Grupurile electrogene produc curent monofazat sau trifazat la frecvență industrială, în timp ce sursele chimice produc curent continuu. În acest caz, în practică, apar adesea situații când un tip de energie electrică nu este suficient pentru funcționarea anumitor dispozitive și este necesar să-l convertească.
În acest scop, industria produce un număr mare de dispozitive electrice care funcționează cu parametri diferiți ai energiei electrice, transformându-le de la un tip la altul cu tensiuni, frecvență, număr de faze și forme de undă diferite. În funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, acestea sunt împărțite în dispozitive de conversie:
simplu;
cu capacitatea de a regla semnalul de ieșire;
înzestrat cu capacitatea de stabilizare.
Metode de clasificare
După natura operațiunilor efectuate, convertoarele sunt împărțite în dispozitive:
îndreptare;
inversarea în una sau mai multe etape;
modificări ale frecvenței semnalului;
conversia numărului de faze ale sistemului electric;
modificarea tipului de tensiune.
Conform metodelor de control ale algoritmilor care apar, convertoarele reglabile funcționează pe:
principiul impulsului utilizat în circuitele de curent continuu;
metoda de fază utilizată în circuitele de oscilație armonică.
Cele mai simple modele de convertoare pot să nu fie echipate cu o funcție de control.
Toate dispozitivele de conversie pot utiliza unul dintre următoarele tipuri de circuite electrice:
trotuar;
zero;
cu sau fără transformator;
cu una, două, trei sau mai multe faze.
Dispozitive redresoare
Aceasta este cea mai comună și veche clasă de convertoare care vă permit să primiți curent continuu rectificat sau stabilizat de la o frecvență alternativă sinusoidală, de obicei industrială.
Exponate rare
Dispozitive de consum redus
Cu doar câteva decenii în urmă, structurile de seleniu și dispozitivele pe bază de vid erau încă utilizate în ingineria radio și dispozitivele electronice.
Astfel de dispozitive s-au bazat pe principiul rectificării curentului de către un singur element dintr-o placă de seleniu. Au fost asamblate secvențial într-o singură structură prin adaptoare de montare. Cu cât este mai mare tensiunea necesară pentru rectificare, cu atât mai multe astfel de elemente au fost utilizate. Nu erau foarte puternici și puteau rezista la o sarcină de câteva zeci de miliamperi.
Un vid a fost creat în interiorul carcasei de sticlă sigilată a redresoarelor de lampă. A adăpostit electrozi: un anod și un catod cu un filament care asigură emisii termionice.
Astfel de dispozitive cu lampă furnizau curent continuu pentru diferite circuite de receptoare radio și televizoare până la sfârșitul secolului trecut.
Ignitronele sunt dispozitive puternice
În dispozitivele industriale, dispozitivele ionice cu mercur cu anod și catod au fost utilizate pe scară largă mai devreme, funcționând pe principiul unei sarcini controlate cu arc. Au fost utilizate acolo unde era necesar să funcționeze cu o sarcină de curent continuu cu o forță de sute de amperi la o tensiune rectificată de până la cinci kilovolți inclusiv.
A fost utilizat un flux de electroni pentru fluxul de curent din catod către anod. A fost creat de o descărcare de arc cauzată de una sau mai multe zone ale catodului, numite pete luminoase de catod. Acestea s-au format atunci când arcul auxiliar a fost pornit de la electrodul de aprindere până când arcul principal a fost aprins.
Pentru aceasta, au fost create impulsuri pe termen scurt de câteva milisecunde cu o putere curentă de până la zeci de amperi. Schimbarea formei și rezistenței impulsurilor a făcut posibilă controlul funcționării ignitronului.
Acest design a asigurat o bună întreținere a tensiunii în timpul rectificării și o eficiență destul de ridicată. Dar, complexitatea tehnică a proiectării și dificultățile de operare au dus la respingerea utilizării sale.
Dispozitive semiconductoare
Diodele
Munca lor se bazează pe principiul conducerii curente într-o direcție datorată proprietăți p-n o tranziție formată din contacte între materialele semiconductoare sau metal și semiconductor.
Diodele trec curentul doar într-o anumită direcție și, atunci când o armonică sinusoidală variabilă trece prin ele, întrerup o jumătate de undă și, din această cauză, sunt utilizate pe scară largă ca redresoare.
Diodele moderne sunt produse foarte mult gamă largă și sunt dotate cu o varietate de caracteristici tehnice.
Tiristoare
Tiristorul folosește patru straturi de conducție, care formează o structură semiconductoare mai complexă decât o diodă cu trei conexiuni în serie. tranziții p-n J1, J2, J3. Contactele cu stratul exterior „p” și „n” sunt utilizate ca anod și catod, iar cu cel interior - ca electrod de control al UE, care este utilizat pentru a transforma tiristorul în funcțiune și pentru a efectua reglarea.
Rectificarea armonicii sinusoidale se face după același principiu ca și cu o diodă semiconductoare. Dar, pentru ca tiristorul să funcționeze, este necesar să se țină seama de o anumită caracteristică - structura tranzițiilor sale interne trebuie să fie deschisă pentru trecerea sarcinilor electrice și nu închisă.
Acest lucru se face prin trecerea unui curent de o anumită polaritate printr-un electrod de poartă. Imaginea de mai jos prezintă modalitățile de deschidere a tiristorului, care sunt utilizate în același timp pentru a regla cantitatea de curent transmisă în momente diferite.
Când curentul este aplicat prin RE în momentul tranziției sinusoidului prin valoarea zero, se creează o valoare maximă, care scade treptat la punctele „1”, „2”, „3”.
În acest fel, curentul este rectificat împreună cu reglarea tiristorului. Triac-urile și MOSFET-urile de putere și / sau AGBT-urile din circuitele de alimentare funcționează în mod similar. Dar nu îndeplinesc funcția de rectificare a curentului, trecându-l în ambele direcții. Prin urmare, schemele lor de control utilizează un algoritm suplimentar de întrerupere a impulsurilor.
Convertoare DC / DC
Aceste modele efectuează operația inversă a redresoarelor. Acestea sunt folosite pentru a genera curent alternativ sinusoidal din curent continuu obținut din surse de curent chimic.
Dezvoltare rară
De la sfârșitul secolului al XIX-lea, structurile mașinilor electrice au fost utilizate pentru a converti tensiunea directă în tensiune alternativă. Acestea constau dintr-un motor electric cu curent continuu, care primea energie de la o baterie sau un set de baterii și un generator de tensiune alternativă, a cărui armătură se rotea de la acționarea motorului.
În unele dispozitive, înfășurarea generatorului a fost înfășurată direct pe rotorul comun al motorului. Această metodă nu numai că a schimbat forma semnalului, ci, de regulă, a mărit amplitudinea sau frecvența tensiunii.
Dacă trei înfășurări distanțate la 120 de grade sunt înfășurate pe armătura generatorului, atunci cu ajutorul său s-a obținut o tensiune trifazată simetrică echivalentă.
Umformerele au fost utilizate pe scară largă până în anii 70 pentru tuburi de vid, echipamente pentru troleibuze, tramvaie, locomotive electrice înainte de introducerea masivă a elementelor semiconductoare.
Convertoare de invertoare
Principiul de funcționare
Ca bază de analiză, luăm circuitul pentru verificarea tiristorului KU202 de la o baterie și un bec.
Un contact normal închis al butonului SA1 și o lampă incandescentă de mică putere sunt tăiate în circuit pentru a furniza potențialul pozitiv al bateriei către anod. Electrodul de comandă este conectat printr-un rezistor de limitare a curentului și un contact deschis al butonului SA2. Catodul este conectat rigid la minusul bateriei.
Dacă la momentul t1 apăsați butonul SA2, atunci un curent va curge către catod prin lanțul electrodului de control, care va deschide tiristorul și lampa inclusă în ramura anodică se va aprinde. Datorită caracteristicii de proiectare a acestui tiristor, acesta va continua să ardă chiar și atunci când contactul SA2 este deschis.
Acum, în momentul t2, apăsăm butonul SA1. Circuitul de alimentare al anodului va fi dezactivat, iar lumina se va stinge din cauza faptului că trecerea curentului prin el se oprește.
Graficul imaginii prezentate arată că un curent continuu a trecut în intervalul de timp t1 ÷ t2. Dacă schimbați butoanele foarte repede, atunci vă puteți forma cu un semn pozitiv. În mod similar, puteți crea un impuls negativ. În acest scop, este suficient să schimbați ușor circuitul pentru a permite curentului să curgă în direcția opusă.
O secvență de două impulsuri de valori pozitive și negative creează o formă de undă numită undă pătrată în ingineria electrică. Forma sa dreptunghiulară seamănă mai degrabă cu un sinusoid cu două jumătăți de valuri de semne opuse.Dacă, în schema luată în considerare, înlocuim butoanele SA1 și SA2 cu contacte de releu sau comutatoare de tranzistor și le comutăm conform unui anumit algoritm, atunci va fi posibil să creați automat un curent cu o formă meandră și să-l reglați la o anumită frecvență , ciclul de funcționare, perioada. O astfel de comutare este gestionată de un circuit electronic special de comandă.
Schema bloc a unității de putere
De exemplu, luați în considerare cel mai simplu sistem de circuite primare al unui invertor de punte.
Aici, în locul unui tiristor, comutatoarele cu tranzistor cu efect de câmp special selectate sunt angajate în formarea unui impuls dreptunghiular. Rezistența la sarcină Rн este inclusă în diagonala punții lor. Electrozii de putere ai fiecărui tranzistor „sursă” și „drenaj” sunt conectați opus la diode de șunt, iar contactele de ieșire ale circuitului de control sunt conectate la „poartă”.
Datorită funcționării automate a semnalelor de control, impulsurile de tensiune de durată și semn diferit sunt transmise la sarcină. Secvența și caracteristicile lor sunt adaptate la parametrii optimi ai semnalului de ieșire.
Sub acțiunea tensiunilor aplicate asupra rezistenței diagonale, luând în considerare procesele tranzitorii, apare un curent, a cărui formă este deja mai apropiată de un sinusoid decât cea a unui meandru.
Dificultăți în implementarea tehnică
Pentru buna funcționare a circuitului de putere al invertoarelor, este necesar să se asigure funcționarea fiabilă a sistemului de control, care se bazează pe comutarea tastelor. Acestea sunt dotate cu proprietăți de conducere pe două fețe și sunt formate prin manevrarea tranzistoarelor prin conectarea diodelor inverse.
Pentru a regla amplitudinea tensiunii de ieșire, este cel mai adesea utilizată alegând aria pulsului fiecărei semionde prin controlul duratei acesteia. În plus față de această metodă, există dispozitive care funcționează pe o conversie de impuls de amplitudine.
În procesul de formare a circuitelor de tensiune de ieșire, apare o încălcare a simetriei semiondelor, care afectează negativ funcționarea sarcinilor inductive. Acest lucru se observă cel mai mult la transformatoare.
În timpul funcționării sistemului de control, este setat un algoritm pentru generarea cheilor circuitului de alimentare, care include trei etape:
1. drept;
2. scurtcircuitat;
3. invers.
La sarcină, nu numai curenții pulsatori, ci și curenții care se schimbă în direcție sunt posibili, ceea ce creează zgomot suplimentar la terminalele sursă.
Desene tipice
Printre numeroasele soluții tehnologice utilizate pentru a crea invertoare, sunt comune trei scheme, luate în considerare în ceea ce privește gradul de creștere a complexității:
1. pod fără transformator;
2. cu terminal zero al transformatorului;
3. punte cu un transformator.
Forme de undă de ieșire
Invertoarele sunt proiectate pentru a furniza tensiuni:
dreptunghiular;
trapez;
semnale alternate în trepte;
sinusoide.
Convertoare de fază
Industria produce motoare electrice pentru funcționare în condiții specifice de funcționare, luând în considerare puterea de la anumite tipuri de surse. Cu toate acestea, în practică, apar situații când, din diverse motive, este necesar să conectați un motor asincron trifazat la o rețea monofazată. Pentru aceasta, au fost dezvoltate diferite circuite și dispozitive electrice.
Tehnologii consumatoare de energie
Statorul unui motor asincron trifazat include trei înfășurări care sunt înfășurate într-un anumit mod, distanțate la 120 de grade, fiecare dintre acestea, când i se aplică curentul fazei sale de tensiune, își creează propriul său câmp magnetic rotativ. Direcția curenților este aleasă astfel încât fluxurile lor magnetice să se completeze reciproc, asigurând acțiune reciprocă pentru rotația rotorului.
Când există o singură fază a tensiunii de alimentare pentru un astfel de motor, devine necesară formarea a trei lanțuri de curent din acesta, fiecare dintre ele fiind, de asemenea, deplasat cu 120 de grade. În caz contrar, rotația nu va funcționa sau va fi defectă.
În ingineria electrică, există două căi ușoare rotația vectorului curent în raport cu tensiunea prin metoda de conectare prin:
1. o sarcină inductivă când curentul începe să rămână în urma tensiunii cu 90 de grade;
2. Capacitate pentru a crea un cablu curent de 90 de grade.
Imaginea de mai sus arată că dintr-o fază a tensiunii Ua, puteți obține un curent care este deplasat într-un unghi nu cu 120, ci doar cu 90 de grade înainte sau înapoi. Mai mult, pentru aceasta, va fi, de asemenea, necesar să selectați ratingurile condensatoarelor și ale inductivităților pentru a crea un mod de funcționare acceptabil al motorului.
În soluțiile practice ale unor astfel de circuite, cel mai adesea se opreau la metoda condensatorului fără a utiliza rezistențe inductive. Pentru aceasta, tensiunea de fază de alimentare a fost aplicată unei înfășurări fără transformări, iar celeilalte, deplasate de condensatori. Rezultatul a fost un cuplu acceptabil pentru motor.
Dar pentru a roti rotorul, a fost necesar să se creeze un cuplu suplimentar prin conectarea celei de-a treia înfășurări prin condensatori de pornire. Este imposibil să le folosiți pentru o funcționare permanentă datorită formării curenților mari în circuitul de pornire, care creează rapid o încălzire crescută. Prin urmare, acest lanț a fost pornit pentru o perioadă scurtă de timp pentru a câștiga momentul de inerție al rotației rotorului.
Astfel de scheme au fost mai ușor de implementat datorită formării simple a băncilor de condensatori ale anumitor ratinguri din elemente individuale disponibile. Sufocările trebuiau calculate și înfășurate independent, lucru dificil de realizat nu numai acasă.
Dar, cele mai bune condiții pentru funcționarea motorului, acestea au fost create cu conexiunea complexă a condensatorului și a sufocatorului în diferite faze, cu selectarea direcțiilor curenților în înfășurări și utilizarea rezistențelor de suprimare a curentului. Cu această metodă, pierderea de putere a motorului a fost de până la 30%. Cu toate acestea, proiectarea unor astfel de convertoare nu era viabilă din punct de vedere economic, deoarece consumau mai multă energie electrică pentru funcționare decât motorul în sine.
Circuitul de pornire a condensatorului consumă, de asemenea, o rată crescută de energie electrică, dar într-o măsură mai mică. În plus, motorul conectat la circuitul său este capabil să genereze o putere ușor mai mare de 50% din cea creată cu o sursă de alimentare trifazată normală.
Datorită dificultăților de conectare a unui motor trifazat la un circuit de alimentare monofazat și a pierderilor mari de energie electrică și putere de ieșire, astfel de convertoare și-au demonstrat eficiența redusă, deși continuă să lucreze în instalații și mașini-unelte separate.
Dispozitive invertoare
Elementele semiconductoare au făcut posibilă crearea de convertoare de fază mai raționale produse pe bază industrială. Proiectele lor sunt de obicei concepute pentru a funcționa în circuite trifazate, dar pot fi proiectate pentru a funcționa cu un număr mare de corzi distanțate la colțuri diferite.
Când convertoarele sunt alimentate dintr-o singură fază, se efectuează următoarea succesiune de operații tehnologice:
1. rectificarea tensiunii monofazate prin ansamblu diodă;
2. netezirea ondulației prin circuitul de stabilizare;
3. conversia tensiunii directe în trifazat datorită metodei de inversare.
În acest caz, circuitul de alimentare poate consta din trei părți monofazate care funcționează autonom, așa cum am discutat mai devreme, sau una comună, asamblată, de exemplu, conform unui sistem autonom de conversie a invertorului trifazat care utilizează un fir comun neutru.
Aici, pentru fiecare sarcină de fază, funcționează propriile perechi de elemente semiconductoare, care sunt controlate de la un sistem de control comun. Acestea creează curenți sinusoidali în fazele rezistențelor Ra, Rb, Rc, care sunt conectate la circuitul comun de alimentare prin firul neutru. Se adaugă vectorii curenților din fiecare sarcină.
Calitatea aproximării semnalului de ieșire la forma unei unde sinusoidale pure depinde de proiectarea generală și de complexitatea circuitului utilizat.
Convertoare de frecvență
Pe baza invertoarelor, sunt create dispozitive care permit schimbarea frecvenței oscilațiilor sinusoidale într-o gamă largă. Pentru a face acest lucru, energia electrică de 50 Hz furnizată acestora suferă următoarele modificări:
îndreptare;
stabilizare;
conversie de tensiune de înaltă frecvență.
Lucrarea se bazează pe aceleași principii ale proiectelor anterioare, cu excepția faptului că sistemul de control bazat pe plăci cu microprocesor formează o tensiune de ieșire cu o frecvență crescută de zeci de kiloherți la ieșirea convertorului.
Conversia de frecvență bazată pe dispozitive automate vă permite să reglați în mod optim funcționarea motoarelor electrice în momentele de pornire, frânare și inversare și este, de asemenea, convenabil să modificați viteza rotorului. În același timp, efectul nociv al proceselor tranzitorii în rețeaua externă de alimentare este redus brusc.
Invertoare de sudură
Scopul principal al acestor convertoare de tensiune este de a menține o ardere stabilă a arcului și controlul ușor al tuturor caracteristicilor sale, inclusiv aprinderea.
În acest scop, mai multe blocuri sunt incluse în proiectarea invertorului, care efectuează executarea secvențială:
rectificarea tensiunii trifazate sau monofazate;
stabilizarea parametrilor prin filtre;
inversarea semnalelor de înaltă frecvență de la o tensiune constantă stabilizată;
conversia la / h tensiune de către un transformator treptat pentru a crește valoarea curentului de sudură;
rectificarea secundară a tensiunii de ieșire pentru formarea unui arc în sudură.
Prin utilizarea conversiei semnalului de înaltă frecvență, dimensiunile transformatorului de sudură sunt semnificativ reduse și se salvează materialele pentru întreaga structură. au mari avantaje în funcționare în comparație cu omologii lor electromecanici.
Transformatoare: convertoare de tensiune
În electrotehnică și electrotehnică, transformatoarele care funcționează pe principiul electromagnetic sunt încă cele mai utilizate pe scară largă pentru a modifica amplitudinea semnalului de tensiune.
Au două sau mai multe înfășurări și, prin care se transmite energia magnetică pentru a converti tensiunea de intrare într-o tensiune de ieșire cu o amplitudine modificată.
Utilizarea directă a surselor naturale de energie.
Conversia folosind un motor cu aburi
Conversia folosind electricitatea
Conversia energiei în energia industrială
După cum sa menționat mai sus, producerea de electricitate este o industrie separată. În prezent, cea mai mare pondere de energie electrică este produsă la trei tipuri de centrale electrice:
1. HPP (centrală hidroelectrică)
2. TPP (centrală termică)
3. CNE (centrală nucleară)
Luați în considerare conversia energiei în aceste tipuri de centrale electrice:
HPP
CHP
Atunci când se utilizează energia termică a aburului în lanțurile de conversie a energiei, devine posibilă utilizarea unei părți a energiei termice pentru încălzire (prezentată printr-o linie punctată) sau pentru necesitățile de producție.
NPP (cu un reactor cu o singură buclă)
Circuit termic.
Noțiuni de bază
Anterior am examinat tipurile de energie și posibilitățile de transformare a acesteia de la un tip la altul, să ne oprim mai detaliat asupra energiei termice, deoarece joacă un rol foarte important în procesele care au loc la centralele nucleare.
Așa cum am spus mai devreme, energie termală, aceasta este energia mișcării haotice a moleculelor sau atomilor din lichide și gaze și a mișcării vibraționale a moleculelor sau atomilor dintr-un solid. Cu cât viteza acestei mișcări este mai mare, cu atât corpul are mai multă energie termică.
Cu toții întâlnim în viața noastră de zi cu zi procesele de transfer al energiei termice de la un corp la altul (ceaiul fierbinte încălzește un pahar, un radiator de încălzire într-un apartament încălzește aerul etc.) pe baza definiției energiei termice, este posibil să definiți schimbul de căldură.
Definiție: Se numește procesul de transfer al energiei ca urmare a schimbului de mișcare haotică a moleculelor, atomilor sau microparticulelor schimb de caldura.
Din experiența de zi cu zi se știe că energia termică sau căldura este transferată de la un corp mai fierbinte la unul mai rece și pare destul de logic să luăm temperatura ca măsură a energiei termice, dar aceasta este o greșeală gravă. Temperatura corpului este o măsură a capacității de schimb de căldură cu corpurile înconjurătoare. Cunoscând temperaturile celor două corpuri, nu putem spune decât despre direcția transferului de căldură. Un corp cu o temperatură mai ridicată va degaja căldură și se va răci, iar un corp cu o temperatură mai mică va primi căldură și se va încălzi, dar cantitatea de energie transferată nu poate fi determinată numai pe bază de temperatură. Nu trebuie să căutați departe un exemplu: încercați să turnați o cantitate egală de apă clocotită într-o cană din aluminiu și una din ceramică. Aluminiul se va încălzi aproape instantaneu, aproape fără a răci apa, iar ceramica se va încălzi mult mai puțin și mult mai mult, iar temperatura inițială a fierberii apei în ambele cazuri este de 100 ° C. De aici concluzia: sunt necesare cantități diferite de energie termică. pentru a încălzi diferite substanțe la aceeași temperatură, fiecare substanță are propria capacitate termică
Definiție:căldura specifică a unei substanțe este cantitatea de energie necesară pentru a încălzi un kilogram dintr-o substanță dată cu un grad.
unde: Q-energie; C - capacitate termică; m este masa; încălzire dT;
Metode de transfer termic.
De regulă, în centralele industriale, procesul de conversie a sursei de energie în energie termică are loc într-un singur loc (un cazan pentru o centrală termică, un reactor pentru o centrală nucleară), iar procesul de conversie a energiei termice în energie mecanică și apoi în energie electrică în alta, prin urmare, există o problemă a transferului de energie termică în spațiu. Cum puteți transfera energia termică dintr-un punct din spațiu în altul?
Conductivitate termică
Când încălziți un capăt al unui fir metalic, puteți vedea că temperatura crește pe întreaga sa lungime și cu cât firul este mai scurt, cu atât opusul, care nu este încălzit direct, se va încălzi mai repede. Încălzind firul dintr-o parte, facem ca atomii și electronii să vibreze mai puternic la locul de încălzire, atomii și electronii vibrați implicând atomi și electroni vecini în vibrație, iar energia termică se răspândește într-un solid, în cazul nostru, într-un sârmă metalică. Această metodă de transfer a energiei termice se numește conductivitate termică.
Definiție: Conductivitate termică este un proces de transfer de căldură într-un mediu continuu prin mișcarea haotică a micro-particulelor.
Cantitatea de căldură transferată datorită conductivității termice depinde de proprietățile fizice ale mediului în care are loc transferul de căldură. Fiecare substanță are propriul coeficient de conductivitate termică l (O tijă metalică lungă de aproximativ un metru, plasată cu un capăt într-un foc, nu poate fi ținută cu mâinile goale, un băț de lemn de aceeași formă va arde mai mult de jumătate din ea înainte de a fi se încălzește semnificativ).
Cu cât diferența de temperatură dT este mai mare între punctele calde și reci ale mediului, cu atât este transferată mai multă căldură pe unitate de timp. Cu cât aria secțiunii transversale este mai mare, cu atât este transferată mai multă căldură pe unitate de timp.
Probabil toată lumea știe să fiarbă apa cu focul într-un bol de lemn. Este necesar să aruncați pietre roșii în foc în apă. Pietrele încălzite sunt imediat umezite cu apă și îi conferă căldura. Procesul de transfer al căldurii de la pietre la apa din jur este similar cu conductivitatea termică, dar distribuția energiei termice peste volumul de apă este diferită.
Transfer termic convectiv
Luați în considerare ce se întâmplă în volumul de apă rece când pietrele fierbinți încălzesc o parte din ea în jurul lor. Din fizică se știe că atunci când sunt încălzite, corpurile se extind, cu alte cuvinte își măresc volumul și, din moment ce masa rămâne constantă, densitatea scade. După cum spune legea lui Arhimede, un corp cu o densitate mai mare decât densitatea unui lichid se scufundă și cu mai puțină plutește. La fel
se poate spune despre un lichid încălzit, având o densitate mai mică, va începe să crească, amestecându-se cu straturi reci în partea superioară a vasului, care, la rândul său, va începe să scadă, după un timp, temperatura pe tot volumul va crește devin la fel.
Definiție:Transfer termic convectiv - transferul de căldură în timpul amestecării mai multor particule încălzite ale mediului cu altele mai puțin încălzite.
În exemplul de mai sus, mișcarea a fost cauzată de diferența de densitate dintre părțile calde și reci ale lichidului, o astfel de convecție se numește naturală sau liberă. Dacă mișcarea este cauzată de funcționarea unei pompe sau a unui ventilator, atunci convecția se numește forțată.
Schimbul convectiv de căldură are loc în gaze în același mod ca și în lichide.
În multe centrale nucleare moderne, căldura este îndepărtată din reactor pompând forțat apă, gaz sau metal lichid prin miez. O substanță care, atunci când este încălzită, preia căldură dintr-o sursă se numește purtător de căldură.
Transferul de căldură prin radiații
Experimentele arată că schimbul de căldură între corpuri este posibil chiar dacă acestea sunt în vid fără a se atinge unul de celălalt. În acest caz, tipurile de schimb de căldură descrise mai sus nu pot fi realizate. Cum are loc transferul de energie termică în acest caz?
Un corp încălzit emite unde electromagnetice, care, după cum știți, se pot răspândi în spațiul fără aer; un corp mai puțin încălzit absoarbe aceste unde și se încălzește.
Definiție: Transferul de căldură prin radiații este transferul de energie termică folosind unde electromagnetice.
În centralele nucleare moderne, în timpul funcționării normale, schimbul de căldură prin radiație este neglijabil în comparație cu schimbul de căldură convectiv.
Circuit termic
Având în vedere metodele posibilului schimb de căldură, să revenim la problema transferului de energie termică în condițiile unei centrale nucleare sau a unei centrale termice. După cum știți, la stațiile de operare, procesul de conversie a sursei de energie în căldură are loc în mod continuu și în cazul întreruperii eliminării căldurii, are loc o supraîncălzire inevitabilă a instalației. Prin urmare, împreună cu sursa, este nevoie de un consumator de energie termică, care să preia căldura și fie să o transforme în alte forme de energie, fie să o transfere în alte sisteme. Transferul de căldură de la sursă la consumator se efectuează folosind un suport de căldură. Pe baza celor de mai sus, este posibil să se descrie cel mai simplu circuit de căldură care conține o sursă de energie, un consumator de energie și căile de răcire.
Există trei modalități principale de a converti energia. Prima dintre ele constă în obținerea energiei termice prin arderea combustibilului (origine fosilă sau vegetală) și consumarea acesteia pentru încălzirea directă a clădirilor rezidențiale, școli, întreprinderi etc. A doua metodă constă în transformarea energiei termice conținute în combustibil în munca mecanica, de exemplu, atunci când se utilizează produsele distilării uleiului pentru a asigura deplasarea diferitelor echipamente, autoturisme, tractoare, trenuri, avioane etc. A treia metodă este conversia căldurii degajate în timpul arderii combustibilului sau a fisiunii nucleelor \u200b\u200bîn energie electrică cu consumul său ulterior sau pentru producerea căldurii sau pentru a efectua lucrări mecanice.
Electricitatea se obține și prin conversia energiei apei care cade. Electricitatea joacă astfel rolul unui fel de intermediar între sursele de energie și consumatorii săi (Fig. 9.1). Așa cum intermediarul de pe piață crește prețurile, tot așa consumul de energie sub formă de electricitate crește prețurile din cauza pierderilor din conversia unui tip de energie la altul. În același timp, conversia diferitelor forme de energie în energie electrică este convenabilă, practică și uneori este singura modalitate posibilă de a consuma efectiv energie. În unele cazuri, este pur și simplu imposibil să se utilizeze eficient energia fără a o transforma în energie electrică. Înainte de descoperirea energiei electrice, energia apei în cădere (hidroenergia) era utilizată pentru a asigura deplasarea dispozitivelor mecanice: mașini de filat, mori, gateri etc. După transformarea hidroenergiei în electricitate, domeniul de aplicare sa extins semnificativ, a devenit posibil să-l consumați la distanțe considerabile de sursă. Energia de fisiune a nucleelor \u200b\u200bde uraniu, de exemplu, nu poate fi utilizată direct fără a o transforma în energie electrică.
Combustibilii fosili, spre deosebire de hidrosurse, au fost folosiți de mult timp doar pentru încălzire și iluminat, și nu pentru funcționarea diferitelor mecanisme. Lemnul de foc și cărbunele, și deseori turbă uscată, au fost arse pentru a încălzi clădirile rezidențiale, clădirile publice și industriale. În plus, cărbunele a fost și este utilizat pentru topirea metalelor. Uleiul de cărbune, obținut prin distilarea cărbunelui, a fost turnat în lămpi. Abia după inventarea mașinii cu aburi în secolul al XVIII-lea. a fost revelat cu adevărat potențialul acestui combustibil fosil, care a devenit o sursă nu numai de căldură și lumină, ci și de mișcarea diferitelor mecanisme și mașini. Au apărut locomotive cu aburi, bărci cu aburi alimentate cu abur, alimentate cu cărbune. La începutul secolului XX. cărbunele au început să fie arse în cuptoarele cazanelor centralei electrice pentru a genera electricitate.
Combustibilii fosili joacă un rol extrem de important astăzi. Oferă căldură și lumină, este una dintre principalele surse de electricitate și energie mecanică pentru a furniza o flotă imensă de numeroase mașini și tipuri diferite transport. Nu trebuie uitat că materiile prime organice fosile sunt consumate în cantități uriașe de industria chimică pentru a produce o mare varietate de produse utile și valoroase.
Mașinile electrice sunt împărțite în două tipuri principale în funcție de scop: generatoare electrice și motoare electrice... Generatoarele sunt proiectate pentru a genera energie electrică, iar motoarele electrice sunt proiectate să acționeze perechi de roți de locomotive, să rotească arborii ventilatoarelor, compresoarelor etc.
În mașinile electrice are loc un proces de conversie a energiei. Generatorii convertesc energia mecanică în energie electrică. Aceasta înseamnă că, pentru ca generatorul să funcționeze, este necesar să-i rotiți arborele cu un fel de motor. Pe o locomotivă diesel, de exemplu, un generator este acționat de un motor diesel, la o centrală termică de o turbină cu abur, la o centrală hidroelectrică de o turbină de apă. Motoarele electrice, pe de altă parte, transformă energia electrică în energie mecanică. Prin urmare, pentru ca motorul să funcționeze, acesta trebuie conectat cu fire la o sursă de energie electrică sau, după cum se spune, inclus în rețeaua electrică.
Principiul de funcționare al oricărei mașini electrice se bazează pe utilizarea fenomenelor de inducție electromagnetică și apariția forțelor electromagnetice în timpul interacțiunii conductorilor cu curentul și câmpul magnetic. Aceste fenomene apar în timpul funcționării atât a generatorului, cât și a motorului electric. Prin urmare, ei vorbesc adesea despre generatoare și motor moduri de funcționare a mașinilor electrice.
În mașinile electrice rotative, două părți principale sunt implicate în procesul de conversie a energiei: armătura și inductorul cu înfășurări proprii, care se mișcă unul față de celălalt. Inductorul creează un câmp magnetic în mașină; e este indusă în înfășurarea armăturii. etc. cu. și apare un curent. Când curentul interacționează în înfășurarea armăturii cu un câmp magnetic, se creează forțe electromagnetice, prin care se realizează procesul de conversie a energiei în mașină.
Principiul de funcționare al unui generator electric. Cel mai simplu generator electric este o buclă care se rotește într-un câmp magnetic (Fig. 67, a). În acest generator, tura 1 este înfășurarea armăturii. Inductorul este magneți permanenți 2, între care se rotește armătura 3. Când bucla se rotește la o anumită frecvență de rotație, laturile sale (conductori) intersectează liniile magnetice de forță ale fluxului de Teba, fiecare conductor induce e. etc. cu. e... Cu cele adoptate în Fig. 67 și direcția de rotație a armăturii e. etc. cu. într-un conductor situat sub polul sudic, conform regulii mana dreapta este direcționat de la noi, iar e.m.f. într-un conductor situat sub Polul Nord - spre noi. Dacă conectați un receptor de energie electrică 4 la înfășurarea armăturii, atunci un curent electric i va curge într-un circuit închis. În conductorii înfășurării armăturii, curentul I va fi direcționat în același mod ca și e. etc. cu. e.
Să aflăm de ce pentru rotația armăturii într-un câmp magnetic este necesară consumarea energiei mecanice obținute de la un motor diesel sau o turbină (motor primar). Așa cum a fost stabilit în capitolul II, când curentul I trece prin conductoare situate într-un câmp magnetic, o forță electromagnetică F acționează asupra fiecărui conductor. 67, iar direcția curentului conform regulii mâinii stângi, forța F direcționată spre stânga va acționa asupra conductorului situat sub polul sudic, iar forța F îndreptată spre dreapta va acționa asupra conductorului situat sub polul Nord. Aceste forțe creează împreună un moment electromagnetic M, direcționat în sensul acelor de ceasornic.
Având în vedere Fig. 67, dar este clar că momentul electromagnetic M, care apare atunci când generatorul degajă energie electrică, este direcționat în direcția opusă rotației conductorilor, prin urmare este un cuplu de frânarecăutând să încetinească rotația armăturii generatorului. Pentru a preveni oprirea armăturii, este necesar să se aplice un cuplu extern M vn pe arborele armăturii, opus momentului M și egal cu acesta în mărime. Luând în considerare fricțiunea și alte pierderi interne din mașină, cuplul extern ar trebui să fie mai mare decât cel electric
moment magnetic M creat de curentul de sarcină al generatorului. Prin urmare, pentru a continua funcționarea normală a generatorului, este necesar să îi furnizați energie mecanică din exterior - să rotiți armătura cu orice motor 5.
În absența sarcinii (cu un circuit extern deschis al generatorului), generatorul este în modul inactiv. În acest caz, este necesară doar cantitatea de energie mecanică de la motorină sau turbină, care este necesară pentru a depăși fricțiunea și pentru a compensa alte pierderi interne de energie din generator. Cu o creștere a sarcinii generatorului, adică a puterii electrice P el date de acesta, curentul i care trece prin conductorii înfășurării armăturii crește și momentul de frânare M creat de acesta, prin urmare, puterea mecanică P mx, pe care generatorul trebuie să o primească de la motorul diesel sau turbina pentru a continua funcționarea normală.
Astfel, cu cât este consumată mai multă energie electrică, de exemplu, de motoarele electrice ale unei locomotive diesel de la un generator diesel, cu atât este necesară mai multă energie mecanică de la rotirea motorului diesel și cu atât mai mult combustibil trebuie furnizat motorului diesel.
Din condițiile de funcționare ale unui generator electric considerat mai sus, rezultă că este caracteristic acestuia:
coincidență în direcția curentului i și e. d. cu e în conductorii înfășurării armăturii; acest lucru indică faptul că mașina degajă energie electrică;
apariția unui cuplu electromagnetic de frânare M, îndreptat împotriva rotației armăturii; de aici rezultă necesitatea ca mașina să primească energie mecanică din exterior.
Principiul motorului electric. În principiu, motorul electric este proiectat în același mod ca și generatorul. Cel mai simplu motor electric este un viraj 1 (Fig. 67.6), situat pe o ancoră 3, care se rotește în câmpul magnetic al polilor 2. Conductorii virajului formează o înfășurare a armăturii. Dacă conectați bobina la o sursă de energie electrică, de exemplu, la rețeaua electrică 6, atunci un curent electric i va începe să curgă prin fiecare dintre conductorii săi. Acest curent, care interacționează cu câmpul magnetic al polilor, creează forțe electromagnetice F. La indicațiile din Fig. 67, b, direcția curentului asupra conductorului situat sub polul sud va fi acționată de forța F direcționată spre dreapta, iar forța F direcționată spre stânga va acționa asupra conductorului aflat sub polul nord. Ca urmare a acțiunii combinate a acestor forțe, se creează un cuplu electromagnetic M, direcționat în sens invers acelor de ceasornic, care conduce armatura cu conductorul în rotație la o anumită frecvență n. Dacă conectați arborele armăturii cu orice mecanism sau dispozitiv 7 (set de roți) a unei locomotive diesel sau electrice, a unei mașini-unelte etc.), atunci motorul electric va conduce acest dispozitiv în rotație, adică îi va da energie mecanică. În acest caz, momentul extern M vn creat de acest dispozitiv va fi îndreptat împotriva momentului electromagnetic M.
Să aflăm de ce se consumă energia electrică în timpul rotației armăturii unui motor electric care funcționează sub sarcină. După cum s-a constatat, când conductorii armăturii se rotesc într-un câmp magnetic, e este indusă în fiecare conductor. d. s, a cărui direcție este determinată de regula mâinii drepte; prin urmare, cu cele indicate în Fig. 67, b sens de rotație e. etc. cu. e, indus în conductorul situat sub polul sudic va fi îndepărtat de noi și e. etc. cu. e, indusă în conductorul situat sub polul nord, va fi îndreptată spre noi. Smochin. 67, b se vede că e. etc. cu. Adică, cei induși în fiecare conductor sunt direcționați împotriva curentului i, adică îl împiedică să treacă prin conductori.
Pentru ca curentul i să treacă în continuare prin conductorii armăturii în aceeași direcție, adică astfel încât motorul electric să continue să funcționeze normal și să dezvolte cuplul necesar, este necesar să se aplice o tensiune externă U acestor conductori, îndreptată spre e. etc. cu. și mai mare decât e total. etc. cu. E indusă în toți conductorii conectați în serie ai înfășurării armăturii. Prin urmare, este necesar să se furnizeze energie electrică motorului electric din rețea.
În absența unei sarcini (cuplul de frânare extern aplicat pe arborele motorului), motorul electric consumă o cantitate mică de energie electrică dintr-o sursă externă (rețea) și un mic curent de ralanti trece prin ea. Această energie este utilizată pentru a acoperi pierderile interne de putere ale utilajului.
Pe măsură ce sarcina crește, crește curentul consumat de motorul electric și cuplul electromagnetic pe care îl dezvoltă. În consecință, o creștere a energiei mecanice degajate de motorul electric cu o creștere a sarcinii determină automat o creștere a energiei electrice pe care o ia de la sursă.
Din condițiile de funcționare ale motorului electric considerat mai sus, rezultă că este caracteristic acestuia:
coincidență în direcția momentului electromagnetic M și frecvența de rotație n; aceasta caracterizează revenirea energiei mecanice de către mașină;
apariția în conductorii înfășurării armăturii e. etc. cu. e, îndreptată împotriva curentului i și a tensiunii externe U. Aceasta implică necesitatea ca mașina să primească energie electrică din exterior.
Principiul reversibilității mașinilor electrice. Având în vedere principiul de funcționare al generatorului și al motorului electric, am constatat că acestea sunt aranjate în același mod și că există multe în comun în baza funcționării acestor mașini. Procesul de conversie a energiei mecanice în energie electrică în generator și energie electrică în energie mecanică în motor este asociat cu inducerea e. etc. cu. în conductorii înfășurării armăturii care se rotesc într-un câmp magnetic și apariția forțelor electromagnetice ca urmare a interacțiunii câmpului magnetic și a conductorilor cu curentul. Diferența dintre un generator și un motor electric constă doar în direcția reciprocă a e. d. cu, curent, cuplu și viteză electromagnetică.
Rezumând procesele considerate de funcționare a generatorului și a motorului electric, este posibil să se stabilească principiul reversibilității mașinilor electrice. Conform acestui principiu orice mașină electrică poate funcționa ca generator și motor electric și poate comuta de la modul generator la modul motor și invers.
Pentru a clarifica această situație, luați în considerare funcționarea unei mașini electrice cu curent continuu în diferite condiții. Dacă tensiunea externă U este mai mare decât e totală. etc. cu. G. în toți conductorii conectați în serie ai înfășurării armăturii, atunci curentul I va curge în cel indicat în Fig. 68, iar direcția și mașina vor funcționa ca un motor electric, consumând energie electrică din rețea și oferind energie mecanică. Cu toate acestea, dacă, din orice motiv, e. etc. cu. E devine mai mare decât tensiunea externă U, atunci curentul I în înfășurarea armăturii își va schimba direcția (fig. 68, b) și va coincide cu e. etc. cu. E. În acest caz, se va schimba și direcția momentului electromagnetic M, care va fi direcționată împotriva frecvenței de rotație n. Coincidență în direcția e. etc. cu. E și curentul I înseamnă că mașina a început să dea energie electrică rețelei, iar apariția unui moment electromagnetic de frânare M indică faptul că trebuie să consume energie mecanică din exterior. Prin urmare, când e. etc. cu. E, indusă în conductorii înfășurării armăturii, devine mai mare decât tensiunea de rețea U, mașina trece de la modul de funcționare a motorului la modul generator, adică la E< U машина работает двигателем, при Е > U - generator.
Transferul unei mașini electrice dintr-un mod motor într-un mod generator poate fi efectuat căi diferite: scăderea tensiunii U a sursei la care este conectată înfășurarea armăturii sau creșterea e. etc. cu. E în înfășurarea armăturii.
Energia și tipurile ei. Scop și utilizare
Energia joacă un rol important în dezvoltarea civilizației umane. Consumul de energie are aproximativ același caracter de schimbare în timp cu acumularea de informații. Volumul produselor fabricate este strâns legat de consumul de energie.
Prin definiție din știința fizică, energia este capacitatea unui corp sau a unui sistem de corpuri de a lucra. Clasificările formelor și tipurilor de energie sunt diverse. Următoarele tipuri de energie sunt cele mai frecvente în viața de zi cu zi:
- electric
- mecanic
- intern
- electromagnetic.
Energia internă este chimică, termică, atomică. Este determinată de energia potențială de interacțiune dintre particulele care constituie corpul sau de energia cinetică a mișcării lor aleatorii.
Energia primită ca urmare a unei modificări a stării de mișcare a punctelor sau corpurilor materiale se numește cinetică. Energia cinetică include energia termică datorată mișcării moleculelor și energie mecanică mișcările corpului.
Definiția 1
Energia potențială este energia obținută ca urmare a unei modificări a poziției relative a părților sistemului sau a poziției în raport cu alte corpuri. LA energie potențială includ energia maselor, care sunt atrase de legea gravitației, energia chimică și energia poziției particulelor omogene.
Principala sursă de energie este soarele. Când este expusă la lumina soarelui, clorofila din plante descompune dioxidul de carbon din aer în carbon și oxigen. Carbonul se acumulează în plante.
Energia solară produce și apă. Energia solară evaporă apa și ridică aburul în straturile superioare ale atmosferei.
Ca urmare a diferitelor grade de încălzire de către soarele pământului, vântul este generat în diferite locuri, care este utilizat în turbine eoliene.
Observația 1
Energia conținută în resursele naturale de energie poate fi transformată în mecanică, electrică, chimică. Această energie se numește primară.
Tipurile tradiționale de energie primară sunt:
- combustibili fosili - gaz, petrol, cărbune etc.
- hidroenergie
- combustibil nuclear - uraniu, toriu etc.
Observația 2
Energia obținută ca urmare a transformării energiei primare se numește energie secundară. Aceasta include electricitatea, energia apei calde, tatăl etc.
În prezent, se dezvoltă metode pentru utilizarea surselor de energie netradiționale, care includ energia soarelui, a vântului, a căldurii pământului, a energiei valurilor și a mareelor. Sursele de energie enumerate sunt regenerabile, sunt ecologice și nu există poluare a mediului în timpul utilizării lor.
În procesul de consum de energie de la furnizarea sa către consumatori, se disting cinci etape:
- Obținerea resurselor energetice. Aceasta este extragerea combustibilului și îmbogățirea acestuia, concentrația presiunii apei cu ajutorul structurilor de inginerie hidraulică etc.
- Transferul resurselor de energie extrase către instalații speciale care o transformă. Acest lucru se face prin transport pe uscat și pe uscat, precum și prin transmiterea prin conducte a gazului, petrolului, apei etc.
- În acest stadiu, energia primară este transformată în energie secundară, care este cea mai optimă pentru condiții specifice. Cel mai adesea este energie electrică și termică.
- Transmiterea și distribuția energiei convertite
- Consum de energie
Conversie de energie
Conversia energiei se realizează folosind diferiți convertoare de energie. Astfel de convertoare sunt dispozitive speciale concepute pentru a converti energia naturală într-o formă convenabilă pentru utilizare.
Unul dintre tipurile de convertoare eficiente sunt pompele de căldură. Sunt un dispozitiv asemănător frigiderului cu un congelator scufundat în mare.
Convertorii de energie solară sunt suficient de eficienți pentru unele părți ale lumii. Convertorii de energie solară sunt folosiți pentru nave spațiale. Energia acestor elemente este suficientă pentru a menține operabilitatea dispozitivelor situate pe nave spațiale.
Scopul principal al conversiei energiei termionice este de a genera energie electrică pentru utilizare în zone îndepărtate, în spațiu și sub apă. Atunci când se dezvoltă un astfel de convertor, apar o serie de probleme:
- reglarea și întreținerea vidului necesar
- dezvoltarea unei carcase rezistente la coroziune a carcasei convertorului și altele.
Convertorii termionici funcționează bine cu un reactor nuclear. TPP, HPP, NPP
Nu toate tipurile de surse de energie sunt convenabile și pot fi utilizate. Cele mai răspândite, convenabile și accesibile forme de energie sunt petrolul, gazul și apa. Cu câteva decenii în urmă li s-a adăugat energie nucleară.
Centralele termice transformă energia termică eliberată în timpul arderii combustibilului în energie electrică. Printre astfel de centrale electrice, centralele cu turbină cu abur constituie partea principală. Aceștia folosesc energia termică într-un generator pentru a genera abur de înaltă presiune, care acționează un rotor de turbină cu abur conectat la rotorul unui generator electric.
În centralele hidroelectrice, energia fluxului de apă este transformată în electricitate. O centrală hidroelectrică constă dintr-un lanț de structuri care concentrează fluxurile de apă și creează o presiune și echipamente electrice, care transformă energia presiunii apei în energie mecanică, iar energia mecanică este convertită în energie electrică. Resurse hidraulice. În comparație cu combustibilul și energia, acestea sunt regenerabile.
În centralele nucleare, generatorul de energie este un reactor nuclear. Centralele nucleare funcționează pe combustibil nuclear, ale cărui rezerve sunt mai mari decât cele de combustibil fosil.
Cu ajutorul centralelor eoliene, energia eoliană este convertită în electricitate. Viteza medie anuală a vântului în multe zone este de 6 m / s, ceea ce face posibilă utilizarea eficientă a acestei metode de conversie a energiei.
Energia mareelor \u200b\u200butilizează energia mareelor \u200b\u200bOceanului Mondial. Dezavantajul acestei metode este costul ridicat al construcției și producția de energie inegală.
Energia solară folosește radiația solară pentru ao transforma în energie electrică. Pentru aceasta, este instalată o baterie solară, a cărei bază este fotocelula.
Centralele geotermale transformă căldura internă a Pământului în electricitate. Pentru a construi o astfel de centrală electrică sunt necesare condiții geologice speciale, ceea ce limitează utilizarea acestei metode de conversie a energiei.
Bioenergia folosește bacterii pentru reciclarea compușilor organici - deșeuri și resturi.
