:
Има специална форма на материята – електромагнитно поле – което се състои от вихрови електрически и магнитни полета, генериращи се взаимно.
Характеризира се електромагнитното поле две векторни величини – напрежениед вихрово електрическо поле и индукцияIN магнитно поле.
Процесът на разпространение на променящите се вихрови електрически и магнитни полета в пространството се наричаелектромагнитна вълна.
Хипотезата на Максуел беше само теоретично предположение, което нямаше експериментално потвърждение, но на негова основа Максуел успя да напише последователна система от уравнения, описващи взаимните трансформации на електрическите и магнитните полета, т.е. система от уравнения електромагнитно поле(уравнения на Максуел)
