- •Содержание
- •Г л а в а 6. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •Приложение
- •Введение
- •Электростатическое поле
- •1. Закон кулона
- •2. Напряженность электрического поля
- •3. Диэлектрическая проницаемость
- •Контрольные вопросы
- •Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.
- •1. Электрический ток
- •2. Напряженность электрического поля, потенциал, напряжение и эдс
- •3. Электрическое сопротивление и проводимость
- •4. Закон ома
- •5. Законы кирхгофа
- •6. Соединение резисторов
- •7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.
- •8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.
- •9. Мощность
- •10. Электрические цепи с несколькими источниками энергии
- •11. Делитель напряжения
- •12. Потери напряжения и мощности в проводах
- •13. Передача электрической энергии по проводам
- •14. Токопроводящие материалы
- •Контрольные вопросы
- •Диэлектрики в электрическом поле. Изоляция электротехнических материалов. Диэлектрические материалы.
- •1. Строение диэлектрика.
- •2. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика
- •3. Электрическая емкость. Конденсаторы.
- •4. Соединение конденсаторов
- •5. Энергия электрического поля конденсатора
- •6. Электрический пробой диэлектрика
- •7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.
- •Контрольные вопросы
- •Магнитное поле. Электромагнетизм и электромагнитная индукция. Магнитные материалы.
- •1. Магнитное поле в неферромагнитной среде. Основные понятия
- •2. Напряженность и индукция магнитного поля
- •3. Магнитный поток.
- •4. Индуктивность.
- •5. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость
- •Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.
- •7. Циклическое перемагничивание. Гистерезис.
- •8. Ферромагнитные материалы
- •9. Электромагнитные силы
- •10. Электромагнитная индукция
- •11. Вихревые токи
- •12. Эдс самоиндукции и взаимоиндукции
- •Контрольные вопросы
- •Линейные электрические цепи переменного тока
- •Основные определения
- •Сложение синусоидальных величин
- •Среднее значение синусоидальных величин
- •Контрольные вопросы
- •Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •1. Цепь с активным сопротивлением
- •2. Электрическая цепь с индуктивностью
- •Резонанс напряжений
- •Параллельное соединение r, l, c – элементов
- •Контрольные вопросы
- •Трехфазные электрические цепи
- •Принципы построения трехфазных электрических цепей
- •Соединение звезда. Несимметричная нагрузка. Явление перекоса фаз
- •Нулевой провод
- •Мощность трехфазной системы
- •Контрольные вопросы
- •Нелинейные электрические цепи
- •Характеристики нелинейных электрических цепей и элементов
- •Электрическая цепь с нелинейным индуктивным элементом
- •Трансформаторы
- •Контрольные вопросы
- •Электрические машины переменного тока
- •Вращающееся магнитное поле
- •Устройство асинхронного двигателя
- •Принцип работы асинхронного двигателя
- •Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
- •Синхронный двигатель. Принцип работы
- •Контрольные вопросы
- •Машины постоянного тока
- •Общие сведения
- •Устройство и работа генератора постоянного тока
- •Типы генераторов постоянного тока
- •Генератор с независимым возбуждением
- •Генератор с параллельным возбуждением
- •Генератор с последовательным возбуждением
- •Генератор со смешанным возбуждением
- •Двигатели постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Основные определения
- •2. Зарядка и разрядка конденсатора
- •3. Релаксационные колебания
- •4. Включение и выключение реальной индуктивной катушки при постоянном напряжении источника
- •5. Разрядка конденсатора на индуктивность
- •Контрольные вопросы
- •Современные способы получения электрической энергии. Виды силовых электростанций. Альтернативная электроэнергетика.
- •1. Тепловые электростанции (тэс)
- •Экологические проблемы тэс
- •2. Гидравлические электрические станции (гэс).
- •3. Гидроаккумулирующие электрические станции (гаэс)
- •4. Приливные электрические станции
- •5. Атомные электрические станции (аэс)
- •55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
- •37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
- •Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).
- •7. Термоэмиссионные генераторы
- •8. Солнечные электростанции
- •9. Электрохимические генераторы
- •10. Термоэлектрические генераторы
- •11. Геотермальные электростанции
- •12. Термоядерная энергетика
- •13. Водородная энергетика
- •14. Понятие о единой энергетической системе.
- •Контрольные вопросы
- •Атомно-молекулярная теория строения вещества
- •Структура и строение атома
- •Линейчатый спектр. Постулаты бора и квантование орбит
- •Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля
- •Туннелирование
- •Классификация наноматериалов
- •8. Трехмерные наноматериалы
- •Размерные эффекты и свойства нанообъектов
- •Химические свойства наноматериалов
- •Тепловые свойства нанообъектов
- •Магнитные свойства нанообъектов
- •Функциональные и конструкционные углеродные наноматериалы.
- •Получение углеродных наноструктур
- •Применение и использование наноматериалов в практической деятельности
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Сложение векторов.
- •Метод комплексных чисел
- •Расчет цепей методом узлового напряжения
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%.