|
|
Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
Отключение катушки от источника постоянного напряжения. Положим, что катушка индуктивности отключается от источника постоянного напряжения и замкнута накоротко (рис.137).
Рис. 137
При отключении источника (
или
(11-19)
Получили дифференциальное выражение для цепи катушки, замкнутой накоротко.
Вследствие наличия магнитного поля индуктивной катушки ток в момент размыкания цепи исчезает не мгновенно, так как эдс самоиндукции, обусловленная убыванием магнитного потока, стремиться поддержать ток. При этом эдс самоиндукции изменяет свой знак, так как она обусловлена уже не нарастанием потока, как это было при включении цепи, а его убыванием. Это приводит к тому, что в первое мгновение разрыва цепи напряжение между расходящимися контактами резко увеличивается до величины благодаря чему между контактами возникает искровой разряд, который при значительной мощности может переходить в дуговой.
Искровой, а тем более дуговой разряд нарушает чистоту контактов и разрушает их. Для устранения разряда, отключающие аппараты, как правило, снабжаются специальными устройствами для гашения дуги ( например, катушку при размыкании цепи замыкают на резистор).
При замыкании катушки на разрядной сопротивление R, вследствие наличия магнитного поля катушки ток в цепи после ее разрыва не может исчезнуть мгновенно. Его изменение зависит от параметров цепи, и переходный процесс длится до тех пор, пока сохраняется энергия в магнитном поле катушки. По мере того как энергия магнитного поля рассеивается, преобразуясь в тепловую энергию на сопротивлении R, ток в контуре стремиться к нулю.
Второй закон Кирхгофа при размыкании цепи запишется в виде
где активное сопротивление катушки, разрядное сопротивление.
Обозначив , где активное сопротивление цепи, уравнение ( ) перепишем следующим образом:
или
Разделив переменные, получим
Проинтегрируем это выражение
Постоянную интегрирования определим из начальных условий. В момент разрыва цепи
(t = 0) ток в цепи равен установившемуся току, т.е.
При t = 0 откуда Тогда
Следовательно,
(11-20)
Из этого выражения следует, что ток в цепи с разрядным сопротивлением (рис.138) изменяется по убывающей экспоненте.
Рис.138
5. Разрядка конденсатора на индуктивность
Рассмотрим явления в – цепи, представленной рис. , когда конденсатор, заряженный до напряжения замыкается на идеальную катушку (.
В начальный момент времени напряжение на конденсаторе имеет наибольшее значение, и в электрическом поле конденсатора запасена энергия
(11-21)
При замыкании рубильника конденсатор начнет разряжаться, и в цепи возникает электрический ток. Вместе с током создается магнитное поле, а следовательно, и эдс самоиндукции, которая в каждый момент равна и противоположна напряжению на конденсаторе, так как для этой цепи по второму закону Кирхгофа справедливо соотношение
(11-22)
Так как то
и следовательно, ток в цепи нарастает со скоростью
По мере того как конденсатор разряжается и падает, уменьшается и скорость нарастания тока пока, наконец, при она не упадет до нуля.
Но, с другой стороны, при равна нулю и энергия электрического поля конденсатора. Так как в рассматриваемой цепи энергия не превращается в тепло, то первоначальный запас энергии переходит в энергию магнитного поля катушки. Отсюда следует. Что при ток в цепи имеет наибольшее значение; его можно найти, приравняв первоначальный запас энергии тому значению магнитной энергии, которое имеет место при наибольшем токе:
откуда
(11-23)
Величина имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением.
Рис.139
Разрядный ток (рис.139)
Следовательно эдс самоиндукции
подставив это выражение в ( ), получаем дифференциальное уравнение LC- цепи
(11-24)
Решением этого уравнения является выражение следующего вида:
(11-15)
Ток в цепи
(11-26)
Таким образом, в цепи протекает синусоидальный ток, и напряжение на конденсаторе изменяется периодически, хотя источник переменного тока в цепи отсутствует.
Процесс уменьшения напряжения конденсатора от первоначального значения до нуля соответствует переносу электронов с отрицательной обкладки на положительную. Разрядкой конденсатора этот процесс не заканчивается, так как ток в катушке не может меняться скачком. В цепи продолжает протекать ток прежнего направления, но уменьшающийся по величине. Наличие этого тока означает перенос электронов с электрода, бывшего ранее отрицательным, на электрод, бывший ранее положительным, благодаря чему первый начнет заряжаться положительно, а второй – отрицательно.
При отсутствии в цепи сопротивления R этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор не зарядится до напряжения, по величине равного начальному, но обратного по знаку. Далее конденсатор начнет разряжаться в обратном направлении, а затем снова заряжаться, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока цепь не будет разомкнута.
Таким образом, в рассматриваемой цепи энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля, и наоборот, т.е. в цепи происходят незатухающие периодические колебания энергии.
Угловая частота этих свободных гармонических колебаний
(11-27)
определяется индуктивностью и емкостью рассматриваемой LC – цепи.
Разряд конденсатора на R,L – цепь. При наличии в электрической цепи активного сопротивления процесс разряда конденсатора на индуктивность будет отличаться от ранее рассмотренного только тем, что он будет сопровождаться непрерывным преобразованием электрической энергии в тепловую (). Благодаря этому амплитуды тока и напряжения с каждым полупериодом будут уменьшаться, т.е. в цепи будет происходить затухающий колебательный процесс (рис.140 а), который прекратится в тот момент, когда вся энергия будет преобразована в тепловую.
При сопротивлении разряд конденсатора будет иметь апериодический характер (рис.140 б). В этом случае напряжение на конденсаторе с начального момента разряда непрерывно уменьшается, постепенно спадая до нуля, а ток в цепи сначала увеличивается от нуля до некоторого наибольшего значения и затем непрерывно уменьшается до нуля.
а б
Рис. 140
Контрольные вопросы
Какие изменения в цепи приводят к возникновению переходного процесса?
Как объяснить возникновение переходных процессов с энергетической точки зрения?
Какого типа переходные процессы могут быть?
Определить время, необходимое для зарядки конденсатора емкостью 40мкф через резистор сопротивлением 250 Ом.
Определить напряжение на конденсаторе через 20с после включения его к источнику постоянной эдс 220В. Ем кость конденсатора 40мкФ, а сопротивление цепи 250 Ом.
Каким образом влияют на характер кривой при разрядке конденсатора величина его емкости и величина активного сопротивления цепи?
Определить время саморазрядки конденсатора со слюдяным диэлектриком, если удельное сопротивление слюды
Определить время переходного процесса при подключении катушки к источнику постоянного напряжения, если L = 0,4Гн; R = 3Ом.
Что изменится в характере кривой тока (по данным задачи №8), если увеличить индуктивность катушки?
Какие параметры L,R –цепи влияют на образование искрового или дугового разряда при отключении катушки индуктивности?
Г л а в а 12
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ВИДЫ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА.
Назначение электрической станции – выработка электрической энергии в больших количествах, что осуществляется путем преобразования различных видов энергии в электрическую.
В основном принято классифицировать электростанции в зависимости от вида энергии, на них преобразуемой, в соответствии с чем они делятся на тепловые (ТЭС) , гидравлические (ГЭС), атомные АЭС), ветровые (ВЭС).
Структурно схему генерации электрической энергии можно представить в виде: электрический генератор + первичный двигатель. Эта система на ГЭС называется гидрогенератором, на ТЭС , АЭС- теплогенератором или парогенератором. Система : двигатель внутреннего сгорания – генератор называется дизель – генератором; электрический двигатель – генератор называется двигатель – генератор. Если принципиально генераторы на разных электростанциях не отличаются друг от друга и являются синхронными генераторами, то первичные двигатели качественно различны. Назначение первичного двигателя - создать вращение ротора генератора, а тем самым создать вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в обмотках статора эдс индукции.
Доля выработки электроэнергии различными электростанциями
ТЭС --порядка 80%; ГЭС -- порядка 15%; АЭС --4-5%
Структура потребления электроэнергии Россия США
промышленность 60% 40%
транспорт 7% 1%
сельское хозяйство 5% 4%
сфера обслуживания и быта 13% 45%
Потери 15% 12%
1. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ТЭС)
На современных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар. Принципиальная технологическая схема ТЭС (рис.141,142), работающей по циклу Ренкена, состоит из парогенератора 1, турбины – 2, электрического генератора – 3, конденсатора – 4 и насоса – 5. В парогенераторе происходит сжигание топлива, за счет получаемой энергии вода нагревается и испаряется. Этому процессу на диаграмме Ренкина соответствует участок АВ, увеличение объема при постоянном давлении. Пар, получаемый в парогенераторе, направляется в турбину,где происходит его расширение и превращение внутренней энергии пара в механическую энергию, т.е. в турбине совершается полезная работа. Процесс расширения пара происходит по адиабате ВС(рис.141). Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из конденсатора отводится теплота. Конденсации пара соответствует участок СД. Конденсат насосом подается в парогенератор, что сопровождается возрастанием давления воды при постоянном объеме, т.к. вода несжимаема. Этому соответствует участок ДА.
КПД цикла Ренкина, как и любой тепловой машины, характеризуется отношением теплоты, затраченной на работу, ко всей полученной теплоты от нагревателя
КПД = Q1- Q2 / Q1, (12-1)
где Q1 -количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе, Q2 - количество теплоты, отведенное охлаждающей водой в конденсаторе
Рис. 141 Схема идеального цикла Ренкена: АВ- подвод теплоты;ВС- преобразование энергии пара в механическую энергию,CD-охлаждение парав конденсаторе; DA-подача насосом конденсата (воды) в парогенератор.
Рис.142 Технологическая схема тепловой электростанции, работающей по циклу Ренкена: 1-парогенератор; 2- турбина; 3- электрический генератор; 4- конденсатор; 5- насос; АВС –пар; CDA – конденсат.
Рис. 143 Схема тепловой электростанции:--- топливо; - - - горячие газы;
- пар; …. –конденсат;
Работа станции происходит следующим образом (рис.143). Из бункера 1 уголь поступает в дробильную усстановку 2, где превращается в пыль. Угольная пыль вместе с воздухом из воздуходувки 31 подается в топку 3. Теплота, получчаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змеевику 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 51. Получаемый в парогенераторе перегретый пар имеет температуру порядка 600C и давление порядка 30МПа = 300Атм (1Н/м2 = 1Па, 1ммрт ст=133,3Па, 760 мм. рт ст=1атм=1 105Па=0,1Мпа). Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7 , а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 9 , вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступаетв конденсор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, а затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью холодной воды, забираемой из водоема ( пруда, реки, озера) 11, накачиваемой насосом 12 и вновь выбрасывается в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистные сооружения, где выделяется зола, твердые частицы несговевшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмосферу.
Структурно, этот процесс можно представить так: Топливо (химическая энергия превращается в тепловую) → Теплота (тепловая энергия превращается в пар) → Механическая энергия ( осуществляется движение ротора электрического генератора) → Электрическая энергия (рис. 144).
Рис.144 Ступени преобразования химической энергии сжигания топлива в ТЭС
Такой удлиненный цикл сжигания угля позволяет использовать лишь 30-35% химической энергии..
Основные процессы теплового цикла паровых установок схематично можно представить так : в парогенераторах → подвод теплоты, в турбинах →расширение пара, в конденсаторах → охлаждение и отвод теплоты. С помощью насосов производится сжатие и охлажденный конденсат нагнетается в парогенератор.
Реакцию горения структурно можно представить так: топливо (уголь, дрова, нефть, горючий природный газ и т.д.) + окислитель (кислород) → продукты химической реакции (твердые частицы топлива,СО2, СО и т.д.).
Процесс горения угля. Среди полезных ископаемых, богатых углеродом особо важную роль для промышленности играют угли. Они представляют собой окаменевшие остатки растений и животных, находившихся на нашей планете отдаленные периоды (300-400млн. лет назад) ее существования. Уголь, образуется в условиях, когда растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальные условия для этого создаются в болотах, когда стоячая иода, обедненная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определенной стадии выделяемые в ходе разложения кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф -исходный продукт для образования угля. Если затем происходит захоронение торфа под другими наносами, то торф испытывает сжатие и , теряя воду и газы, преобразуется в уголь. Так под давлением наносов толщиной в 1 км из 20-метрового слоя торфа образуется пласт бурого угля толщиной 2 м. На большей глубине, порядка 5-6км и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной 1,5м. Различают три вида углей - антрацит, каменный и бурый. Наибольшим содержанием углерода характеризуется антрацит ((углерода до 95ат%) и наименьши бурый (65-70ат%). Кроме углерода , угли содержат воду и ряд летучих газов и органических соединений.
Химический состав угля - *84% углерода (С), * 2% серы (S ),* 1% азота (N2), * 8% кислорода (O2),8 5% водорода (H2)
При сгорании1кг угля выделяется 24 105 джоулей энергии. При сгорании 1кг нефти выделяется 3 106 дж. энергии. При сжигании 1л. сжиженного газа выделяется 24 106дж. Сгорание 1кг урана-235 выделяется энергия 5 106дж.
В обычных условиях углерод весьма инертен и химически мало активен.. Однако при повышении температуры химическая активность углерода сильно повышается.
Процесс химической реакции горения можно представит в виде формулы
С + О2 → СО2 (углекислый газ)
При недостатке кислорода образуется СО (угарный газ)
С + О2 → 2СО
СО - бесцветный газ, очень ядовитый, немного легче воздуха, без запаха. Воздух содержащий 0,1% СО смертельно опасен.
СО2.- составная чость воздуха. Обладает способностью задерживать тепловое излучение Земли и хорошо пропускает коротковолновую солнечное излучение. В результате этот газ способствует "парниковому эффекту", т.е. повышению температуры Земли.
Коэффициент полезного действия ТЭС сравнительно низок, так как при их работе для получения электрической энергии необходимо трехкратное превращение энергии: энергия топлива присжигании превращается во внутренюю энергию водяного пара в котле ( теплоту), затем энергия пара в паровой турбине превращается в механическую энергию вращения вала и только потом механическая энергия турбины и вала превращается в электрическую энергию в генераторе. При каждом превращении присутствуют неизбежные потери энергии (рис.145).
Рис. 145 Тепловой баланс ТЭС: Q, Q эл и Qтп – теплота, полученная при сжигании топлива, превращенная в электроэнергию и использованная на теплофикацию, соответственно; ΔQкн,Δ Q тб,ΔQ тр, ΔQкт- потери теплоты в конденсаторе, турбогенераторе, трубопроводах и котельном агрегате, соотверственно.
На современных тепловых энергоблоках мощностью 150, 300, 500 и 800МВт используют давление пара до 240- 250атм при температураз пара 550-5600С, КПД таких агрегатов составляетдо 40%.
Для выработки электрической энергии на ТЭС в большинстве своем используются неявнополюсные роторы и большие скороси их вращения.
Серийный генератор ТВВ-200 (некоторые технические данные)
Р=200 000 000Вт=200МВт, Напряжение – 20КВ=20 000В, Cosφ=0,85,P=1
n2 = 3000об/мин, диаметр ротора -1,2м, длина активной части ротора – 7м, КПД генератора – 99%.
|
|
|
Скачать 39.64 Mb.