1. Розвиток та проблеми використання електроенергетики в Україні. Основні електричні станції України

Із 1970-х pp. частка електроенергії, виробленої на теплових електростанціях, почала

зменшуватися через введення в експлуатацію п'яти АЕС. Значення ГЕС також падало у

загальному виробництві електроенергії. На сьогоднішній день частка АЕС виросла.

За підсумками 2005р. атомні електростанції виробили 47,9 %, теплові — 45,5%,

гідроелектростанції — 6,7%.

Теплові електростанції працюють на низькосортному вугіллі, торфі, мазуті природному газі.

Теплові електростанції (ТЕС) поділяють на конденсаційні та теплоелектроцентралі (ТЕЦ). На перших відпрацьована водяна пара конденсується і вода надходить у котел. Такі станції виробляють електроенергію, якою, забезпечують тільки великий район країни. Тому їх інколи називають державними районними електростанціями (ДРЕС). ТЕЦ виробляють одночасно електричну і теплову енергію (гарячу воду або пару), яку спрямовують по трубах для обігрівання житлових будинків, підприємств.

ДРЕС, як правило, мають значну потужність і розміщуються у районах видобутку палива, поблизу річок, що дають воду для охолодження. Великі теплові електростанції побудовані на Донбасі — Луганська, Слов'янська, Старобешівська, Вуглегірська (найпотужніша — близько 4 млн кВт); у Придніпров'ї — Придніпровська, Криворізька, Запорізька; у західних областях — Доброт-вірська, Бурштинська, а також поблизу Харкова (Зміївська), Києва (Трипільська), Вінниці (Ладижинська).

Поблизу великих міст, промислових підприємств будують ТЕЦ, які забезпечують їх електроенергією та теплом. Найбільші серед них побудовані у Києві, Одесі, Харкові.

Теплові електростанції є великими забруднювачами атмосфери. Тому для ТЕС важливим є їх модернізація, налагодження очистки викидів в атмосферу та використання у господарстві золи і шлаку, які накопичуються на цих ТЕС.

Позитивною стороною АЕС є невеликі об'єми палива, які вона споживає (декілька вагонів на рік), а також те, що Україна багата на ядерне паливо (уранові руди). У нашій державі на сьогодні діє чотири АЕС — Рівненська, Південноукраїнська, Хмельницька і Запорізька (найпотужніша — 4 млн кВт). Чорнобильська АЕС закрита у грудні 2000 р. Уведено в дію два нові енергоблоки на Хмельницькій і Рівненській АЕС.

Екологічні проблеми електроенергетики

Проблеми галузі полягають у тому, що в Україні необхідно перейти на використання ядерних реакторів з високим ступенем надійності, пристосованих до роботи на низькозбагаченому урані.

Важливо налагодити роботу підприємств, які завершуватимуть переробку уранових руд на готове паливо для АЕС. Поки що воно імпортується з Росії, куди надходить руда з українських родовищ. Невирішеними залишаються проблеми поховання й утилізації відходів АЕС.

При правильному проектуванні ГЕС дають найдешевшу енергію. Однак, якщо вони споруджені на рівнинних річках і водосховища затоплюють великі площі, то втрати від затоплення родючих земель і поселень можуть значно перевищувати вартість виробленої енергії.

Електроенергія передається на відстань лініями електропередач (ЛЕП). Електростанції України об'єднані в єдину енергетичну систему.

Основні електростанції України: ТЕС Алчевська, Запорізька, Криворізька, Ладижинська, Луганська; ГЕС Київська, Дніпровська, Дністровська, Кременчуцька, Каховська; АЕС Рівненська, Хмельницька, Запорізька, Південноукраїнська; ВЕС Новоазовська.

2. Предмет та зміст курсу “Електротехніка”.

Предмет вивчення дисципліни «Електротехніка та електроніка» складають електромагнітні явища та їх використання для генерування, передачі і розподілу електроенергії, вирішення проблем електромеханіки, електротехнології, електроніки, електровимірювальної техніки.

Дисципліна «Електротехніка та електроніка» відноситься до циклу дисциплін природничо-наукової підготовки студентів, має статус виборної за вибором вищого навчального закладу і складається з двох кредитних модулів.

     Вивчення курсу базується на знаннях, одержаних з курсів фізики (розділи: електрика і магнетизм) і вищої математики (розділи: матрична алгебра, диференційні рівняння, теорія функцій комплексної змінної, перетворення Фур’є і Лапласа, числові методи розв’язання алгебраїчних і диференціальних рівнянь).  

Дисципліна “Електротехніка та основи електроніки” формує теоретичну підготовку студентів і готує їх до вивчення наступних курсів – основи автоматики, спеціальне електрообладнання та автоматизація виробничих процесів. Вона дає майбутньому інженеру теоретичні знання і практичні навички, потрібні для правильної експлуатації сучасного електроустаткування.

Електротехніка — це галузь практичного застосування електромагнітних явищ. Розробка електротехнічних пристроїв і систем має спиратися на ґрунтовну теорію. Назва ЕЛЕКТРОТЕХНІКА об’єднує як реальні пристрої і мережі, так і багато споріднених напрямів аналітичних і експериментальних досліджень. На першому рівні класифікації можна виділити теоретичні основи електротехніки, електроенергетику та електроніку. Теоретичні основи електротехніки — аналітичний апарат для кількісного опису електромагнітних процесів у електротехнічних пристроях і системах. Ґрунтується на основних фізичних поняттях про електричні і магнітні явища. Теорія електротехніки набула розвитку у 19 ст. завдяки науковим працям і відкриттям цілої плеяди видатних учених. Прикладами для нас і усіх майбутніх поколінь інженерів та теоретиків мають бути винахідливість, наполегливість і працездатність таких вчених, як Шарль Оґюстен де КУЛОН, Алесандро Вольта, Андре-Марі Ампер, Ґеорґ Сімон Ом, Майкл Фарадей, Джозеф Генрі, Емілій Хрістіановіч Ленц, Джеймс Прескот ДЖОУЛЬ, Густав Роберт Кірхгоф, Джеймс Клерк Максвел, Генріх Рудольф Герц. «Геній — це 1% натхнення і 99% поту (1% inspiration and 99% perspiration)» казав великий американський винахідник Томас Едісон. У 20 ст. теорія електротехніки продовжила свій розвиток, причому деякі геніальні теорії ще чекають на свій час, наприклад, передавання енергії без проводів (роботи Ніколи Тесла). На сьогодні внаслідок надускладнення електроапаратури, систем автоматичного контролю та керування, збільшення їх швидкодії актуальною задачею є розробка комп’ютерно-орієнтованих методів аналізу складних комплексів, які створюють розгалужені мережі. Як базу теоретичні основи електротехніки використовують спеціальні дисципліни електро-та схемотехнічного напряму, які спрямовані на аналіз конкретних класів пристроїв і систем, де загальні методи електротехніки набувають проблемної орієнтації.

3.Розрахунок електричних кіл постійного струму за законами Кіргофа.

Для розрахунку електричних кіл поряд із законом Ома засто­совуються два правила Кірхгофа, які є наслідком закону збережен­ня енергії.

Перше правило Кірхгофа

Перше правило Кірхгофа застосовується до вузлів електрич­ного кола:

У вітках, які утворюють вузол електричного кола, алгебраїчна сума стру­мів дорівнює нулю:

В цьому рівнянні струми, напрямлені до вузлаь умовно взято до­датними, а струми, напрямлені від вузла,— від'ємними:

До цієї суми входять струми з різними знаками залежно від нап­ряму їх щодо вузла. На основі першого правила Кірхгофа для кожного вузла можна скласти рівняння струмів. Наприклад, для точки 3 схе­ми рис. 3.15 таке рівняння має вигляд

Рівняння (4.2) дає змогу дати інше формулювання першого пра­вила Кірхгофа:

Сума струмів, спрямлених до вузла електричного кола, дорівнює сумі струмів, напрямлених від цього вузла.

Це правило випливає з принципу неперервності струму. Якщо допустити переважання у вузлі одного напряму, то заряд одного знака повинен накопичуватися, а потенціал вузлової точки неперервно змі­нюватися, що в реальних колах не спостерігається.

Друге правило Кірхгофа

Друге правило Кірхгофа застосовується до контурів електрич­них кіл:

У контурі електричного кола алгебраїчна сума напруг на його вітках дорів­нює нулю:

Для доведення другого правила Кірхгофа обійдемо контур 1-2-3-4-5-6-1 в схемі рис. 3.15 за годинниковою стрілкою і запишемо вирази потенціалів точокконтура при зазначених напрямах струмів у вітках (взято довільно). Обхід почнемо від точки 1, потенціал якої V1. Потенціал кожної наступної точки подамо відносно точки поперед­ньої:

Отже, в замкненому  контурі

В рівнянні (4.4) напруги, напрямлені за обходом контуру, вважають додатними, а напрямлені проти обходу,— від'ємними.

Рівняння (4.4) запишемо в такому вигляді:

Рівняння (4.5) дає змогу дати інше формулювання другого правила Кірхгофа:

У контурі електричного кола алгебраїчна сума спадів напруги на пасивних елементах дорівнює алгебраїчній сумі е. р. с. цього контуру:

4. Розрахунок електричних кіл постійного струму методом контурних струмів.

Метод вузлових  і  контурних  рівнянь  достатньо громіздкий (чим більше число віток, тим більше кількість рівнянь).  Метод контурних струмів дає значне спрощення, тому що зменшує кількість рівнянь. Відповідно до  цього методу складаються рівняння тільки за другим законом Кірхгофа, для чого обирається необхідне число контурів.

Розглянемо схему,  приведену раніше в прикладі до методу вузлових і контурних рівнянь.

Обмежимося двома контурами. Вибираємо напрям струмів I₁, I₂ .

Контур abcfa:

  .

Контур fcdef: 

.

Таким чином у нас утворилося на 1 рівняння менше.

Приклад застосування методу контурних струмів

5. Розрахунок електричних кіл постійного струму методом накладання

Метод накладення, застосовуваний для розрахунку електричних ланцюгів, заснований на принципі накладення, що затверджує, що струм у будь-якій галузі лінійного електричного ланцюга, що містить кілька джерел ЕРС, можна розглядати як алгебраїчну суму часткових струмів, створених у цій галузі дією кожної ЕРС окремо. Справедливість цього принципу випливає безпосередньо з вираження (6.12) n I_k = Σ Δ_jk /Δ *E_j , j=1 отриманого в попередньому підрозділі. Дійсно, якщо в цьому вираженні покласти усі ЕРС, крім E₁, рівними нулю, то одержимо частковий струм у k-й галузіI^!_k, викликаний дією тільки э.д.с. Е₁ . Якщо вважати Е₂ =/=0, а інші ЕРС рівними нулю, то одержимо частковий струм I^!_k, викликаний дією тільки ЕРС Е₂, і т.д. Алгебраїчна сума всіх часткових струмів дасть дійсний струм, що протікає в k-й галузі. Цей принцип застосуємо не тільки до струмів, але і до напруг, тому що вони лінійно зв'язані зі струмами. До розрахунку ж потужності цей принцип застосувати не можна, тому що потужність є не лінійної, а квадратичною функцією чи струму напруги. Насправді, якщо по ділянці ланцюга з опором Z проходить струм I = I₁ + I₂ , то потужність P = ZI² = Z(I₁ + I₂)² = ZI₁² +2ZI₁I₂ +ZI₂² , а не ZI₁² +ZI₂² ,як варто було б із принципу накладення. Застосування принципу накладення до розрахунку електричних ланцюгів складає зміст методу накладення. Використовуючи цей метод, можна знайти струми в галузях без складання і рішення системи рівнянь, а безпосередньо за законом Ома. При цьому спочатку знаходять часткові струми від дії кожного джерела ЕРС окремо, приймаючи інші э.д.с. рівними нулю і залишаючи в схемі тільки їхні внутрішні опори, а потім-дійсні струми як алгебраїчні суми часткових струмів. На закінчення необхідно відзначити, що метод накладення застосуємо тільки до лінійних електричних ланцюгів.