Общая энергетика

МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА конспект лекций Нижний Новгород - 2020 В результате изучения данной дисциплины студент должен получить представление о значении энергетики для экономики страны, характере своей будущей профессиональной деятельности, месте специальностей электроэнергетика и электротехника в науке и технике. Преподавание данного курса должно способствовать закреплению знаний, полученных студентами при изучении курса физики (особенно раздела "Электричество"), привить навыки самостоятельно изучать учебную и специальную техническую литературу, начальное умение разбираться в принципах построения электрических схем. Студент должен изучить историю развития вуза, факультета, специальных кафедр. Базовой дисциплиной, предшествующей "Общая энергетика", является "Физика". Для понимания основных зависимостей необходимы и знания по математике. Энергетические ресурсы планеты Под энергоресурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена возможная для использования энергия. К основным энергоресурсам (то есть, к тем, которые интенсивно используются в настоящее время) относятся: органическое топливо (уголь, нефть, газ), ядерное топливо (тяжелые элементы урана и тория), водоемы (реки, моря). Энергоресурсы подразделяются на возобновляемые и не возобновляемые. К первым относятся те, которые непрерывно восстанавливаются в природе (вода, ветер), ко вторым - ранее накопленные в природе, но не образующиеся в новых геологических условиях (каменный уголь, нефть, газ). Природная энергия называется первичной энергией. Энергия, получаемая человеком путем преобразования первичной энергии, вторичной. Преобразования первичной энергии осуществляется на энергетических станциях. В названии станции содержится указание на то, какой вид первичной энергии в какую вторичную энергию преобразуется. Гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую, тепловая электростанция преобразует в электрическую тепловую энергию, образующуюся при сгорании органического топлива. Энергетическое производство (получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей) можно разделить на пять стадий: - получение и концентрация энергетических ресурсов (добыча органического топлива и его обогащение, создание необходимого напора воды с помощью гидротехнических сооружений); - передача энергоресурсов к преобразующим энергию установкам (перевозка по суше, воде, перекачка по трубопроводам); - преобразование первичной энергии энергетических ресурсов во вторичную, в наиболее удобной в данных условиях форме (чаще всего в тепловую и электрическую); - передача и распределение преобразованной энергии; 2 - потребление энергии различного рода потребителями как в той форме, в которой она доставлена, так и в еще раз преобразованной. Распределение энергоресурсов по различным районам земли очень неравномерно и обычно не совпадает с местами их наибольшего потребления. Половина всех нефтяных запасов находится на Среднем и Ближнем Востоке, а потребление энергоресурсов в этих районах более чем в 4 раза меньше среднемирового. В настоящее время 90% всей вырабатываемой энергии потребляет около 30% населения Земли. В 2000 году мировое потребление энергетических ресурсов распределялось следующим образов: атомная энергия - 10% (130 тысяч кВтч/год); природный газ - 20%; нефть - 30%; уголь - 28%; гидроэнергия и другие виды - 12%. Фактически 90% потребляемых энергоресурсов относятся к не возобновляемым. Оставшихся мировых запасов этих энергоресурсов по оценкам различных экспертов хватит на 100 - 200 лет (при этом не учитываются запасы ядерного топлива). В России разведанных запасов нефти около 6 млрд. т. (7% общемирового запаса), а добыча составляет 20% от мировой. В США соответственно - 5% и 14%. Запасы природного газа в России составляют 15% от мировых. Особенность нашей страны заключается в том, что основные месторождения нефти, газа, угля расположены в труднодоступных районах Севера. В соответствии с местоположением доступных углеводородных и гидравлических источников энергии строились электростанции на территории России, СССР и Российской Федерации. Распределение генерирующих мощностей по территории страны показано в таблице 1. Таблица 1 Европа Азия 87% 12% До 1910 года 85% 15% 1955 72% 28% 1960 44% 56% 1980 30% 70% 2020 Можно привести хронологию строительства электростанций в городах России и Европы: Первая электростанция в Нижнем Новгороде -1882г. В Санкт-Петербурге – 1883г. В Берлине - 1884г. 3 План ГОЭЛРО – великий план построения национальной экономики России был разработан на теоретической базе межотраслевого баланса. Этот подход отражается в статической модели межотраслевого баланса В.В. Леонтьева. Электроэнергия нужна при проведении любых работ и реализации любого современного производства. В нижеприведенной таблице 2 показаны усреднённые значения удельных расходов электроэнергии на производство некоторых материалов, в больших масштабах применяемых во всех отраслях экономики и в домохозяйствах. Таблица 2 Материал [т] Удельный расход э/э [кВт*ч/т] Вода 90 Бетон 2710 Кирпич 4650 Пиломатериалы 450 Металлопрокат 8680 Алюминий 73540 Стекло 7500 Электроэнергия 15% от произведенной на собственные нужды отрасли Значение электроэнергии в развитии любой отрасли производства следует из моделей СММБ (статическая модель межотраслевого баланса) Василия Васильевича Леонтьева – русского учёного, лауреата Нобелевской премии. Модель Леонтьева основана на том, что любое изделие, любая продукция, даже такая незримая, как энергия появляется в результате технологического процесса, использующего определённые ресурсы. Например, чтобы изготовить один стул, обозначенный нами как xi, необходимы следующие ресурсы: 1 стул = 2 деревянных заготовки + 8 шурупов + 2 металлические несущие конструкции + 0,5 часа труда на сборку стула. Этот технологический процесс можно представить следующей математической моделью: xi=2х1+8х2+2х3+0,5х4, то есть, для производства одного стула необходимы ресурсы х1=аi1=2, х2=аi2 =8, х3=ai3=2, х4=ai4=0,5. Если надо сделать Xi = N*xi, то потребуется ресурсов в N раз больше в соответствии с выражением: Xi = аi1* Xi + аi2* Xi + аi3* Xi + аi4* Xi. В приведенные равенства введены аij- технологические коэффициенты. Они могут измеряться в натуральном выражении (штуках и часах труда и тому 4 подобных единицах). Однако, в моделях Леонтьева часто все переменные и параметры имеют стоимостное выражение. Тогда все аij- технологические коэффициенты будут по величине меньше 1, например аi1=0,2, аi2 =0,08, ai3=0,2, х4=ai4=0,15. Экономический смысл этих коэффициентов будет следующий: чтобы выпустить стульев на 1000 рублей, необходимо обеспечить производство деревянными заготовками на 200 рублей, и шурупами на 80 рублей. Все потребляемые в стране блага (если модель межотраслевая) или ресурсы (если модель составлена для отрасли или энергетической установки) обозначим как Вектор конечного потребления: y  1 y  Y   2  yi     yn  Как следует из таблицы 1, каждая отрасль (или компонента производственной системы) должна производить продукта больше, чем требуется для непосредственного потребления. Эти количества определяются Вектором выпуска валового продукта:  x1      X   x2   xi     xn  Будем далее отдельную технологическую компоненту называть «отрасль», при этом полагаем, что в рассматриваемой системе имеются nотраслей, n-продуктов и n-технологий производства каждого их этих продуктов. Составим следующую скалярную математическую модель: х1=у1+х11+х12+х13+…+х1n; х2=у2+х21+х22+х23+…+х2n; ………………………………………….. хn=уn+хn1+хn2+хn3+…+хnn. В этой модели переменная Хij обозначает стоимость продукции отрасли i, которая передана (продана) отрасли j, поскольку для последней продукт отрасли i является ресурсом, необходимым для выпуска своей продукции. Очевидно, что каждая отрасль оставляет (покупает у себя) часть своей продукции для свих нужд. В общем виде это скалярное уравнение записывается так: , 5 где i = 1…n, j = 1…n. Исследуемыми переменными данной модели являются вектор валового продукта X и объёмы межотраслевых (внутрисистемных) поставок Хij. При этом вектор Y определяется прогнозными оценками, а применительно к энергетике максимальными значениями графиков нагрузок, которые будут рассмотрены ниже. Технологические коэффициенты аij находятся в результате эконометрических исследований производственных связей, а в энергетике – установленными нормами расхода энергоносителей. Получить решение удобнее всего, оперируя с моделью, представленной в векторно-матричном формате: Х = Y + A* Х, где А – матрица технологических коэффициентов прямых материальных затрат:  a11  a A   21  a i1  a n1 a a a a 12 22 i2 n2   2n  in   nn  a a a a a a a a 1j 2j ij nj 1n Это векторно-матричное уравнение решается известным способом с применением обратной матрицы: EХ = Y + AХ, далее EХ- AХ = Y, где E – единичная матрица [n x n]. или (EХ- A) -1 (EХ- A) Х = (EХ- A )-1 Y. Отсюда Х = (EХ- A )-1 Y. Использование модели межотраслевого баланса (или внутрисистемного баланса) позволяет определить необходимые параметры энергетической инфраструктуры: 1) Объёмы производства – вектор Х с учётом необходимости поставок продуктов производства во все другие сектора экономики (компоненты энергетической системы) на основе информации о векторе конечного потребления Y и технологических коэффициентах прямых материальных затрат aij; 2) Необходимую мощность транспортных коммуникаций Хij, в нашем случае – трубопроводов для передачи теплоносителей и линий электропередач. 6 Модель Леонтьева позволяет убедиться, что для развития любой отрасли экономики страны (или увеличения интенсивности выпуска любого продукта) необходимо наращивать валовый выпуск всех других продуктов. Прежде всего это касается энергии. СТРУКТУРА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ОТРАСЛЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА Энергетическое хозяйство – это совокупность технических средств для обеспечения бесперебойного снабжения предприятия всеми видами энергии. В его состав входят хозяйства: электросиловое – понижающие и повышающие подстанции, генераторные и трансформаторные установки, электросети, аккумуляторное хозяйство теплосиловое – котельные, паропроводы, тепловые сети, компрессоры и воздушные сети теплофикационное – системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; водоснабжение и канализация газовое – газовые сети, газогенераторные станции, холодильнокомпрессорные и вентиляционные установки печное – нагревательные и термические печи слаботочное – АТС, радиосеть, диспетчерская связь мастерские по ремонту и модернизации энергооборудования. В обязанности работников энергетического хозяйства входят обеспечение бесперебойного снабжения производства всеми видами энергии, эффективная и безопасная эксплуатация энергетического оборудования в соответствии с его паспортными характеристиками, и повышение его коэффициента полезного действия, совершенствование техники и организации энергетического хозяйства, экономия всех видов ТЭР при снижении (по возможности) их себестоимости. 7 Ниже приведены две структурные схемы, взятые из источника информации на эстонском языке, поэтому обозначения отдельных блоков и связей снабжены переводом на русский язык. Использование энергии на промышленном предприятии (рис. 1). Рис. 1. Состав энергетического хозяйства промышленных предприятий: Energia liik, energiakandja – виды энергии, энергоносители Põlevad tootmisjäägid – горючие отходы производства Peamised tarbimisviisid – основные способы потребления Tarned – поставки Kütused (keemiline energia) – Топливо (химическая энергия) Soojuslikud ja keemilised tehnoloogilised protsessid – Тепловые и химические технологические процессы Soojus (aur, kuum vesi) – Тепло ( пар, горячая вода) Tootmismasinad – Производственные машины Elektrienrgia – электроэнергия Transport – транспорт Mehaaniline energia (suruõhk jms)– механическая энергия (сжатый воздух и др.) 8 Küte – Отопление Valgustus – Освещение Использование электроэнергии Электроэнергия используется: 1. Косвенно через электромеханические преобразователи, двигатели, которые приводят в движение насосы, вентиляторы и т.д. – не менее 60 % мощностей, металлургические машины (краны, вагоны), электроинструменты (в том числе, принтеры). Первое применение электрической машины как привода механизма было осуществлено на транспорте (судовой привод Якоби). Наземный транспорт первоначально использовал конную тягу (вспомним, что и единицей мощности была "лошадиная сила"). От единичного конного транспорта к общественному перешли во второй половине 19-го века. Первая конка (конно-железная дорога) была построена в Нью-Йорке в 1852 г. С 1862 г. конка работает в Петербурге. Паровой городской транспорт оказался неприемлемым из-за дыма и копоти. Хотя первый в мире метрополитен (Лондон - 1860 г.) до 1890 г. использовал паровую тягу, но это был в основном подземный транспорт. Реальная возможность электрификации транспорта появилась после изобретения генератора Грамма. Так как генератор Грамма приводился во вращение паросиловой установкой, то нужно было решить вопрос передачи электроэнергии движущемуся транспорту. В 1879 г. Сименсом на промышленной выставке была построена первая электрическая железная дорога на постоянном токе. Электроэнергия по отдельному контактному рельсу передавалась электродвигателю "электрического локомотива", который тянул за собой три тележки с 18 пассажирами. Обратным проводом служили железнодорожные рельсы (подобный способ передачи электроэнергии и сейчас используется в метро). В 1880 г. пущена первая электроконка в России - в Петербурге (инженер Федор Аполлонович Пироцкий). Мощность была существенно больше, чем в опыте Сименса (к двухъярусному вагону конной железной дороги - вес с пассажирами составлял около 7 т. - был приспособлен электродвигатель, который через двухступенчатый редуктор приводил в движение ведущую ось вагона). Для передачи электроэнергии использовался обычный железнодорожный рельсовый путь: два рельса - это два провода. Отдельные рельсы соединялись стыковыми электрическими соединениями. Для улучшения изоляции друг от друга рельсовых ниток подошвы их покрывались асфальтовой смазкой. Такую схему применяли впоследствии и за рубежом, но, в конце концов, от нее пришлось отказаться из-за больших потерь электроэнергии от токов утечки через землю. Пироцкий первый применил зубчатую передачу в электроприводе вместо ременной. После изобретения способа питания транспорта через верхний контактный провод - 1883 г. независимо друг от друга Ван-Депуль (США) и Сименс (Германия) - чисто рельсовая схема электропередачи перестала 9 применяться. С 1883 г. начали действовать трамвайная линия в Портуме (Ирландия) - 9,6 км, Брайтоне (Англия) -1,5 км, Франкфурте-на-Майне (Германия) - 6,6 км. Утверждают, что слово "трамвай" образовано от имени строителя первой городской электрической дороги англичанина О"Трэма (дорога Трэма - трэмз вей). В России первый трамвай пущен в Киеве в 1892 г. Решение о строительстве трамвайной линии было принято после того, как убедились, что ни конная, ни паровая тяга не способны преодолеть крутой подъем от Подола к Крещатику. Следующей трамвайной линией в России была нижегородская (1896 г.). На городском электрическом транспорте исключительное применение получил постоянный ток, обеспечивающий надежную работу тяговых электродвигателей и удобное регулирование скорости. К тому же о внедрении трехфазной системы не могло быть и речи - три провода над трамваем неэкономично. Поэтому по мере развития техники переменного тока для городского электротранспорта стали сооружать преобразовательные подстанции. Наиболее естественным и потому первым по времени преобразователем переменного тока в постоянный была двигатель-генераторная установка. В 1885-1889 годах создаются первые одноякорные преобразователи переменного тока в постоянный, которые представляли собой комбинацию синхронного двигателя и генератора постоянного тока с общим якорем. По сравнению с преобразователем из отдельных двигателя и генератора одноякорный преобразователь имел на 40% меньший вес, занимал в два раза меньше места, имел высокий КПД. Начиная с двадцатых годов прошлого столетия одноякорные преобразователи вытесняются ионными, затем полупроводниковыми преобразователями. Централизованное производство электроэнергии позволило приступить к электрификации и железнодорожного транспорта. Здесь Россия отстала от других стран. Если в развитии городского электротранспорта мы были на передовых позициях, то в 19-м веке в России не было электрифицировано ни одной железной дороги, хотя и были разработаны многочисленные проекты. Видимо, основным сдерживающим фактором являлась большая протяженность железных дорог и малое, по сравнению с требуемым для их электрификации, количеством электростанций, к тому же расположенных в основном в Европейской части страны. Значительно больших успехов Россия добилась в электрификации речного и морского транспорта. Особенно быстро внедрялся электропривод на военно-морском флоте. 1886 г. - электропривод вентилятора на крейсере "Адмирал Нахимов". 1891 -1894 г.г. - электропривод орудийного зарядника на броненосце "Сысой Великий"; башенные элеваторы с электроприводом на крейсере "Рюрик"; Электропривод поворота башен на крейсере "Адмирал Нахимов"; электропривод шпилей на броненосце "Ослябя"; электропривод рулевого устройства на крейсере "Двенадцать апостолов". Этот перечень свидетельствует о передовых позициях России в развитии судового 10 электрооборудования. Не случайно, обслуживающий персонал многих электрических станций состоял из отставных моряков (например, на Нижегородской ярмарочной станции). Развивался и автономный электротранспорт, когда первичный источник энергии находится на самом движущемся объекте. На упомянутых судах источником энергии являлась паровая машина. "Товарищ, я вахту не в силах стоять, - сказал кочегар кочегару". Ходовые винты судна приводились в движение энергией пара, а вал отбора мощности (или вспомогательная паровая машина) вращал якорь генератора постоянного тока. Перспективной системой являлась установка теплоэлектрической тяги, когда и само движение осуществлялось за счет электропривода, а паровая машина (затем дизель) служили только источником энергии, вращая вал генератора. Впервые в мире теплоэлектрическая тяга была осуществлена в 1903-1904 гг. для привода винтов нефтеналивных барж "Вандал" и "Сармат", построенных на Сормовском заводе. К нашему стыду, остатки "Сармата" сейчас ржавеют в Оке, в самой черте Нижнего Новгорода. Теплоэлектрическая тяга на железнодорожном транспорте (тепловоз) нашла очень широкое распространение в мире. Все это примеры использования электротехники (ее отрасли электромеханики) как вспомогательного средства технологических процессов - сам процесс осуществлялся за счет механических сил. 2. Прямое использование электротехнологиях: электроэнергии осуществляется в Есть отрасли промышленности где электрическая энергия является основным технологическим фактором: электрохимия, электротермия. Эта отрасль электротехники называется электротехнологией. Индукционная печь. Её схема приведена на рис. 2. Рис. 2. Принципиальная схема индукционной печи: G – источник переменного напряжения, И – индуктор, Металлический стержень - обрабатываемое изделие Вариант индукционной установки для предварительного нагрева подшипников перед установкой на вал приведена на рис. 3. 11 U = var Рис. 3. Индукционная установка для предварительного нагрева подшипников перед установкой на вал Промышленная электрохимия зародилась вместе с гальванотехническими мастерскими и предприятиями по производству электролитическим путем кислорода и водорода. В электрохимии широко используется явление электролиза - выделения с помощью тока химических составных частей проводника. Проводники, в которых не наблюдается химическое действие тока, называются проводниками первого класса (металлы, уголь). Проводники, в которых происходит электролиз, называются проводниками второго класса или электролитами (водные растворы кислот, солей, некоторые химические соединения в жидком и твердом состоянии). Известен простой опыт. Если в водный раствор медного купороса CuSO4 опустить две угольные пластины и соединить их с полюсами батареи, то в растворе возникает электрический ток. Постепенно пластина, соединенная с отрицательным полюсом, покроется слоем меди, на другой пластине выделится остаток SO4. Соприкасаясь с водой, он вступает во вторичную реакцию, не связанную с наличием тока 2SO4 + 2H2O = 2H2SO4 + O2. Если рассматривать только первичное действие тока, то обнаружим, что на отрицательном электроде всегда выделяются металлы, а на положительном - остаток химического соединения. Что очень важно: составные части электролита всегда выделяются только на электродах, В объеме электролита выделение отсутствует. Среди промышленных применений электролиза можно выделить следующие. Гальванопластика - получение металлических отпечатков рельефных предметов (монет, медалей). С предмета сначала снимают слепок из воска, стеарина и т.д., покрывают поверхность слепка порошкообразным графитом для придания электропроводности и используют его в качестве катода в электролитической ванне, содержащей раствор соли нужного металла. Металл электролита выделяется на поверхности слепка, образуя металлическую 12 копию предмета. Так можно изготавливать клише, бесшовные трубы, детали сложной формы. Гальваностегия - покрытие металлических предметов защитным слоем из другого металла, обладающего повышенной механической прочностью и устойчивостью к коррозии, или слоем благородного металла. Таково электролитическое серебрение, золочение, хромирование, электролитическое покрытие железа цинком. Рафинирование (очистка) металлов. Отливки из очищаемого металла помещают в электролитическую ванну на место анода. Электролитом является раствор соли этого металла. При определенном напряжении между анодом и катодом с анода в раствор будет выделяться только очищаемый металл, который выделится на катоде. Примеси выпадают на дно ванны в виде осадка (анодный шлам). Так получают очень чистую медь (электролитическую), которая широко применяется в электротехнике. Электрометаллургия - получение металлов с помощью электролиза расплавленных руд. Так получают второй по значению металл в электротехнике - алюминий. Электролизу подвергают расплав смеси глинозема Al2O3 и криолита Na2AlF6. Анодами служат опускаемые в расплав угольные стержни. Электролиз ведется при температуре около 9000, которая поддерживается самим током. Электролизом получают натрий, магний, бериллий, кальций, фтор. Электролитическое травление и полировка. Помещая металлические предметы в электролит в качестве анода, можно заставить металл растворяться. При шероховатой поверхности металла быстрее растворяется металл в выступах его неровной поверхности, так как возле них больше напряженность поля, следовательно, и плотность тока. На явлении электролиза основано действие электролитических конденсаторов. Они имеют два алюминиевых электрода, находящихся в электролите из смеси борной кислоты и раствора аммиака с добавкой глицерина. Электролит обычно изготавливают в виде густой пасты и пропитывают им прокладку между электродами. Положительный полюс конденсатора покрывается тонким слоем окислов алюминия, который поддерживается процессом электролиза. Этот слой является диэлектриком конденсатора, обкладками служат алюминиевый электрод и электролит Второй алюминиевый электрод является пассивным и служит только для включения конденсатора в цепь. Благодаря очень малой толщине слоя окисла можно получить конденсатор небольших размеров с емкостью в сотни микрофарад. Электролитический конденсатор обладает емкостью только при определенной полярности напряжения. С течением времени электролиз прекращается (израсходуется электролит) и конденсатор теряет емкость (высыхает). С 1878 года для плавки руд металлов, других веществ стали использоваться дуговые электрические печи. Электрическая дуга, отработав свой век в освещении, стала основным средством плавильного производства. А чтобы процесс плавки был оптимальным, нужно определенным образом 13 регулировать длину (мощность) дуги. Для перемещения угольных электродов плавильной печи опять используется электропривод. Только благодаря электротермии алюминий перестал быть драгоценным металлом. Самое широкое применение в различных отраслях промышленности находит электрическая сварка: ее два основных вида - контактная и дуговая. При контактной электросварке ток проходит через два металлических изделия, плотно прижатых друг к другу. В месте соединения металл интенсивно разогревается теплом, выделяемым в большом сопротивлении участка стыка металлов, до пластичного состояния и при сильном сжатии прочно соединяется - стыковая сварка. В автомобильной промышленности широко применяется контактная сварка, когда ток с помощью электродов, имеющих малую площадь, разогревает только ту часть металла, которая непосредственно находится под электродом. Другим направлением электросварки является использование тепла электрической дуги. Начало дуговой электросварки металлов положил Николай Николаевич Бенардос. В 1886 г. он оформил свое изобретение русской привилегией. Бенардос один полюс источника электроэнергии соединял с угольным (графитовым электродом), а другой - со свариваемым металлом. В зону электрической дуги между электродом и металлом вводился металлический стержень, который расплавляясь заполнял шов и сваривал металлы. Другой способ сварки предложил Николай Гаврилович Славяновым в 1891 г. Свариваемое изделие соединялось с одним полюсом источника энергии, другой полюс с металлическим стержнем. Электрическая дуга расплавляла металлический стержень - электрод, металл которого "сливался" со свариваемыми изделиями. Славянов предусмотрел шлаковую защиту металла электрода и зоны расплавления металлов от воздействия окружающей среды (обмазку электродов). Оба способа сварки широко распространились, особенно в Германии, Англии, Франции. Еще одно направление электротехнологии - электронагрев металлов токами высокой частоты. Электрический ток для промышленного нагрева металлов также впервые использовал Н. Г. Славянов. Металлическая заготовка помещается в индуктор, по которому протекает ток высокой частоты. Наведенные в заготовка электромагнитным полем индуктора токи разогревают металл. Этот способ электронагрева используется для нагрева металлов перед последующей пластической обработкой (ковка, горячая штамповка). Чем выше частота тока в индукторе, тем меньше глубина проникновения токов в металл - нагревается только поверхность (поверхностная закалка изделий для придания их поверхности высокой прочности). 14 Структура системы представлена на рис. 4. электроснабжения крупного предприятия Рис. 4. Структура системы электроснабжения крупного предприятия: ВН – высокое напряжение, НН – низкое напряжение, Р – активная мощность, Q – реактивная мощность Oma elektrijaam – собственная электростанция Toiteliin – питающая линия Peaalajaam – главная понижающая подстанция Jaotusvõrk – распределительная сеть Kõrgepingeline kondensaatorpatarei – Конденсаторная батарея ВН Kõrgepingetarviti – Электроприемник ВН Tsehhi trafoalajaam – Цеховая трансформаторная подстанция Tsehhi muundur- (nt alaldi-) alajaam – Цеховая преобразовательная (напр. выпрямительная подстанция) Reservtoiteallikas- резервный источник питания Tsehhi madalpingevõrk – Цеховая сеть НН 15 Tsehhi alalis- vm muudatud voolu võrk – Цеховая сеть постоянного тока или со специальными параметрами Madalpingeline kondensaator-patarei – Конденсаторная батарея НН Madalpingetarvitid – Электроприемники НН Katkematu toite allikas – Источник гарантированного бесперебойного питания Katkematut toidet vajavad tarvitid – Электроприемники, требующие бесперебойного питания. Познакомимся с работой тепловой электростанции. Это позволит понять взаимосвязь тепловых и электромагнитных процессов. Упрощенное устройство тепловой электростанции отображает рис.5. U Электрогенератор Водяной насос Паровая турбина Котел Пароперегреватель Охлаждающая вода Конденсатор пара Рис.5. Схема работы тепловой электростанции Основой ее является котел, в котором за счет сгорания топлива (нефти, угля, газа, или ядерной реакции) происходит нагрев воды до парообразования (с температурой порядка 300…500 0С). Образующийся пар поступает в пароперегреватель, в котором происходит его охлаждение до 500-6000 С. Перегретый пар под давлением 13-25 МПа поступает в турбину, вращая ее колесо (тепловая энергия превращается в механическую). Вал турбины соединен с валом электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор пара, в котором происходит его охлаждение до водообразования. Охлажденная вода насосом снова подается в котел. Это так называемая тепловая электростанция. Если отработанный пар используется еще и для снабжения потребителей тепловой энергией, то станцию называют теплоэлектроцентралью - ТЭЦ. 16 Рассмотрим физические процессы преобразования энергии Цикл Карно В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником. Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году (Рис. 6.). Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно. Рис. 6. Цикл Карно в координатах T-s Одной из координат в этом графике является ЭНТРОПИЯ – s. Энтропия выражается функцией: s dq , T где q – подведенная к рабочему телу теплота, T – его температура при изотермическом процессе. Для цикла Карно в T,s - диаграмме подведенная q1 и отведенная q2 теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими 17 процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для q1 с Т1 и Δs, для q2 - с T2 и Δs. Величины q1 и q2 определяются по формулам изотермического процесса: Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты В соответствии с последним выражением получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при Т2 =0, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около 300 К. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота q1 превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота q2, отдается холодному источнику, и при заданных Т1 и Т2 она не может быть использована для получения работы, величина q2 является тепловыми потерями (тепловым отбросом) цикла. Пусть тепловая машина состоит из: 1) нагревателя с температурой , 2) холодильника с температурой и 3) рабочего тела. Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия). 1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает. 2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной. 3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается. 18 4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной. Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно . Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику . Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен . Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм. Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно. Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов. Цикл Карно может быть представлен (рис. 7) и в координатах P (давление рабочего тела) и V (объем рабочего тела). Понятно, что рабочее тело – это пар в турбине, или газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. 19 Рис. 7. Цикл Карно в координатах P и V Для того чтобы цикл был обратимым, в нём должна быть исключена передача теплоты при наличии разности температур, иначе нарушается условие адиабатичности процесса. Поэтому передача теплоты должна осуществляться либо в изотермическом процессе (как в цикле Карно), либо в эквидистантном процессе (обобщённый цикл Карно или, для примера, его частный случай Цикл Брайтона). Для того чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать либо адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, не влияют на энтропию), либо циклы с регенерацией тепла при которых нет передачи тепла при разности температур. Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл может быть сведён к циклу Карно. Примером обратимого цикла, не являющегося циклом Карно, но интегрально совпадающим с ним, является идеальный цикл Стирлинга: в двигателе Стирлинга добавлен регенератор, обеспечивающий полное приближение цикла к циклу Карно с достижением обратимости и тех же величин КПД. Если же в цикле возникает передача теплоты при наличии разности температур, а таковыми являются все технические реализации термодинамических циклов, то цикл утрачивает свойство обратимости. Иначе говоря, посредством отведённой в цикле механической работы становится невозможным получить исходную теплоту. КПД такого цикла будет всегда меньше, чем КПД цикла Карно. Научные основы электротехники Алессандро Вольта изучал влияние разнородных металлов на силу их взаимодействия при электризации, которую он назвал "разность напряжений". Он пришел к выводу, что непрерывное взаимодействие может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из металлов и жидкостей. В 1799 году 20 Вольта построил первый источник непрерывного электрического тока, составленный из медных и цинковых кружков, переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. В результате электрохимической реакции между металлами и раствором на них накапливаются заряды (на меди положительный, на цинке - отрицательный). Этот аппарат и получил название "вольтова столба". Вольтов столб долгое время оставался единственным источником электрического тока - это выдающееся изобретение человечества. Интересно также, что правильная конструкция гальванического элемента (электрический ток возникает в результате химических процессов между металлом и жидкостью ) была создана на основе неправильных представлений А. Вольта (он считал, что электрический ток возникает в результате взаимодействия разных металлов (освобождается из металлов) и чтобы просуммировать действие отдельных металлических пар, нужно исключить их соприкосновение с другими парами, разделив веществом, не препятствующим движению электричества. Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники. В дальнейшем разность потенциалов или электрическое напряжение было определено как работа, которую нужно совершить при перемещении единицы заряда из одной точки электростатического поля в другую. Так как величина заряда пропорциональна току, то работа, совершенная при перемещении этого заряда, равна произведению напряжения на ток и на время, в течение которого было произведено перемещение. A  UIt Мощность (работа в единицу времени) P  A  UI . t За единицу электрического напряжения принято напряжение между концами проводника, в котором протекает ток в 1 А и при этом мощность, выделяемая в проводнике равна 1 Вт. В 1881 году на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование "Вольт". Так как мы коснулись единиц измерения электрических величин, то следует отметить, что в Международной системе единиц СИ основной единицей для электрических и магнитных величин является единица силы тока - Ампер. Современное определение: Ампер - это сила электрического тока, который, проходя по двум прямолинейным параллельным бесконечным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга вызывает в них на каждом участке длиной 1 м силу взаимодействия 2х10-7 Н. В совокупности с тремя основными механическими единицами: метр, килограмм (масса), секунда, ампер позволяет образовать все остальные единицы для электрических и магнитных величин. Так единица электрического заряда Кулон определяется как заряд, проходящий за одну секунду через сечение проводника, по которому протекает неизменный по величине ток силой в 1 А: Q  At t (Ампер-секунда) = 1 К (Кулон). 21 Единицей сопротивления является Ом - электрическое сопротивление участка проводника, по которому при напряжении 1 В протекает ток 1 А. После создания вольтова столба большинство ученых занимались с его помощью изучением различных действий электрического тока (термин "электрический ток" появился позднее, был введен Андре Мари Ампером). При пропускании тока через металлы обнаружили их нагревание. Если проводник первого класса - металл, то при протекании по нему тока не совершается механическая работа и не происходит химических реакций, следовательно, вся работа тока превращается в тепло, которое выделяется в проводнике. Если проводник однороден, то A  RI 2t . Тепловым эквивалентом механической работы (1 Дж) является 0,24 малой калории. Выделенное тепло в калориях определяется как Q  0,24RI 2t . Тепловое действие тока открыл в 1841 г. английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, а в 1842 г. экспериментально обосновал русский физик Эмилий Христианович Ленц закон Джоуля - Ленца. При прохождении электрического тока через жидкости было обнаружено его химическое действие. При прохождении электрического тока через воду было обнаружено выделение газов, а именно водорода и кислорода - явление электролиза. При прохождении тока через раствор поваренной соли на отрицательном полюсе получали едкий натр (на самом деле поваренная соль разлагалась на натрий и хлор, а уж натрий, соединяясь с водой, образовывал едкий натр). В 1802 году итальянский физик Джованни Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение магнитной стрелки, но тогда этому не придали должного внимания. Важнейшими законами, завершающими создание научных основ электростатики, являются законы Ома и Кирхгофа. Немецкий физик Георг Симон Ом установил, что если состояние проводника не меняется, то для каждого проводника существует однозначная зависимость между напряжением, приложенным к концам проводника, и током в нем. Эта зависимость названа вольт-амперной характеристикой проводника. Для металлов эта зависимость линейна: сила тока пропорциональна приложенному напряжению: I  gU (знаменитый закон Ома). Коэффициент пропорциональности называется электропроводностью, а обратная величина - электрическим сопротивлением. При подсоединении проводника с сопротивлением R к источнику тока последним совершается работа по перемещению зарядов по полученной замкнутой цепи. Максимальная работа пропорциональна величине заряда q  it  , прошедшего по цепи A  Eq  RI 2t  rI 2t , отсюда I E Rr - это закон Ома для полной электрической цепи (Е -максимальная работа по перемещению единицы заряда - электродвижущая сила источника тока; r - внутреннее сопротивление 22 источника. Напряжение источника меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Причем Ом доказал его справедливость не только по электрическому, но по магнитному и химическому действиям тока. (1827 год). В1845 г. другой немецкий физик - Густав Роберт Кирхгоф формулирует два закона, являющиеся вместе с законом Ома фундаментом теоретической электротехники. Законы Кирхгофа позволяют определять величины напряжений и токов в разветвленных цепях. Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в участках цепи, сходящихся в любой точке разветвления, равна нулю. Еще одна формулировка этого закона (правила узлов, закона полного тока) -в разветвленной цепи сумма токов в отдельных ветвях равна полному току. Второе правило Кирхгофа: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжений равна сумме всех электродвижущих сил, действующих в этом контуре. Оба правила Кирхгофа не выражают новых свойств электрического поля, они дают метод решения задач о распределении токов в разветвленных электрических цепях. Зарождение практической электротехники. Создание более совершенных, чем вольтов столб, химических источников тока (гальванические элементы Даниэля и Лекланше с ЭДС порядка 1 -1,5 В) позволили перейти к практическому применению полученных знаний - начала развиваться практическая электротехника. Наибольшие успехи были достигнуты в развитии электрической связи телеграфии. Ее основы были заложены в России работами Павла Львовича Шиллинга, который в 1832 г. создал клавишный телеграфный аппарат (клавиши замыкали и размыкали электрическую цепь с питанием от батареи гальванических элементов). Передача электрических сигналов велась разработанным им же шестизначным кодом по восьмипроводной линии. Позже П. Л. Шиллинг разработал специальный двоичный код и перешел на двухпроводную линию. Разработанные П. Л. Шиллингом линии телеграфной связи использовались в Великобритании, Германии. Система Шиллинга была усовершенствована Борисом Семеновичем Якоби, который создал пишущий буквопечатающий аппарат. Телеграф развивался одновременно с развитием железных дорог (связь между железнодорожными станциями). В России к 1870 г. общая протяженность телеграфных линий составила около 100 000 км, в том числе самая длинная линия в мире Москва-Владивосток. В международных и межконтинентальных (с использованием подводных кабелей) использовалась более совершенный вид телеграфной связи - телеграфный код американского художника Сэмюэла Морзе (его телеграфный аппарат был создан на пять лет позже аппарата Шиллинга). Естественно, что передача электрического сигнала по проводам не могла не заинтересовать военных. И здесь первенство принадлежит России. Тот же 23 П. Л. Шиллинг за 20 лет до создания телеграфа применил "электрический запал" для взрыва мины. Занимался минной электротехникой и Б. С. Якоби (он был инициатором создания в русской армии специальных "гальванических бригад" - первых саперов). Якоби и Шиллинг создали специальные изолированные кабели для управления взрывом морских мин. К этому же времени относится и открытие гальванотехники: процессов электролитического осаждения металлов из растворов их соединений на поверхностях металлических и не металлических изделий. Исследовал и технически разработал гальванотехнику Б. С. Якоби (его доклад в 1838 г. на заседании Петербургской академии наук). Широкого распространения в этот период гальванотехника не получила из-за отсутствия мощных источников тока. Широкое распространение телеграфа потребовало определения условий его надежной работы - устойчивого приема передаваемого сигнала. Обоснование этих условий получило название теоремы о максимальной мощности приемника. Пусть источник с ЭДС E и внутренним сопротивлением r замкнут на внешнюю цепь с сопротивлением R . Во внешней цепи будет выделяться мощность равная: P  UI  RI 2  E 2 R . R  r 2 Каким должно быть сопротивление R , чтобы мощность во внешней цепи была максимальной для данного источника? Продифференцируем данное выражение по R и приравняем первую производную нулю  dP E 2 r 2  R 2  dR R  r 4   0. Так как r и R всегда положительны, получаем R  r . Вторая производная при данных значениях имеет отрицательное значение, следовательно, найдена точка максимума. Максимальная мощность во внешней цепи достигается при равенстве сопротивлений внешней цепи и самого источника (включая сопротивление соединительных проводов). При этом ток в электрической цепи равен I  E E  . R  r 2r Величина максимальной мощности, выделяемая в приемнике, равна Pmax E2  . 4R Это условие долгое время было определяющим при проектировании электрических приборов и линий. Но, определяя оптимальную работу слаботочных цепей (телеграфа - где самое главное: получить четкий, ясный сигнал на конечном пункте), оно оказалось непригодным для сильноточных цепей. 24 В сильноточных цепях наиболее важным является коэффициент полезного действия - КПД, определяющий "цену" передачи необходимой мощности. КПД определяется как отношение полезной мощности (мощности, полученной приемником энергии) ко всей мощности, затраченной на эту передачу. При передаче сигнала мощность дополнительно тратится в виде тепла на нагрев внутреннего сопротивления источника и соединительных проводов (на нагрев сопротивления r ). Если в приемнике выделяется мощность P•”‘  RI 2 , то полная мощность, затраченная на передачу P•”‘ , равна PЌ€˜р  RI  rI . Если 2 PЌ€˜р  EI  2 E2 , то P•”‘  4R P E2 E2 и КПД равен   •”‘  0,5 .  R  r 2R PЌ€˜р Терять половину энергии явно невыгодно, необходимо работать с высоким КПД, а это возможно, если r 1 , Rr то есть внутреннее сопротивление источника и сопротивление линии передачи должно быть много меньше сопротивления приемника. К сожалению, упорное следование требованиям максимальной мощности приемника затормозило, как мы увидим дальше, развитие силовой электротехники. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед (датский физик) повторил упоминавшийся выше опыт Романьози с магнитной стрелкой (расположив прямую металлическую проволоку в направлении магнитного меридиана - в направлении север-юг - и поместив под ней магнитную стрелку, он обнаружил, что при пропускании через проволоку тока стрелка буде отклоняться). Направление отклонения определяется по правилу правой руки: ладонь кладется на проволоку, пальцы показывают направление тока, отогнутый большой палец показывает направление отклонения северного полюса стрелки. Теперь сообщение об этом опыте вызвало огромный интерес. Начались опыты с магнитами. Французский астроном и физик Доминик Франсуа Араго обнаружил, что проводник намагничивается протекающим по нему током. Сталь сохраняла магнитные свойства и после выключения тока (Араго получил первые искусственные магниты из стали). По рекомендации Ампера проволоку заменили спиралью - намагничивание усилилось (так получили соленоид). Была доказана электрическая природа магнетизма. Араго обнаружил, что при вращении медной проволоки с током, находящейся над магнитной стрелкой, последняя тоже приходит во вращение (магнетизм вращения). Араго провел также опыт с металлическим диском: если вращать установленный над диском магнит, то диск (к которому не подведено никакого тока!) тоже начинает вращаться. Объяснить природу этого явления не смогли ни Араго, ни Ампер. Объяснение дал Фарадей после открытия явления электромагнитной индукции. 25 Научные основы электродинамики были заложены гениальным французским физиком и математиком Андре Мари Ампером. Ампер ввел термин "электрический ток", предложил считать, что ток во внешней цепи движется от плюса к минусу. Он сформулировал правило определения направления отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Он открыл механическое взаимодействие токов и установил количественные соотношения этого взаимодействия. Опыты Ампера показали, что два проводника с током взаимодействуют также как магнит и ток, токи, направленные одинаково (параллельно) притягиваются, направленные встречно - отталкиваются. Если к подвижной рамке с током (к одной стороне) поднести магнит - рамка поворачивается, заменить северный полюс магнита на южный (перевернув его) - получим поворот в обратную сторону. Соленоид (катушка с током) притягивается к одному полюсу, но отталкивается от другого. Соленоид с током ведет себя как магнит, причем, тот конец соленоида, который обтекается током против часовой стрелки, ведет себя как северный полюс магнита, а другой, обтекаемый током по часовой стрелке - как южный. Он создал первую теорию магнетизма (магнитные свойства объясняются наличием молекулярных токов). Своими трудами Ампер доказал единство электричества и магнетизма. Опыты Эрстеда, Араго, Ампера и других ученых указывали на своеобразие взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не только привычные для механики центральные силы, а силы иные, стремящиеся установить стрелку перпендикулярно проводнику. Для количественной характеристики магнитного поля служит специальная физическая величина - напряженность магнитного поля, так же как электрическое поле характеризуется напряженностью электрического поля. Если в проводнике выделить элемент с током dL , то напряженность магнитного поля в точке, удаленной от него на расстояние r , равна 1 IdL sin  (  - угол между направлением тока в отрезке dL и 4 r2 радиусом r ). dH  Направление магнитного поля совпадает с направлением движения конца рукоятки буравчика с правой нарезкой, движущегося поступательно в направлении тока. Величину напряженности магнитного поля, создаваемого током, установили французские ученые Жан Батист Био и Феликс Савар. Обобщил это явление французский ученый Пьер Симон Лаплас, поэтому закон, устанавливающий наличие тангенциальной составляющей силы действия тока на магнит и обратной пропорциональности ее величины от расстояния, носит название закона Био-Савара-Лапласа. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, определяется напряженностью магнитного поля и магнитной постоянной. Произведение этих величин называется магнитной индукцией. Для вакуума магнитная индукция B   0 H . 26 Величина силы взаимодействия F  ILB sinL, B  . Направление силы перпендикулярно к направлению тока и к направлению индукции и подчиняется правилу правого буравчика: при движении рукоятки буравчика от вектора тока к вектору индукции сам буравчик движется в направлении силы. Можно также предложить правило левой руки: указательный палец направить вдоль поля, перпендикулярный ему средний - вдоль тока, а перпендикулярный ему большой укажет направление движения. Так как изображать собой трехмерную систему координат весьма затруднительно, то более легкой является следующая трактовка: магнитные силовые линии поля входят в ладонь левой руки, пальцы показывают направление тока, а перпендикулярный ладони большой палей - направление движения. Так как на провод с током в магнитном поле действуют силы, то при движении проводника совершается работа. Если проводник c током длиной L перемещается параллельно самому себе и перпендикулярно направлению поля, то на нег действует сила F  ILB и механическая работа dA  IBdS , где dS - площадь, пройденная проводником. Если направление индукции другое, то ее вектор надо разложить на две составляюшие и в формулу подставить составляющую перпендикулярную dS (параллельная составляющая вызывает силу перпендикулярную направлению движения, ее работа равна нулю). Точно также нужно поступить и при вращательном движении. Перпендикулярная пройденной площади составляющая индукции равна числу линий магнитной индукции, проходящих через единицу поверхности dS , а их произведение Bn dS - числу линий магнитной индукции, пересекаемых проводником при движении. Поэтому, работа, совершаемая при движении проводника с током в магнитном поле, равна произведению силы тока на число линий магнитной индукции, пересеченных проводником. Bn S  Ф - магнитному потоку через площадь S . Если проводник совершает конечное перемещение, то A  I Ф 2 Ф1  - в скобках - магнитный поток сквозь контур в конце и в начале перемещения. Истоком современной электротехники (в ее промышленном понимании) являются труды английского ученого Майкла Фарадея. Фарадей сумел обобщить открытия, сделанные до него другими учеными, на практике подтвердить догадку Ампера об единой природе электричества и магнетизма. Изучив опыты Эрстеда, Араго, Ампера (магнитная стрелка устанавливается перпендикулярно проводнику с током) Фарадей предположил, что магнит стремится к непрерывному вращению вокруг проводника. Чтобы доказать это. Фарадей взял два сосуда со ртутью (ртуть обладает замечательными свойствами: хорошо проводит ток, как и другие металлы, в то же время является жидкостью, следовательно, обладает малым механическим сопротивлением), в нижней части одного расположил 27 шарнирно закрепленный магнит, сверху в сосуд опускался неподвижный проводник (рис. 8.). Жидкая ртуть, являясь проводником, позволяла магниту вращаться в сосуде. Действительно, при включении тока магнит начинал вращаться вокруг неподвижной части проводника! В другом сосуде со ртутью шарнирно закреплялся металлический проводник, а магнит был неподвижным - вращался проводник! магнит I магнит ртуть _ + Рис. 8. Опыт электромагнитных вращений (по рисунку М. Фарадея) Поскольку в этом опыте впервые осуществлено магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то именно с него следует начинать историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Именно с этого момента Фарадей ставит задачу доказать взаимопревращение сил: получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он решил обратить явление. На решение этой задачи ушло 10 лет напряженного труда. В 1831 году был сделан решающий опыт и сделан доклад в Королевском обществе о сущности явления электромагнитной индукции. Решающие опыты Фарадея поражают своей простотой (рис. 9). 28 ключ деревянный стержень катушка 1 гальванометр ключ стальное кольцо гальванометр катушка 2 а) “вольтаэлектрическая” индукция б) влияние среды на “вольтаэлектрическую” индукцию S N N N S N г) превращение механической энергии в электрическую в) “магнитоэлектрическая” индукция Рис. 9. Явление электромагнитной индукции (по рисункам М. Фарадея) Явление "вольтаэлектрической" индукции: при замыкании или размыкании первичной цепи, отклоняется стрелка гальванометра, включенного во вторичную цепь (связь между электрическими цепями с помощью обмоток, намотанных на общий - деревянный! - стержень). Явление "магнитоэлектрической индукции": гальванометр подключен к катушке вторичной цепи, первичная цепь представляет собой механическое соединение магнитов. При размыкании или замыкании магнитной цепи стрелка гальванометра отклоняется. Впоследствии оба явления Фарадей объединил термином "электромагнитная индукция". Наконец, появление индуктированного тока в катушке при движении внутри ее постоянного магнита, или другой катушки, обтекаемой током, демонстрирует превращение механической энергии в электрическую. Именно Фарадей ввел понятия магнитные и электрические силовые линии (этими понятиями пользуются до сих пор). Если проводник при движении пересекает магнитные силовые линии в нем возникает электрический ток. Если возвратиться к опыту Араго с вращающимся диском, то он заключался в следующем: подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый диск, который также мог вращаться вокруг оси, совпадающей по направлению с осью магнита. Если вращать магнит, вращался и диск, и наоборот. Араго не смог объяснить это явление. Фарадей предложил представить диск состоящим 29 из множества радиальных проводников, которые при вращении магнита пересекаются исходящими из него магнитными силовыми линиями, в проводниках возникает индуктированный ток. Взаимодействие тока и магнита заставляет двигаться проводник (диск). Из диска Араго Фарадей сделал источник электричества. Он расположил диск между полюсами магнита, а к периферии диска и к его оси были подсоединены щетки. При вращении диска между щетками появлялось напряжение - первый униполярный генератор генератор постоянного тока. В своих опытах по электромагнитной индукции Фарадей располагал катушки и на деревянном, и на стальном сердечниках - во втором случае получалось более интенсивное (усиленное) отклонение стрелки гальванометра. Здесь следует отметить следующее: во-первых, получен прототип трансформатора; во-вторых, подчеркивается роль среды в электромагнитных процессах. Для индуцирования тока не нужен магнит магнит лишь усиливает действие. Фарадею оставался лишь один шаг до понимания электронной теории металлов! Вернемся к униполярному генератору Фарадея, но при отсутствии магнита. Металлический диск радиусом a вращается с угловой скоростью  . В этом случае на каждый электрон металла диска действует центробежная сила, которая является сторонней силой. Поэтому в диске появляется ЭДС и между осью диска и его окружностью возникает напряжение. Центробежная сила равна F  mr 2 , где m - масса электрона, r - расстояние его от оси диска. Эта сила действует на заряд электрона e и создает напряженность поля сторонних сил F mr 2 E   . e e * Возникающая ЭДС равна интегралу от напряженности сторонних сил по dr . a E   E * dr  m 2 m 2 a 2 . rdr  e 0 2e a Если радиус диска равен 0,1 м и угловая скорость его вращения 1000 с-1,   9  10 31 103  0,1  3  10 8 ‰ . полученная ЭДС будет равна E  19 2  1,6  10 2 2 Три сотых микровольта ничтожная величина, поэтому, если даже Фарадей и проводил такой опыт, то он не смог бы замерить такую величину. Но в чем нет сомнения, так это в том, что он нашел бы объяснение этому факту и очень близкое к современной теории. Сумел же этот гениальный ученый высказать задолго до Максвелла догадку о волновой природе электричества, магнетизма и света! Эти идеи М. Фарадей изложил в письме, которое он отправил в Лондонское Королевское общество. По неизвестным причинам письмо Фарадея нераспечатанным пролежало в архивах этого общества более ста лет! Независимо от Фарадея его идеи открыл и изложил в строгой физикоматематической форме Джеймс Клерк Максвелл, который родился в год открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции. Этот факт не 30 умаляет заслуг Максвелла (теория электромагнитного поля носит его имя), а лишь подчеркивает гениальность и прозорливость Фарадея. Сам Максвелл говорил, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи гениального соотечественника. Итак, Фарадей доказал принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Более того, им были созданы первые электродвигатель и генератор. Конечно, это были маломощные и не пригодные для практического применения машины (гальванический элемент при той же мощности, что и униполярный генератор Фарадея, намного проще и удобнее в эксплуатации, не требует приводного механизма). В промышленности в то время господствовали паровые приводы: паровая машина вращала механический вал, от которого с помощью ременных передач получали движение рабочие механизмы. Как сказано в одном из учебников: "электропривод зарождался в недрах века пара". До энергетического кризиса, связанного с ограниченными возможностями центрального теплового двигателя, было еще далеко. Тем не менее, путь был указан, начались поиски конструктивных решений, позволяющих создать конкурентоспособную электрическую машину. Так как источник электричества уже существовал (гальванический элемент), то все стремились создать электродвигатель, именно, электродвигатель постоянного тока. Парадокс, но машину переменного тока (правда, генератор) создать было бы значительно проще. Нарушим историческую последовательность и рассмотрим принцип работы генераторов переменного и постоянного токов. Возьмем рамку, выполненную из проводящего металла (в 19-м веке все применяли медь), и разместим ее между полюсами магнита - рисунок 10. Концы рамки подсоединим к двум металлическим кольцам, расположенным на оси, вокруг которой они могут вращаться вместе с рамкой, но изолированным от этой оси. К контактным кольцам прижаты щетки, с помощью которых к машине можно подключать внешнюю нагрузку. Если вращать рамку по часовой стрелке, то в проводниках 1 и 2 при пересечении ими магнитных силовых линий будет наводится ЭДС, величина которой зависит от мгновенного положения рамки в магнитном поле: она равна нулю, если проводник скользит вдоль магнитных линий, и максимальна, когда проводник находится непосредственно под полюсом (пересекая максимальное количество магнитных линий). Если  - угол, составленный нормалью n к плоскости рамки и вектором индукции поля B , то магнитный поток сквозь рамку Ф  BS cos  Ф0 cos , где S - площадь рамки, а Ф0 - максимальное значение потока. При равномерном вращении рамки с угловой скоростью  , угол  изменяется по закону     t   0 и наведенная в рамке ЭДС dФ E  Ф0 sin   t   0   E0 sin   t   0  . dt 31 Таким образом, за один оборот рамки ЭДС один раз меняет знак, изменяясь по синусоидальному закону - получили генератор переменного тока (рис. 10). Если к щеткам контактных колец подсоединить нагрузку, в ней будет протекать переменный ток (направление тока в проводниках рамки указано стрелками). N N 1 2 1 2 _ + S + _ S а) получение переменного тока N N 1 2 _ _ 2 + 1 + S S б) получение постоянного тока Рис. 10. Принцип действия генераторов переменного и постоянного токов И здесь опять необходимо вспомнить Фарадея. В 1832 году Фарадей прислал в редакцию одного из лондонских научных журналов письмо, в котором описывалась следующая конструкция электрического генератора. Постоянные магниты устанавливались на вращающемся диске (их было 4). Под вращающимися магнитами помещались неподвижные обмотки, расположенные на стальном кольце, замыкающем магнитное поле. При 32 вращении диска его магниты наводят в неподвижных обмотках ЭДС, полярность которой меняется в соответствии с полярностью полюсов магнитов - то есть это генератор переменного тока. Фарадей указал, что это письмо он получил от неизвестного, который подписался инициалами Р.М. Почти через год в редакцию этого журнала пришло письмо от Р.М., который благодарил Фарадея за публикацию и предлагал более совершенную конструкцию генератора. В истории электротехники так и остался генератор "Р.М." Изобретатель неизвестен. Почему бы не предположить, что им был сам Фарадей, по каким-то причинам, скрывший свое авторство (а инициалы Р. М. - ну, допустим, Patent Maicls). Легко увидеть, что принцип образования напряжения в генераторе P. M. тот же самый, только вращаются магниты, а не проводники. Большое число витков в обмотках позволяет создать значительную ЭДС - то есть, это уже работоспособная машина. Если по такому же принципу создавать генератор постоянного тока, то напряжение на контактных кольцах не должно меняться по знаку, а ЭДС, наводимая в рамке, носит переменный характер. Для устранения этого противоречия концы рамки подсоединяют к двум полукольцам, разделенным слоем изолирующего материала. Это устройство называется коллектором. При вращении рамки к плюсовой щетке через каждую половину оборота подсоединяется то полукольцо, соединенное с проводником 2 рамки, то полукольцо, соединенное с проводником 1. При этом напряжение на щетках не меняется по знаку - получили генератор постоянного тока. Из описания работы этой простейшей конструкции видно, что генератор переменного тока имеет более простую конструкцию. Но, во-первых, как уже было сказано, стремились создать не генератор, а двигатель; а во-вторых, переменный ток оставался пока невостребованным. Мало того, многие ученые считали, что переменный ток никогда не найдет применения. Ампер говорил, что только постоянный ток является "настоящим" током. Знаменитый Томас Альва Эдисон считал переменный ток "вздором, о котором он и слышать не хочет!". Развитие электродвигателей постоянного тока Основные элементы всех электродвигателей: магнит и проводник с током. П. Барлоу по сути повторил опыт Фарадея (колесо Барлоу): между полюсами магнита помещается проводник - зубчатое колесо, один зубец которого находится в ванночке с ртутью. При прохождении тока через колесо оно поворачивается, электрическая цепь на мгновение разрывается, но в ртуть опускается следующий зубец звездочки, снова замыкая цепь, и т. д. У. Риччи: расположил в предложенном им электродвигателе между полюсами неподвижного магнита электромагнит, расположенный на вертикальной оси, которая могла вращаться. При пропускании тока через обмотку электромагнита его полюса притягивались к полюсам неподвижного магнита, и электромагнит поворачивался вокруг оси. Для продолжения вращения нужно было изменить полюса электромагнита - изменить 33 направление тока в его обмотке. Риччи создал ртутный коллектор: концы обмотки электромагнита подсоединялись к гальваническому элементу, скользя в ртутном желобе, который разделялся перегородкой на две части. Опять заметим, что Фарадей предложил более удобную и безопасную конструкцию скользящего контакта (щетка, скользящая по торцу диска в униполярном генераторе). Многие в своих конструкциях отталкивались от хорошо разработанного в паровых машинах принципа возвратно-поступательного движения поршня. Известен качательный электродвигатель Генри: расположенный горизонтально электромагнит мог поворачиваться (качаться) в вертикальной плоскости. Под полюсами электромагнита вертикально располагались постоянные магниты. Электромагнит имел две обмотки, каждая из которых создавала свою полярность его полюсов. Концы обмоток при соответствующем повороте электромагнита опускались в чашки с ртутью, подсоединяясь таким образом к гальваническому элементу (каждая к своему). В обмотке электромагнита, подсоединенной таким образом к гальваническому элементу, протекал ток. Одноименный с расположенным под ним полюсом постоянного магнита полюс электромагнита отталкивался от него, а противоположный полюс электромагнита притягивался к разноименному с ним полюсу постоянного магнита. Электромагнит поворачивался вокруг своей оси, концы обмотки выходили из ртути, разрывая контакт. При этом концы второй обмотки опускались в чашки с ртутью другого гальванического элемента, по этой обмотке проткал ток, меняющий полярность электромагнита, и т. д. Конечно, это были демонстрационные приборы мощность этих машин не превосходила 0,05 Вт. Основной итог этого этапа развития электродвигателей - доказано превосходство машин с вращательным движением. Двигатели переменного тока Механическая работа в стремительно развивающейся промышленности осуществлялась паровыми машинами и дорогими электродвигателями постоянного тока, для которых строились местные электростанции. Электромеханическое преобразование энергии оказывалось неэкономичным. Нужен был электродвигатель переменного тока. Но однофазный электродвигатель не решал проблемы. Получалось, что электротехника зашла в тупик. Наибольшую известность и наиболее строгие теоретические исследования выполнили независимо друг от друга инженер фирмы "Вестингауз" серб (по другим источникам - хорват) Николо Тесла и итальянский профессор физик Галилео Феррарис . Заявку на получение патента на многофазную систему Тесла подал 12 октября 1887 г. Лабораторные образцы двухфазных асинхронных электродвигателей Феррарис создал в 1885 г. 34 В чем состояла идея этих замечательных ученых? На пространственной диаграмме (рис. 11) ось X представляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из обмоток, а ось Y положительное направление вектора магнитной индукции (поля) другой обмотки. OB и OA - величины индукции этих полей для данного момента времени, OR - суммарная результирующая индукция. При изменении векторов Рис. 11. Принцип создания вращающегося магнитного поля OA и OB точка R будет перемещаться по кривой, форма которой определяется законами изменения во времени индукций этих полей. Если амплитуды индукций одинаковы, закон изменения - синусоидальный и поля сдвинуты относительно друг друга на 900, то геометрическим местом точки R будет окружность. Для получения вращающегося магнитного поля требуется получить два переменных тока, сдвинутых относительно друг друга по фазе. Принцип получения двухфазного тока показан на рисунке 12. 1 2 R1 S N R2 4 3 Рис. 12. Получение двухфазного тока Генератор переменного тока содержит две независимые (не соединенные друг с другом) обмотки: 1-3 и 2-4, размещенные на полюсах, 35 сдвинутых в пространстве на 900. Во внутреннем пространстве, образованном этими полюсами, вращается ротор (постоянный магнит). При пересечении витков обмоток магнитным полем в них наводится ЭДС, полярность которой меняется через каждые 1800 поворота ротора. Кроме того, ЭДС, наводимая в обмотке 2-4, будет отставать от ЭДС обмотки 1-3 на время, необходимое ротору для поворота на 900. E24  E0 sin(  t  900 ) , E13  E0 sin   t;  - угловая скорость вращения ротора. Если выводы обмоток подсоединить к нагрузочным сопротивлениям, то получим две цепи переменного тока, в которых протекают токи, сдвинутые относительно друг друга на 900. Это двухфазная система переменного тока (двухфазный ток) - рисунок 13. Так как для электрических явлений важна только разность потенциалов, то один из проводов, подсоединяющих нагрузку, можно сделать общим. 1 1 R1 E 1-3 R1 E 1-3 2-3 3 E 2-4 2 4 R2 E 2-4 R2 4 Рис.13. Двухфазная система токов Если потенциал провода 2-3 принять за нуль, то потенциал провода 1 (напряжение в линии 1) равен U1  E12 sin   t , а потенциал провода 4 U 4  E24 sin(  t  900 ). Напряжение между линиями 1 и 4 соответственно равно U14  E sin   t  E sin(  t  900 )  2 E sin 450 cos(  t  450 )   2 E sin(  t  450 ), так как E12  E24  E . Таким образом можно получить систему из трех однофазных токов, но третий будет отличаться по амплитуде и сдвигу фазы. Кроме того, уменьшение числа проводов до трех дает меньшую экономию металла, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода необходимо увеличить в 2 раз по сравнению с двумя другими проводами. 36 Технические решения Феррариса и Теслы проблемы получения двухфазного тока несколько отличались друг от друга. Описанный выше принцип близок к методике Теслы. С помощью двухфазного тока можно получить обратное преобразование - создать вращающееся магнитное поле - рисунок 14. Если к двухфазному генератору вместо нагрузочных сопротивлений подключить обмотки такой же по конструкции машины, то протекающий по ним переменный ток создаст переменные магнитные поля: H x  H 0 sin   t и HY  H 0 sin(  t  900 )   H 0 cos   t , сдвинутые относительно друг друга в пространстве, соответственно с расположением обмоток, и во времени, соответственно с временным сдвигом протекающих по ним токов. Абсолютная величина результирующего магнитного поля, созданное внутри машины взаимодействием этих полей, равняется 2 2 2 2 2 2 H 0  H X  H Y  H 0 sin   t  H 0 cos   t  H 0 . 1 HY 2 E2-4 H0 E 1-3 HX 4 3 Рис. 14. Получение вращающегося магнитного поля в двухфазном электродвигателе Вектор H 0 результирующего магнитного поля равномерно вращается в пространстве с угловой скоростью . Таким образом получается вращающееся 37 магнитное поле, подобное полю вращающегося постоянного магнита. Создав такую машину Феррарис разместил внутри ее ротор, представляющий собой полый медный цилиндр. Двухфазные асинхронные электродвигатели с полым ротором назвали двигателями Феррариса. Основное отличие опытов Тесла состояло в том, что он получал многофазный ток от многофазного источника (Феррарис пользовался фазосмещающими устройствами). Многофазный генератор Тесла имел магнитную систему из двух постоянных магнитов. В их магнитном поле вращались две взаимно перпендикулярные катушки, концы обмоток выводились на кольца. Генератор создавал два сдвинутых на 900 тока. От этих токов получали питание катушки возбуждения электродвигателя, также расположенные на его статоре перпендикулярно друг другу Ротор тоже имел подобную систему катушек, замкнутую саму на себя. Основным недостатком двигателя Тесла была полюсная система статора и ротора (выступающие полюса с сосредоточенными обмотками). Двигатель имел большое магнитное сопротивление, неравномерное распределение магнитного поля, плохие рабочие характеристики. Достаточно сказать, что пусковой момент зависел от начального положения ротора. Основное достоинство системы Тесла - идея создания многофазной системы из независимых токов. Основное достоинство системы Феррариса более удачная конструкция электродвигателя. Фирма Вестингауз (в которой работал Тесла) построила несколько электростанций двухфазного переменного тока (в том числе крупнейшая для того времени Ниагарская ГЭС - 1885 г.), но все попытки Тесла усовершенствовать ее (он получил 41 патент по двухфазной системе) не имели большого успеха. Что же касается Феррариса, то он, создав довольно удачную конструкцию двухфазного электродвигателя, пришел к выводу, что такая система не имеет перспектив для промышленного электропривода. Дело в том, что Феррарис (как и большинство других ученых) в своих разработках придерживался принципов работы слаботочной техники - злополучной теоремы о максимальной мощности приемника. В соответствии с режимом передачи приемнику (двигателю) максимальной мощности Феррарис создал электродвигатель, ротор которого имел сопротивление равное сопротивлению источника тока. Во-первых, такой электродвигатель мог вращаться со скоростью, равной половине скорости вращения магнитного поля, имел КПД меньше 50%, ротор во время работы нагревался до высоких температур. Ошибочное распространение методов слаботочной техники на мощные электротехнические установки и привело Феррариса к такому заключению. 38 Трехфазная система переменного тока В это же время в Европе работы над многофазными системами привели ученых к заключению, что минимальное число фаз должно равняться трем. Это установил немецкий инженер Ф. Хазельвандер. Он соединил генератор и двигатель постоянного тока, минуя их коллекторы (коллектор у этих машин выполняет взаимообратные функции), то есть соединял между собой те точки обмоток генератора и двигателя, от которых идут отпайки к коллекторным пластинам. Чтобы избежать вращающейся системы проводов, этот опыт делался на обращенных машинах (у которых якорь неподвижен, а полюса вращаются). Уменьшая число проводников (первоначально оно равнялось числу коллекторных пластин), Хазельвандер нашел минимальный вариант три провода. Его система тоже могла использоваться только для лабораторных опытов. Основоположником современной трехфазной системы считается Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который не только развил ее теорию, но и каждый элемент системы довел до практического применения. М.О. Доливо-Добровольский родился в городе Гатчине. С !878 года учился в Рижском политехническом институте, но за участие в студенческих волнениях в год убийства императора Александра II, был отчислен. Завершил образование в Высшем техническом училище города Дармштадта (Германия). Будучи одним из лучших студентов этого училища, он был оставлен работать в нем в должности ассистента, преподавал курс практической электрохимии (уже это говорит о его способностях - ассистент, ведущий самостоятельный курс, в то время это было редчайшим исключением). В 1888 году Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся поле и понял ошибку Феррариса, создававшего двигатель с большим сопротивлением ротора (равным сопротивлению питающей сети). Возможно ему помогло то обстоятельство, что сам Доливо-Добровольский делал опыты короткого замыкания обмотки якоря двигателя постоянного тока и знал, что при этом (несмотря на малое сопротивление) возникает большой тормозящий момент. Доливо-Добровольский решил создать ротор с малым сопротивлением. Самое малое сопротивление обеспечил бы ротор в виде медного цилиндра (у Феррариса и был такой), но медь не проводит магнитное поле (плохое взаимодействие с полем статора). Замена медного цилиндра стальным приведет возрастанию магнитного потока, но увеличит сопротивление. Доливо-Добровольский взял стальной цилиндр и в просверленные по его периферии каналы уложил медные стержни, которые на лобовых частях были соединены медными кольцами. Получился ротор с малым магнитным сопротивлением (сталь) и с малым сопротивлением обмотки (медь). Это и был знаменитый ротор с беличьей клеткой конструкция, которая принципиально не изменилась до настоящего времени. Для создания вращающегося магнитного поля Доливо-Добровольский решил использовать трехфазную систему (чем больше фаз, тем лучше распределение намагничивающей силы по окружности статора, а по минимальному расходу меди - это три фазы, как доказал Хазельвандер). 39 Доливо-Добровольский использовал его опыт, но ответвления сделал от трех равноотстоящих точек обмотки, получилась система токов с разностью фаз 1200, соединенная треугольником. Схема генератора трехфазного переменного тока представлена на рисунке 15. Генератор имеет три независимые обмотки, смещенные относительно друг друга на треть окружности статора. При вращении ротора (постоянного магнита на рисунке 15) в каждой из обмоток наводятся ЭДС, между которыми будет разность фаз 120 0 и 2400, что выражается формулами E1  E0 sin   t , E2  E0 sin   t  1200 , E3  E0 sin   t  2400  . Если каждую из обмоток замкнуть на нагрузочные сопротивления R1, R2, R3 , то получим три однофазных переменных тока, между которыми будет строго постоянная разность фаз, равная соответственно 120 0 и 2400. Такие три согласованных переменных тока и называются системой трехфазных токов. Число проводов, соединяющих генератор с нагрузкой, также, как и при двухфазном токе можно уменьшить, объединив по одному проводу в каждой цепи. Такая четырех проводная система называется соединением звездой. Найдем связь между напряжениями обмоток (фазными напряжениями) и напряжениями в линейных проводах, соединяющими генератор с нагрузкой. (линейными напряжениями). Напряжение, например, между проводами 1 и 3 равно:    E13  E0 sin   t  E0 sin   t  1200  2 E0 sin 600 cos   t  600   E0 3 sin   t  300   Таким образом, получили напряжения E1  E2  E3 с амплитудой E0 (фазные напряжения) и напряжения E12  E13  E23 с амплитудой 3E0 . Частота изменения всех напряжений одинакова и равна  . Данный вывод справедлив для разомкнутых цепей генератора (сопротивления нагрузки равны бесконечности). При конечных значениях сопротивлений нагрузки необходимо учесть уменьшение напряжений на потери внутри генератора. Если нагрузочные сопротивления одинаковы R1  R2  R3 , ток в проводах 40 R1 N 1 S 2 3 R2 R3 Рис.15. Схема получения трехфазного тока линий также одинаков. Ток в общем проводе равен сумме всех линейных токов:     I 0  I1  I 2  I 3  I 0 sin   t  I 0 sin   t  1200  I 0 sin   t  2400     I 0 sin   t  I 0 2 sin   t  180 cos 60  I 0 sin   t  I 0 sin   t  0. Таким образом, при симметричной нагрузке ток в общем проводе равен нулю, поэтому его и называют нулевым проводом. Его можно удалить и система будет продолжать работать (удалять нулевой провод можно даже при небольшой несимметрии в нагрузках). Для передачи энергии требуется три провода (рис. 16), система получилась симметричной, уравновешенной и экономичной (на три провода трехфазной системы требовалось на 25% металла меньше, чем на три в двухфазной). Явная экономия металла была одним из главных аргументов в пользу трехфазных систем. Возможно и другое соединение обмоток генератора – треугольником. На первый взгляд может показаться, что получилось короткое замыкание. Так было бы при соединении треугольником источников постоянного тока. Здесь соединяются переменные ЭДС, обладающие разностью фаз. Полная ЭДС «треугольника» равна:     E  E1  E2  E 3 E0 sin   t  E0 sin   t  1200  E0 sin   t  2400  0. 41 3 3 2 2 R2 R3 5 4 6 R1 1 1 2 R2 3 1 R3 R1 Рис. 16. Соединения звездой и треугольником трехфазной системы (как мы убедились при определении тока в нулевом проводе). Поэтому полная ЭДС треугольника равна нулю и не только нет короткого замыкания, но если нагрузка отсутствует, то в обмотках генератора вообще нет тока. Из рисунка ясно, что при соединении треугольником линейные напряжения равны фазным. В трехфазной системе возможны и комбинированные соединения: генератор звездой, а нагрузку - треугольником, или наоборот. Если при соединении звездой и несимметричной нагрузке в четырех проводной системе произойдет обрыв одного из линейных проводов, то будет отключена нагрузка, подсоединенная к этому проводу, на оставшихся нагрузках по-прежнему будут фазные напряжения и они будут работать нормально. Но если произойдет обрыв нулевого провода, то каждая пара нагрузочных сопротивлений будет соединена последовательно и включена на линейное напряжение. Это напряжение распределится пропорционально величинам последовательно соединенных сопротивлений, что может вызвать их выход из строя. По этой причине в нулевой провод никогда не ставят предохранители, а защищают сеть предохранителями, поставленными в линейные провода. Так как мы уже рассматривали получение вращающегося магнитного поля двухфазного тока, то не трудно представить, как получается вращающееся магнитное поле трехфазного тока (рис. 17). К трехфазному генератору вместо нагрузочных сопротивлений подключаются обмотки такой же по конструкции машины, протекающий по ним переменный ток создаст переменные магнитные поля: H1  H 0 sin   t , H 2  H 0 sin(  t  1200 ) , H 3  H 0 sin(  t  2400 ) , 42 Y H  H2 X H1 H3 Рис. 17. Вращающееся магнитное поле трехфазного тока: сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 1200, соответственно с расположением обмоток, и во времени, соответственно с временным сдвигом протекающих по ним токов. Абсолютная величина результирующего магнитного поля, созданная внутри машины взаимодействием этих трех магнитных полей, равняется: H 0  H X2  H Y2  H1x  H 2 x  H 3 x 2  H1 y  H 2 y  H 3 y 2       2 1 1  0   H 0 sin   t  H 0 sin   t  120  H 0 sin   t  240   2 2    3 3   0  H 0 sin   t  120 0  H 0 sin   t  240 0 2 2   2        2  2 3 3   3    H 0 sin   t     H 0 cos   t   H 0 . 2 2   2  Угол , образованный вектором H  и осью Y, определяется из соотношения tg  Hx  tg  t , следовательно     t . Hy Почему такие электродвигатели назвали асинхронными? Дело в том, что в таком электродвигателе ротор всегда вращается со скоростью меньшей скорости вращения магнитного поля (иначе не будет пересечения проводниками обмотки ротора магнитных силовых линий, не будет индуцироваться ток в роторной обмотке, не будет создаваться вращающий момент). Поэтому, в отличие от синхронной машины, в которой скорости 43 вращения поля и ротора всегда одинаковы, такую электрическую машину назвали асинхронной. Для передачи трехфазного тока на большие расстояния требовалось осуществить ее трансформацию (повысить напряжение в линии передачи). Можно было использовать три однофазных трансформатора, но это было слишком дорого. Доливо-Добровольский в 1889 г. изобрел трехфазный трансформатор. Используя различные конструкции сердечника (радиальную, призматическую), он остановился на параллельном расположении трех стержней в одной плоскости. Такая конструкция обеспечивала минимальный расход железа (по магнитным свойствам несколько уступая призматической) и сохранена до настоящего времени. Различный характер нагрузки (осветительная, двигательная) требовал разных по величине напряжений. Доливо-Добровольский разработал четырехпроводную схему трехфазной сети (звезда с нейтральным проводом), в которой можно использовать два разных по величине напряжения: линейное и фазное. Он также указал, что вместо нулевого провода можно использовать землю. Для регулирования напряжения в отдельных фазах он изобрел трехфазный автотрансформатор. Асинхронные двигатели и получение вращающегося магнитного поля. Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник). По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали. Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 °. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт 44 собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться. Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением: Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор вслед за магнитным полем. Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя: В каждой фазной обмотке статора двигателя переменного тока создается магнитное поле, которое пульсирует вдоль оси этой обмотки. Однако, эти пульсации сдвинуты во времени на 1/3 периода (120 градусов) Сложение пульсирующих векторов 3х обмоток в каждый момент времени формируют по правилу параллелограмма (рис. 18). 45 Рис. 18. Сложение пульсирующих векторов 3х обмоток После поверхностного знакомства с задачами и структурой энергетики и электроэнергетики, с физическими и научными основами теплотехники и электротехники, с историей их развития перейдём к описанию технических решений, позволяющих практически использовать энергию в производстве и быте. Несмотря на удобство использования в технологических процессах электрической энергии, на её преимущества при передаче и распределении, в наличии которых вы убедились при изучении предыдущих материалов, она является лишь одной из подсистем энергоснабжения промышленных предприятий и обеспечения энергией быта людей. Для жизни и деятельности людей важнейшее значение имеет ТЕПЛОВАЯ энергия. Более 70% всего количества электроэнергии в настоящее время производится тепловыми электростанциями. А тезис «Людям не нужны киловатты – им нужен горячий душ и холодное пиво» подтверждает факт приоритета тепловой энергии при очевидной важности всех других видов энергообеспечения. 46 СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ Энергоснабжение – это обеспечение предприятий и домохозяйств различными видами энергии. Систему энергоснабжения образует комплекса установок и устройств, которые обеспечивают потребности в энергии технологических процессов производства и жизнедеятельности населения. При этом энергоносители должны отвечать установленным критериям качества (температура, давление, интенсивность подачи, влажность для воздуха, чистота для воды …) и обеспечивать необходимый уровень надёжности (пределы отклонения параметров от нормы, бесперебойность). Система энергоснабжения промышленных предприятий, объектов жилищно-коммунального хозяйства состоит из набора отдельных подсистем энергоснабжения, каждая из которых обеспечивает подачу конкретного вида энергоносителя: электроснабжения; теплоснабжение (отопительное водоснабжение, горячее водоснабжение, снабжение горячим паром); снабжение топливом (твёрдым – каменный уголь, жидким – мазут, газообразным – природный газ); водоснабжение (и водоотведение); воздухоснабжение. Особенно отметим, что все эти виды энергообеспечения абсолютно необходимы для электрогенерирующих установок – тепловых и атомных электростанций. Около 30 % необходимой теплоты, более 90% электроэнергии, 100% любого топлива предприятия и домохозяйства получают из энергосистем соответствующего профиля. Остальные энергоносители потребители получают на своих или районных специальных энергетических станциях (СЭС). Такая станция представляет собой единый технологический комплекс, связывающий: сооружения и установки, обеспечивающий приём от энергосистем энергоресурсов, их преобразование, аккумулирование; энергетические станции для выработки остальных энергоресурсов, обеспечения их заданных параметров (ТЭЦ, котельные, насосные, компрессорные); трубопроводные системы, обеспечивающие транспортировку и распределения между местными потребителями энергоносителей и энергоресурсов; утилизационные установки и станции, производящие энергоносители за счёт использования вторичных энергетических ресурсов 47 (котлы-утилизаторы, теплообменники, установки очистки сточных вод для повторного использования). Потребители тепловой энергии Таковыми являются устройства отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; тепловые технологические аппараты и устройства; силовые технологические агрегаты. Отопление – это обогрев помещений с целью возмещения тепловых потерь (надо предусмотреть их снижение!) и поддержания на заданном уровне температуры для теплового комфорта людей или удовлетворения требований технологического процесса (теплица). Тепло в помещения подаётся через отопительные приборы, внутри которых циркулирует теплоноситель – горячая вода (в жилых, общественных и промышленных зданиях) или пар (иногда только в промышленных зданиях). Вентиляция позволяет поддерживать внутри помещения состав воздуха, регламентированный санитарными нормами, либо требуемый технологическим процессом (например, сушки зерна). В процессе вентиляции из объёма удаляется воздух с температурой и влажностью, равными внутренней температуре (и влажности) помещения, а вместо него поступает холодный воздух с наружной температурой и соответствующей влажностью. Чтобы не вызвать понижения температуры внутри вентилируемого объёма, холодный воздух подогревают в специальных устройствах – калориферах. Для осуществления процесса подогрева требуется тепловая энергия. Горячее водоснабжение для мытья посуды на пищевых предприятиях, для бытовых целей требует подогрева воды до температуры не ниже 60 и не выше 75 градусов Цельсия. Тепловые технологические аппараты и устройства служат для подогрева твёрдых, жидких и газообразных веществ, для сушки различных материалов (древесины), изделий и продуктов (зерна). К ним относятся и реакторы для поддержания химических реакций, осуществления фазовых переходов. В них часто используются насыщенный или перегретый пар и вода в качестве не только теплоносителей, но и компонентов производимой продукции (например, пищи – кулеры, кипятильники). Силовые технологические агрегаты – это производственное оборудование с паровыми машинами или турбинами (турбогенераторы электростанций). Для таких агрегатов водяной перегретый пар является теплоносителем и одновременно рабочим телом. Вид и параметры теплоносителя зависят от характеристик потребителя тепловой энергии и режима её потребления во времени. Количество потребляемого тепла называется тепловой нагрузкой. Её подразделяют на сезонную и круглогодичную. 48 Сезонная нагрузка имеет постоянный суточный и резкопеременный годовой графики (рис.19). Рис.19. Годовой график расходования теплоты на отопление и вентиляцию (по месяцам года) Круглогодичной нагрузкой характеризуются технологические потребители и горячее водоснабжение. Их теплопотребление характеризуется большой неравномерностью как в течение суток, так и в течение месяца и года (рис.20 и 21). Рис.20. График суточного расхода теплоты промышленного предприятия при односменном режиме работы и неизменном выпуске продукции Рис.21. Суточный график расхода теплоты на горячее водоснабжение Из последних графиков видно, что имеются два характерных пика: утренний и вечерний. 49 В целях установления экономичного режима работы оборудования теплоприёмника, распределительной сети и источника теплоснабжения, определения необходимого количества выработки тепловой энергии – всей системы, которую мы исследовали ранее с помощью балансовой модели внутрисистемных связей (модели В.В. Леонтьева) – используют график продолжительности тепловых нагрузок (рис.22). Рис.22. График продолжительности тепловой нагрузки На графике рис. 22 – ось абсцисс – число часов в году, на оси ординат отложена мощность, используемая в течение временного промежутка времени (если линия графика наклонная, можно говорить о краткости этого временного отрезка). Кривая АВ представляет график продолжительности суммарной тепловой нагрузки в течение отопительного периода n0, и зависит от климатических условий данной местности. В периоды без отопления помещений основным видом теплового потребления являются технологическая нагрузка и горячее водоснабжение, которые не являются функцией наружной температуры и отображаются прямой BF. Площадь, ограниченная осями координат и кривой ABF, выражает в установленном масштабе годовой объём теплоты, отпущенной потребителям Qгод. Базовую (постоянную по уровню) часть графика продолжительности суммарной тепловой нагрузки составляют круглогодичные нагрузки (технологические нагрузки и горячее водоснабжение), а переменную часть графика – сезонные нагрузки (отопление и вентиляция). Продолжительность максимальных (пиковых) нагрузок относительно небольшая, так как продолжительность низких температур наружного воздуха составляет 10…15% продолжительности отопительного периода. В зависимости от климатической зоны продолжительность отопительного сезона составляет от 2500 до 6000 часов в год (для Нижнего Новгорода – 5160 часов, 215 суток). Если тепловая нагрузка потребляется от ТЭЦ, то наибольшая экономия топлива достигается при условии, что отборами пара от турбины обеспечивается только часть расчётной тепловой нагрузки, а для покрытия остальной тепловой нагрузки используются пиковые водогрейные котлы. Долю расчётной тепловой нагрузки ТЭЦ, удовлетворяемую из отборов турбин, называют коэффициентом теплофикации 50  ТЭЦ  Q Q отб .  На рис. 22 показано распределение тепловой нагрузки ТЭЦ между отборами турбин и пиковыми водогрейными котлами. При максимальной нагрузке пиковые котлы отпускают часть расчётной нагрузки, эквивалентной площади ACD (примерно 50%). От годового объёма теплоты эта доля не превышает 15…18%. Оптимальная величина  ТЭЦ зависит от множества факторов: совершенства оборудования ТЭЦ и котельных, удельных капитальных вложение в их сооружения, вида и стоимости топлива, характера графика тепловой нагрузки и резерва электрической мощности в энергосистеме, и находится обычно в пределах от 0,4 до 0,7. И ТЭЦ, и водогрейные котлы получают тепловую энергию от котельной установки, показанной на рис. 23. Рис. 23. Технологическая схема паровой промышленной котельной: 1- насос сырой воды; 2- теплообменник непрерывной продувки; 3подогреватель сырой воды; 4- система химводоочистки; 5- подогреватель химически очищенной воды; 6- деаэратор; 7- питательный насос; 8- паровой котёл; 9- сепаратор непрерывной продувки; 10- конденсатный бак; 11конденсатный насос; 12- подогреватель сетевой воды; 13- охладитель конденсата; 14- сетевой насос Ниже мы ещё раз рассмотрим эту схему как комплекс большого количества технологических установок, связанных между собой технологией производства пара и горячей воды. Системы теплоснабжения классифицируются на водяные и паровые. 51 Водяные системы теплоснабжения применяют для обеспечения отопительно-вентиляционной нагрузки, нагрузки горячего водоснабжения и промышленной технологической нагрузки низкого потенциала с температурой ниже 100 градусов Цельсия. Водяные системы теплоснабжения делятся на закрытые и открытые (рис.24 и 26). В закрытых системах вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только как теплоноситель. В открытых системах вода, циркулирующая в тепловой сети, используется как теплоноситель и частично или полностью отбирается из сети для горячего водоснабжения и технологических целей. Закрытые системы, в свою очередь, делятся на зависимые и независимые. В зависимых системах к абонентским установкам поступает сетевая вода, а независимых – вторичный теплоноситель, который нагревается в теплообменниках сетевой водой, поступающей по тепловой сети от источника теплоснабжения. Абонентские установки – это установки, потребляющие тепловую энергию: отопительные приборы, теплообменные аппараты, водоразборные краны. В зависимости от числа параллельно проложенных трубопроводов, транспортирующих теплоноситель, водяные системы теплоснабжения делятся на однотрубные и много трубные. Минимальное число трубопроводов в открытой системе теплоснабжения – один, в закрытой системе – два. 52 Рис. 24. Применяемые структуры закрытых водяных систем теплоснабжения: а – зависимая отопительная установка без смешения; б – зависимая отопительная установка с элеваторным смешением; в – зависимая отопительная установка с насосным смешением; г – независимая отопительная установка; д – независимая установка горячего водоснабжения с верхним аккумулятором; е – параллельная установка горячего водоснабжения и отопления по зависимой схеме с элеваторным смешением; ж – двухступенчатая последовательная установка горячего водоснабжения и отопления по зависимой схеме с элеваторным смешением; 1- отопительный прибор; 2- воздушный кран; 3- элеватор; 4- насос; 5теплообменник; 6- расширительный бак; 7- аккумуляторный резервуар горячей воды; 8- водоразборный кран; 9- регулятор температуры Схемы б) и в) чаще применяют для присоединения отопительных приборов жилых и общественных зданий. В них предусмотрены смесительные устройства: элеватор – струйный насос 3 или центробежный насос 4, позволяющие подмешивать к горячей воде из подающего трубопровода охлаждённую воду из обратной линии. Конечно, в отопительные приборы при этом подаётся сетевая вода с пониженной температурой. Устройство элеватора показано на рис.25. Принцип его работы многократно описан на электронных ресурсах. 53 Рис.25. Элеватор (струйный насос): 1- патрубок высокого давления; 2- сопло; 3- приёмная камера; 4- камера смешения; 5- диффузор; 6- патрубок низкого давления Основные достоинства закрытых водяных систем теплоснабжения: - стабильное качество горячей воды, поступающей в абонентские установки; - упрощение оборудования котельных и уменьшение эксплуатационных затрат на производство тепловой энергии за счет небольшой величины подпитки тепловой сети наружной водой. Основные недостатки закрытых водяных систем теплоснабжения: сложность оборудования и эксплуатации абонентских вводов горячего водоснабжения; коррозия местных установок горячего водоснабжения и выпадение накипи в водо-водяных подогревателях, а также в трубопроводах местных установок горячего водоснабжения из-за поступления в них неподготовленной водопроводной воды. Особенности открытых систем теплоснабжения (рис. 8) заключаются в способах подключения установок горячего водоснабжения. Схемы подключения систем отопления к открытым системам теплоснабжения не отличаются от схем, применяемых в закрытых системах. Основные достоинства открытых водяных систем теплоснабжения: упрощение и удешевление абонентских вводов и повышение долговечности местных установок горячего водоснабжения; возможность использования для транспорта теплоносителя однотрубных линий. Основные недостатки открытых водяных систем теплоснабжения: усложнение и удорожание оборудования котельных и увеличение эксплуатационных затрат на производство тепловой энергии из-за необходимости сооружения водоподготовительных установок и подпиточных устройств; усложнение санитарного контроля за системой теплоснабжения. 54 Рис.26. Примеры построения открытых водяных систем теплоснабжения: а – зависимая отопительная установка без смешения; б – зависимая установка горячего водоснабжения с верхним аккумулятором; в –несвязанные установки горячего водоснабжения и отопления по зависимой схеме со струйным смешением; дополнительные (к схеме на рис. 6) обозначения: 10- смеситель; 11- обратный клапан Паровые системы теплоснабжения (рис. 27) сооружают двух типов: с возвратом конденсата и без возврата конденсата. В первых конденсат отводится из тепловых приборов абонентов в сборные баки, откуда подаётся по конденсатопроводу на электростанцию. В системах без возврата конденсата он отводится из тепловых приборов абонентов и используется в абонентских установках для горячего водоснабжения, либо сбрасывается в дренаж. По числу параллельно проложенных паропроводов паровые системы делятся на однотрубные и многотрубные. Однотрубные применяют в случаях, когда всем потребителям требуется пар одного давления, тепловая нагрузка постоянна в течение круглого года и допустимы перерывы в подаче пара потребителям. Возврат конденсата в котельную требует сооружения конденсатосборной системы, которая состоит из конденсатосборной сети, конденсатоотводчиков и сборного бака с насосами. Целесообразно возвращать конденсат только из таких аппаратов, как поверхностные теплообменники, в которых нагреваемой средой является вода. Проникновение этой воды в конденсат вследствие возможных неплотностей и утечек в теплообменнике может только повысить жёсткость (содержание солей) конденсата, что контролируется химическим анализом. 55 Рис.27. Примеры построения однотрубных паровых систем теплоснабжения: а – схема подключения паровой отопительной установки по зависимой схеме с возвратом конденсата; б – водяная отопительная установка по независимой схеме с возвратом конденсата; в – установка горячего водоснабжения по независимой схеме с возвратом конденсата; г – теплоснабжение технологических аппаратов с возвратом конденсата; д – теплоснабжение технологических аппаратов без возврата конденсата Тепловые сети являются одним из узлов комплекса сооружений системы централизованного теплоснабжения. Они классифицируются по категориям: магистральные – от источника тепла до территории промышленных предприятий и микрорайонов населённых мест; распределительные – от магистральных тепловых сетей по территории промышленных предприятий и микрорайонов населённых мест до узлов ответвлений тепловых сетей к отдельным зданиям; ответвления к отдельным зданиям – от распределительных тепловых сетей до ввода в здание. В зависимости от взаимного размещения источников тепла (и их количества) и потребителей (с учётом требований к надёжности их теплоснабжения) схемы тепловых сетей могут быть радиальными (рис. 28) или кольцевыми (рис. 29). 56 Рис. 28. Радиальная тепловая сеть Рис. 29. Кольцевая тепловая сеть Источники теплоснабжения подразделяются на: 1) индивидуальные котлы и печи для отопления отдельных квартир и комнат; 2) индивидуальные котельные отдельных зданий; 3) квартальные и групповые котельные для теплоснабжения жилых домов или общественных зданий; 4) котельные предприятий (промышленные) для теплоснабжения предприятия, части его жилого фонда, а иногда – соседних предприятий; 5) районные котельные для снабжения теплом потребителей района, включая промышленные предприятия, общественные и жилые здания; 6) теплоэлектроцентрали, обеспечивающие теплотой предприятия, общественные и жилые здания, а также вырабатывающие значительное количество электроэнергии. Эти группы источников теплоснабжения характеризуются уровнем централизации и масштабами теплоснабжения. 57 Выработка тепловой энергии котельной установкой осуществляется в технологическом процессе, в котором происходит преобразование химической энергии топлива при его сжигании в тепло газообразных продуктов сгорания, передача тепла рабочей среде – воде, которая меняет в паровых котлах своё агрегатное состояние, а в водогрейных котлах – только энтальпию (теплосодержание). Наряду с выработкой тепловой энергии в котельной установке осуществляется подготовка теплоносителя с заданными параметрами и отпуск его в систему теплоснабжения. Для удобства изучения ещё раз на рис. 30 разместим ранее приведенную на рис. 23 технологическую схему промышленной паровой котельной. Рис. 30 (Рис. 23) Технологическая схема паровой промышленной котельной: 1- насос сырой воды; 2- теплообменник непрерывной продувки; 3подогреватель сырой воды; 4- система химводоочистки; 5- подогреватель химически очищенной воды; 6- деаэратор; 7- питательный насос; 8- паровой котёл; 9- сепаратор непрерывной продувки; 10- конденсатный бак; 11конденсатный насос; 12- подогреватель сетевой воды; 13- охладитель конденсата; 14- сетевой насос Вырабатываемый в котле 8 пар отпускается в паровые и водяные сети и частично используется на собственные нужды котельной для подогрева воды в деаэраторе 6, сырой воды в подогревателе 3 и химически очищенной воды в подогревателе 5. В водяных тепловых сетях основное регулирование отпуска тепловой энергии осуществляется централизованно. При необходимости, для 58 корректировки центрального регулирования, в водяных тепловых сетях может производиться дополнительное местное или индивидуальное регулирование. Система водоснабжения – это комплекс сооружений, оборудования и трубопроводов, обеспечивающий забор воды из источника, её очистку, транспортировку и подачу потребителям. Если источник воды не является природным (или является смешанным), то система должна водоснабжения должна производить также охлаждение, специальную обработку, а также приём отработавшей воды и подготовку её для повторного использования. Насосная станция водоснабжения – комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий водоподачу в соответствии с нуждами потребителей. Упрощенная структурная схема станции показана на рис. 31. Рис. 31. Структурная схема водопроводной станции: 1- водозаборное сооружение; 2- насосная станция 1-го подъёма; 3насосная станция дополнительного подъёма; 4- очистные сооружения; 5резервуары чистой воды; 6- насосная станция 2-го подъёма Насос – гидравлическая машина, создающая напорное перемещение жидкости при сообщении ей кинетической энергии. На насосных станциях систем водоснабжения наибольшее распространение получили центробежные насосы (рис. 32). Рис. 32. Схема центробежного насоса: 1- корпус насоса; 2- рабочее колесо; 3- патрубок всасывающего трубопровода; 4- патрубок напорного трубопровода 59 Основными параметрами режима насоса являются подача Q, напор H, потребляемая мощность N, коэффициент полезного действия и число оборотов n. Из указанных параметров режима подача и число оборотов являются независимыми переменными, остальные – их функциями, в которые входят еще и параметры системы, зависящие от конструкции насоса. Характеристики насосов обычно представляются в виде функциональных зависимостей напора, мощности и КПД от подачи насоса при одном и нескольких значений числа оборотов. На рис. 33 изображены рабочие характеристики центробежного насоса при постоянном числе оборотов. Система «насос – трубопровод» должна быть настроена так, чтобы рабочие параметры насоса не выходили за пределы зоны рекомендуемых подач насоса, которая обозначена извилистыми вертикальными чёрточками на характеристике Q-H. За этими пределами насосы работают с низкими значениями КПД, при этом возможна перегрузка насосного агрегата и перегрев приводного электродвигателя. Рис. 33. Рабочие характеристики центробежного насоса Характеристикой трубопровода называется зависимость требуемого напора от расхода в трубопроводе водопроводной сети. Графическая характеристика приведена на рис. 34. Рис. 34. Совместная работа насоса и трубопровода Эта характеристика описывается выражением 60 H где 2 С  H Г  SQ , C - напор в начале трубопровода, м; - геометрическая высота подъёма воды, м; H С H S - гидравлическое сопротивление трубопровода, м/(м3/ч)2; Q - расход воды в водопроводной сети, м3/ч; S Q = h – потери напора в трубопроводе, м, пропорциональные Г C C квадрату расхода воды. Регулированием насоса называют преднамеренное изменение подачи и напора в соответствии с новым режимом работы системы водоснабжения. Для регулирования центробежных насосов широкое применение получили два способа: дросселирование (введение дополнительного гидравлического сопротивления) и изменение частоты вращения рабочего колеса насоса. Принципы такого регулирования демонстрирует рис. 35. Рис. 35. Регулирование режима работы центробежного насоса В качестве охлаждающих устройств в оборотных системах водоснабжения промышленных предприятий распространение получили вентиляторные градирни, башенные градирни (см. рис. 36), теплообменные аппараты воздушного охлаждения (сухие градирни), брызгальные бассейны, водохранилища-охладители. 61 Рис. 36. Башенная градирня: 1- градирня; 2- распределительный жёлоб; 3- оросительное устройство; 4бассейн охлаждающей воды; 5- подвод нагретой (охлаждаемой) воды; 6- отвод охлаждённой воды; 7- холодный воздух; 8- нагретый влажный воздух В сточных водах могут содержаться шламы, кислоты, масла, органические вещества и поверхностно-активные (моющие). Производится локальная очистка стоков от специфических загрязнений данного производства, а затем – централизованная очистка от общих для большинства установок загрязнений. Очистку от механических примесей природных и сточных вод осуществляют в специальных сооружениях для осветления воды. В системах технического водоснабжения в качестве первой ступени осветления используют горизонтальные (рис. 37) и радиальные отстойники, гидроциклоны и фильтры. Рис. 37. Горизонтальный отстойник очистной системы: а- продольный разрез; б – отстойник в плане; 1- зона осаждения осадка; 2- зона накопления осадка 62 Система воздухоснабжения (рис. 38) промышленного предприятия предназначена для централизованного обеспечения промышленных потребителей сжатым воздухом требуемых параметров и в соответствии с заданным расходом и графиком потребления. Рис. 38. Централизованная радиальная система снабжения потребителей сжатым воздухом: 1- компрессорная станция; 2- распределительная сеть; 3- потребители сжатого воздуха Система воздухоснабжения включает в себя компрессорные (рис. 39) и воздуходувные станции, трубопроводный и баллонный транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителям, воздухосборники-ресиверы и распределительные устройства сжатого воздуха самого потребителя. Рис. 39. Схема компрессорной станции с поршневыми компрессорами: 1- воздухозаборное устройство; 2- электропривод компрессора; 3первая ступень компрессора; 4- промежуточный холодильник; 5- вторая ступень компрессора; 6- концевой холодильник; 7- влагомаслоотделитель; 8ресивер Сжатый воздух на промышленных предприятиях используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки стали и чугуна, получения кислорода в воздухоразделительных установках) и силовому (для привода различных машин и механизмов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, кузнечном и других производствах). 63 На производство сжатого воздуха, в зависимости от профиля предприятия, может затрачиваться от 5 до 30% общего расхода электроэнергии. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА Из вышесказанного следует, что для обеспечения производственных процессов и жизнедеятельности населения требуется множество энергоносителей. Даже в нашу городскую квартиру подаются такие энергоносители, как отопительная горячая вода, холодная очищенная вода, горячая помывочная вода, природный газ и конечно, электроэнергия. Для сравнения, в японский небоскрёб подаётся только электроэнергия (как и во множество наших дачных домиков). При этом, энергоснабжение японского небоскрёба обеспечивается индивидуальной для дома водяной скважиной с системой водоподготовки, электродным водонагревательным котлом, электрическими приборами отопления и вентиляции. Очевидно, что электроэнергетика является связующим элементом (топливо – основной элемент) всех систем энергоснабжения. Заметим, что в городах используют трубопроводный способ передачи тепловой энергии от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Однако, КПД трубопроводов теплопередач не более 70%, при больших расстояниях передачи теплоносителя целесообразнее использовать электробойлеры. Режимы работы электроустановок характеризуются графиками нагрузки. Это диаграмма изменения нагрузки электроустановки во времени (Т). Текущие (рис. 40, а) графики отражают временные параметры в течение суток или года. Графики по продолжительности (рис. 40, б) отражают длительность работы электроустановки с различными нагрузками. Графики нагрузки являются основой для управления системой электроснабжения и планирования мероприятий по её совершенствованию. Рис. 40. Текущий график нагрузки и график по продолжительности Ступенчатый график нагрузки (рис. 41) позволяет определить её минимальный и максимальный уровни. На графиках потребителей выделяют характерные зоны (базовая, полубазовая и пиковая). Обозначенная Рср разделяет полубазовую и пиковую зоны. 64 Рис. 41. Ступенчатый суточный график нагрузки потребителей Графики нагрузки энергосистем (рис. 42) позволяют выделить зоны: базисную с минимальной ночной потребляемой мощностью, полупиковую с минимальной дневной потребляемой мощностью и пиковую, ограниченную максимальной нагрузкой. Рис. 42. Плавный суточный график нагрузки энергосистемы Электроэнергию можно централизованно производить на мощных электростанциях. На рис. 43 приведена схема энергоблока паротурбинной конденсационной (КЭС) электростанции. 65 Рис. 43. Технологическая схема энергоблока КЭС Теплофикационные (ТЭЦ) электростанции отличаются от КЭС возможностью снабжать потребителей не только электрической, но и тепловой энергией в виде горячей воды и пара, как показано на рис. 44. 66 Рис. 44. Часть технологической схемы ТЭЦ Электроэнергию, произведенную на ТЭЦ передают посредством электрических систем, аналогичных системам КЭС (рис. 45). Рис. 45. Электрическая схема энергоблока ТЭЦ 67 Для местного электроснабжения или для покрытия пиковых нагрузок в сетях с ТЭЦ используют газотурбинные станции – ГТУ (рис. 46), установки которых работают на жидком топливе или газе, обеспечивая мощность 50-100 МВт. Рис. 46. Технологическая схема энергоблока ГТУ Топливо сжигается в камере сгорания КС, дымовые газы с температурой 650-700 градусов Цельсия поступают в газовую турбину Т. На одном валу с турбиной расположены: компрессор К, синхронный генератор Г и пусковой двигатель Д. Сжатый воздух СВ подаётся в камеру сгорания для повышения эффективности и регулирования интенсивности горения топлива. Атомные электростанции (АЭС) позволяют разгрузить транспорт от перевозок топлива, обладают единичной мощностью до 2 000 МВт (сравните с полной мощностью Нижегородской ГЭС – 540 МВт), производство электроэнергии не сопровождается выбросом вредных газов. АЭС являются тепловыми паротурбинными станциями, использующими в качестве источника энергии процесс деления атомов урана. Один из основных элементов АЭС – реактор. В России используются реакторы на тепловых нейтронах (водо-водяной энергетический реактор – ВВЭР; реактор большой мощности канального типа – РБМК) и на быстрых нейтронах – БН. Реактор и парогенератор располагают в отдельных изолированных помещениях. На рис. 47 представлена технологическая схема энергоблока двухконтурной АЭС с реактором типа ВВЭР. Рис. 47. Технологическая схема энергоблока двухконтурной АЭС 68 Главными циркуляционными насосами ГЦН вода первого радиоактивного контура подаётся в трубки реактора. Нагретая вода НВ в виде паровой смеси поступает в сепараторы (разделители) С, где разделяется на жидкую и газовую фракции. В верхней части собирается насыщенный пар НП, который возвращается в реактор. Там он подогревается и высушивается, превращаясь в перегретый пар ПП, который поступает в парогенератор, состоящий из последовательных теплообменников. Пройдя последний теплообменник, конденсат К вместе с водой из сепаратора вновь поступает в реактор. Для восполнения утечек в сепаратор подаётся добавочная вода ДВ. Питательная вода второго контура, поступающая из машинного зала, где установлены паровые турбины, подаётся сначала в подогреватель конденсата ПК, затем в парогенератор насыщенного пара ПНП. Насыщенный пар поступает в пароперегреватель ПП, из которого перегретый пар поступает в паровую турбину. В части машинного зала схема АЭС аналогична схеме конденсационной тепловой электростанции. В электрической части атомные электростанции тоже аналогичны КЭС, поскольку работают в базисной части графика нагрузки энергосистемы (регулирование выходной мощности не используется в целях безопасности). Покрытие пиковых нагрузок энергосистемы и снижение себестоимости производства электроэнергии обеспечивают гидроэлектростанции (ГЭС). На равнинных реках напор воды создаётся плотиной (рис. 48). Рис. 48. Плотина на равнинной реке Вместе с низкой себестоимостью электроэнергии (до 10 раз ниже, чем ТЭС), с небольшой потребностью её на собственные нужды, большим достоинством ГЭС является возможность регулирования генерируемой электрической мощности в большом диапазоне и с минимальными затратами (рис. 49). 69 Рис. 49. Участие электростанций в формировании суточного графика производства электроэнергии Электрические генераторы ГЭС относятся к тихоходным электрическим машинам (60-750 об/мин) в зависимости от напора и расхода воды. Большинство гидроагрегатов имеют вертикальное расположение вала с размещением генератора (рис. 50) над гидравлической турбиной – машиной, выполняющей функции, обратные функциям центробежного насоса. Рис. 50. Гидрогенераторы подвесного и зонтичного типа: 1- ротор, 2- статор, 3- верхняя крестовина, 4- нижняя крестовина, 5- верхний направляющий подшипник, 6- подпятник, 7- нижний направляющий подшипник Как уже указывалось, для получения электроэнергии, в основном, используются не возобновляемые энергоресурсы. Причина этого заключается в том, что, например, гидроэлектростанцию можно построить только там, где есть вода (река, море), а угольную, атомную или газовую - в любом месте. Экономически же пока более целесообразно транспортировать топливо, именно, природный газ, а не уже полученную электрическую энергию (рис. 51). 70 Рис. 51. Зависимость удельной стоимости передачи электроэнергии по сравнению со стоимостью транспортировки разных видов топлива Источники электроэнергии и ее потребители разделены между собой большими расстояниями. Передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется по линиям электропередач. Потери мощности, которыми сопровождается передача электроэнергии обратно пропорциональны квадрату напряжения в линии и прямо пропорциональны ее длине. Стоимость сооружения ЛЭП пропорциональна величине передаваемого напряжения. Поэтому стремятся повысить величину напряжения в линии. В настоящее время широко распространены ЛЭП - 500, обеспечивающие передачу электроэнергии мощностью до 1000 МВт на расстояние до 1000 км. Опытные линии электропередач ЛЭП -750 передают мощность для 2500 МВт на расстояние до 1500 км. Опробована ЛЭП - 1150 с передаваемой мощностью 5000 МВт. Повышение напряжения линии существенно увеличивает затраты на ее строительство (увеличивается высота опор, качество изоляторов, ширина полосы отчуждения), возрастают потери напряжения на индуктивных и емкостных сопротивлениях линии. Если передавать электроэнергию на постоянном токе, то потери электроэнергии уменьшатся (отсутствует поверхностный эффект и реактивное сопротивление), но возрастает стоимость линии, так как необходимы преобразователи энергии переменного тока в энергию постоянного тока и наоборот. Сравнение затрат на ЛЭП переменного и постоянного тока показывает, что при длине линии более 1000 км и передаваемой мощности более 1000 МВт ЛЭП постоянного тока более 71 экономична. В России работает ЛЭП постоянного тока Волгоград - Донбасс (800 кВ), сооружается ЛЭП Экибастуз - Центр1500 кВ (2414 км и 6000 МВт). Несмотря на большую стоимость линий электропередач, они необходимы, особенно в нашей стране с ее громадными пространствами, часовыми поясами. Смоленская АЭС и Красноярская ГЭС, связанные вместе с другими электростанциями линиями электропередач в Единую энергетическую систему, помогают друг другу, обеспечивая электроэнергией тот район, в котором она сейчас необходима. Номинальное напряжение линий как низкого, так и высокого напряжений выбирается тем выше, чем больше дальность передачи и передаваемая мощность. Номинальные напряжения и другие характеристики электрических линий, проводок и сетей выбираются на основании технико-экономического сравнения вариантов, учитывая, как требуемые капиталовложения, так и текущие расходы, неравномерность нагрузок во времени и рост нагрузок в будущем. Зависимость фактической передаваемой мощности от номинального напряжения представлена для большинства существующих линий на рис. 52. Рис. 52. Зависимость передаваемой мощности трехфазной линии электропередачи от номинального напряжения (приблизительно). Когда требуется передавать очень большую мощность (например, несколько гигаватт) на большое расстояние (например, несколько тысяч километров), вместо трехфазных линий высокого напряжения могут 72 использоваться линии постоянного тока высокого напряжения по принципу, изображенному на рис. 53. Рис. 53. Принцип электропередачи на постоянном токе. 1 выпрямитель, 2 линия постоянного тока высокого напряжения, 3 инвертор Как воздушные, так и кабельные линии постоянного тока проще и дешевле, чем линии трехфазного переменного тока той же мощности (рис. 54), но для передачи энергии постоянным током на обоих концах линии требуются мощные и дорогие тиристорные или силовые транзисторные преобразователи. Поэтому во всем мире к началу 2008 года имелось приблизительно лишь 70 линий такого типа. Рис. 54. Сравнение воздушных линий переменного и постоянного тока при напряжении 400 кV и передаваемой мощности 1400 MW. Слева – промежуточная стальная опора линии переменного тока, справа – постоянного тока. Обе линии снабжены молниезащитными тросами, которые расположены по отношению к земле практически на высоте опор, указанной на рисунке. За последнее время полупроводниковые преобразователи стали дешевле, и передачу на постоянном токе начали применять и при относительно малой передаваемой мощности. Первым в мире такие легкие линии постоянного тока высокого напряжения, передаваемой мощностью от нескольких десятков до 73 нескольких сотен мегаватт и длиной приблизительно до 100 km , стал строить в 1997 году электротехнический концерн АББ (АВВ). Передаваемая мощность первой такой линии Хельшён-Грянгесберг (Южная Швеция) Линии постоянного тока применяются и для соединения между собой энергетических систем, работающих друг относительно друга несинхронно. Через морские кабельные линии постоянного тока, например, энергосистемы Норвегии и Швеции связаны с энергосистемами Дании, Германии, Польши и Нидерландов, а также энергосистема Эстонии с энергосистемой Финляндии. С той же целью между соседними энергосистемами могут устанавливаться преобразовательные звенья постоянного тока (например, между энергосистемами России и Финляндии в Выборге). Передача электрической энергии переменного тока через трансформаторы К 90-м годам 19-го века было доказано, что экономически выгодно строить мощные электростанции, способные снабжать электрической энергией большие районы, передавая электроэнергию на большие расстояния. Производство и передачу энергии возможно осуществлять на переменном токе. Трансформатор (рис. 55, а, б) позволяет производить изменение выходных напряжения и тока по отношению к входным значениям и осуществлять гальваническую развязку электрических цепей. Данные приборы основаны на явлении электромагнитной индукции. 𝜀 = −𝐿 𝑑𝜓 𝑑𝑡 L=2πr ψ=w*Ф r=l/2π Рис. 55, а. – Трансформатор согласовывает напряжение источника и потребителя 74 Рис. 55, б. – Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку В энергетике трансформатор является неотъемлемой частью систем, которые позволяют уменьшить потери электроэнергии при передаче электрической мощности на высоком напряжении, но при малых токах, что иллюстрируют рисунки 56, а, б. Рис.56, а. Схема передачи электроэнергии без трансформатора: хх = 0,4 Ом/км Nx= 0,3 Ом/км I=u/(Rk+Z)=1000/100,5=9,95 A ∆u= 0,5*9,95=4,975 В ∆P = R*I2= 0,3*(9,95)2=29,7Вт S = 1000 * 9,95 = 9950 Вт ∆Рх = 29,7/9950 =2,98*10-3=0,3% 75 В связи с большой величиной посадки напряжения на длинной линии эл. передач и значит потерями мощности на активном сопротивлении такой ЛЭП, передачу осуществляют на повышенном напряжении. Для этого на генераторной стороне ЛЭП устанавливают повышающий трансформатор, а на приёмной – понижающий трансформатор (рис.56, б): При этом ток, протекающий по ЛЭП, в десятки раз (в соответствии с коэффициентом трансформации) чем при бестрансформаторной передаче. Поэтому посадка напряжения также меньше в десятки раз, а непроизводительные потери эл. энергии уменьшаются (N*10)2. Zn=(x2+rn2)1/2 rл u2 ∆D=rл*I22 u3 u2 ‘’ Рис.56, б. Схема передачи электроэнергии с трансформацией напряжений: k1=u2’/u1 k2=u3/u2’’ I2= I2*1/k2 I3= I2*1/k2 76 Произведем расчет трансформатора (рис. 57): u1=4,44*Bm*Sстали*f*w1 W2=u1/ 4,44*Bm*Sстали*f W2 = W2*u2/u1 P2 = u22/Rn КПД приблизительно равен 1. I1=P1/u1 I2=u2/Rn dj=0,8*(Ij)1/2 Рис. 57. Иллюстрация расчёта трансформатора 77 В системах передачи и распределения энергии на переменном токе трансформаторы являются наиболее ответственными устройствами. Они испытывают большие нерегулярные перегрузки. Эти перегрузки определяют долговечность трансформаторов, зависящую от их теплового состояния, а также возможность их последующего нагружения после перегрузки (рис. 58). Рис. 58. График нагрузочной способности трансформаторов: К1 – коэффициент начальной нагрузки, предшествующей перегрузке; К2 – коэффициент допустимого превышения нагрузки; t – разные продолжительности нагрузки Потери энергии в трансформаторе вызывают нагрев как его обмоток, так и магнитопровода и арматуры. Именно нагрев изоляции обмотки теплом от проводников обмоток и сердечника снижает долговечность (ресурс) трансформатора. Развитием нагрева во времени (рис. 59) и объясняется график нагрузочной способности трансформаторов. Рис. 59. Кривая нагрева проводника и любого электрооборудования Большинство трансформаторов имеют масляное охлаждение (рис. 60). 78 Рис. 60. Схема масляного охлаждения трансформатора Напряжение в сети электроснабжения непрерывно меняется из-за случайного изменения суммарной нагрузки потребителя – суммарного тока, потребляемого сетью от генератора. Регулирование напряжения осуществляется за счёт изменения коэффициента трансформации. Обмотки силовых трансформаторов выполняются с отпайками (ответвлениями), поэтому можно изменять число витков (коэффициент трансформации) и вторичное напряжение. Переключение ответвлений может производиться в состоянии отключения трансформатора от сети (ПБВ – переключение без возбуждения) или автоматически в процессе работы трансформатора (РПН – регулирование под нагрузкой). Переключение ПБВ вручную (рис. 61) производят несколько раз в году, осуществляя сезонное регулирование напряжения. Рис. 61. Устройство ПБВ Устройство РПН (рис. 62) позволяет регулировать напряжение ступенями по 1,5% от номинального. Отпайки выполняют на стороне ВН. 79 Рис. 62. Устройство РПН на стороне высокого напряжения Переключатель П обеспечивает грубую регулировку, при которой добавляется или исключается сразу несколько витков bc. Избиратель И тонкой регулировки добавляет или убирает по одному витку. Переключение регулировочной обмотки de (как и грубой) должно осуществляться без разрыва цепи и замыкания накоротко витков. Для этого применяются специальные переключающие устройства с реакторами или резисторами, включающимися в периоды перехода с одной отпайки на другую. Эти переключения осуществляются контакторами. В современных устройствах РПН применяют бесконтактные тиристорные переключатели. Токоведущие части электроустановок имеют разное исполнение в соответствии с условиями эксплуатации, расчётными токовыми нагрузками, которые определяются допустимыми потерями напряжения и энергии. Токоведущие части любой электроустановки или отдельных аппаратов взаимодействуют между собой электродинамически и термически. Если в нормальных (расчётных) режимах работы электродинамические усилия незначительны, то в режиме короткого замыкания, когда токи возрастают в десятки раз, динамические усилия могут вызвать механические повреждения в конструкциях токопроводов и аппаратах. Для каждого элемента электроустановки нормами устанавливаются допустимые температуры нагрева, выше которых он не должен нагреваться в заданных условиях работы. Максимальный уровень токов короткого замыкания ограничивается отключающей способностью автоматических выключателей или термической стойкостью кабелей. 80 Выключатели предназначены для включения и отключения токов нормального, ремонтного и послеаварийного режимов, токов короткого замыкания и зарядных токов линий. Они должны иметь высокую отключающую способность и высокое быстродействие. Для управления коммутационными аппаратами (выключателями) применяются специальные схемы автоматики, которые обеспечивают защиту электрических цепей и необходимые переключения, например, такие, как автоматическое повторное включение цепи после короткого замыкания (АПВ) и автоматический ввод резерва (АВР) при нарушении цепи питания потребителей. Измерительные трансформаторы тока (рис. 63) трансформаторы напряжения (рис. 64) служат для подключения измерительных приборов и устройств релейной защиты и автоматики. Рис. 63. Подключение трансформаторов тока Рис. 64. Подключение трансформаторов напряжения Главные схемы электростанций (рис. 65) должны удовлетворять таким требованиям как надёжность, то есть способность обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей, приспособленность к проведению ремонтов 81 оборудования без ограничения электроснабжения, возможность проведения оперативных переключений за минимальное время и экономичность. Рис. 65. Схема электростанции Непосредственные потребители электроэнергии получают её на пониженном (номинальном) напряжении от подстанции (рис. 66). Она включает в себя понижающие трансформаторы и распределительное устройство. Распределительное устройство представляет собой совокупность оборудования одного напряжения, соединенного по определённой схеме и воплощающего в натуре эту схему. Рис. 66. Схема подстанции ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА: ВИЭ И ВЭР Воздействие энергетики на окружающую среду Под отрицательными изменениями в природе обычно подразумеваются следующие явления: изменение климата вследствие изменения состава атмосферы, 82 исчерпание ископаемых видов топлива и других полезных ископаемых, уменьшение возобновляемых природных ресурсов, особенно уменьшение площади лесов (продолжающаяся вырубка лесов без учета последствий), загрязнение воздуха, воды и почвы газообразными, жидкими и твердыми выбросами, нитрофикация водоемов из-за загрязнения их азотными соединениями, ускоряющееся исчезновение природных ландшафтов, а также обитающих в них видов растений и животных. Указанные явления всё труднее преодолеть из-за отрицательных изменений в человеческом обществе, под которыми подразумеваются следующие явления: политическое напряжение между государствами и регионами Земли из-за неравномерного распределения природных (в том числе энергетических) ресурсов, перенаселение менее развитых регионов Земли и вызванные этим обнищание, голод и культурная деградация, увеличивающаяся по всему миру урбанизация, возникновение новых мутаций микроорганизмов (бактерий и вирусов) и вызванных ими новых болезней, увеличение частоты производственных, дорожно-транспортных и бытовых несчастных случаев, рост преступности, массовая миграция населения из бедных регионов в более зажиточные регионы Земли, споры о территориях заселения и опасность военных конфликтов. Рассмотрим парниковый эффект – явление, которое по всеобщему признанию вызывает трансформацию климата вследствие изменения состава атмосферы. По прозрачности к оптическому излучению, в атмосфере Земли можно различать два вида газов: - газы, состоящие из одно- и двухатомных молекул (инертные газы, кислород и азот), одинаково прозрачные как коротковолновому, так и длинноволновому излучению; - газы, молекулы которых состоят из трех или большего числа атомов, как, например, водя ной пар Н2О, двуокись углерода СО2, метан СН4, закись азота NO2, озон О3 и некоторые другие, пропускающие коротковолновое (видимое и близкое инфракрасное) излучение, но поглощающие более длинноволновое инфракрасное излучение (длиной волны от 10 µm до 100 µm), превращая его в энергию внутримолекулярных колебаний и препятствуя этим его рассеянию в мировое пространство. Трех- и более многоатомные газы действуют на тепловой баланс Земли приблизительно так же, как стекло на тепловой режим парника, из-за чего 83 такое явление образно стали называть парниковым эффектом, а газы, вызывающие этот эффект, - парниковыми газами. Для обсуждения проблем, возникших в связи с явным глобальным потеплением климата, в апреле 1995 года в Берлине была созвана первая конференция ООН по изменениям климата, в которой участвовали представители 188 стран, подписавших рамочную конвенцию ООН по изменениям климата. Было решено начать поэтапные действия для уменьшения выбросов в атмосферу двуокиси углерода. Реальные возможности снижения выбросов как двуокиси углерода, так и других парниковых газов обсуждались затем на очередной климатической конференции ООН в декабре 1997 года в Киото (Япония), где была достигнута договоренность уменьшить выбросы парниковых газов (в пересчете на двуокись углерода) в промышленных странах к 2012 году, вместе взятых, по сравнению с уровнем 1990 года, на 5,2%. Для Европейского Союза в целом было предусмотрено снижение на 8%, но по договоренности между тогдашними 15 членами союза для каждой из них, с учетом особенностей их энергетики, предусматривались различные обязательства. Требование по уменьшению выбросов на 8% относится и к тем 12 странам, которые позже вошли в Европейский Союз; исключение составляют Польша и Венгрия (требуемое снижение - 6%). Норвегия может увеличить выбросы на 1 %, а Исландия - на 10 %. Для России и Украины предусматривалось сохранение уровня 1990 года, для США было установлено требование снижения выбросов на 7%, а для Австралии допускалось повышение на 8%. Япония и Канада обязались снизить выбросы на 6%, а развивающиеся страны (включая Китай и Индию) обязательств на себя не брали. Для замедления опасных последствий парникового эффекта предусматривают следующие основные мероприятия: более широкое использование ядерной, гидравлической, ветряной, геотермальной и солнечной энергии вместо сжигаемого топлива, использование природного газа вместо твердого топлива, использование возобновляемого топлива (в первую очередь древесины) вместо ископаемого топлива, исходя из факта, что при сжигании древесины выделяется ровно столько же двуокиси углерода, сколько потребовалось бы брать из воздуха при образовании древесины, замена бензина природным газом или этанолом, получаемым из растений (например, из сахарного тростника), замена традиционного дизельного топлива биодизелем, получаемым из растительного (например, рапсового) масла, более широкое применение топливных элементов, работающих на водороде, природном газе или метаноле, улучшение теплоизоляции зданий в целях снижения расхода энергии для отопления, более экономное использование энергии, 84 сокращение потерь энергии. Рассматривается и перекачивание двуокиси углерода под землю (например, в нефтяных месторождениях, где таким путем одновременно повышается давление в нефтеносных пластах, облегчающее выкачивание нефти) или в водоемы (пруды). По Киотскому протоколу, 1997, в целях уменьшения эмиссии парниковых газов (главным образом углекислого) 35 стран мира обязались активно внедрять возобновляемые источники. Возобновляемые источники энергии. В последнее время делаются попытки использования энергии приливов Мирового океана. В некоторых районах разность между верхней и нижней отметками приливов достигает 10 м. Если во время прилива открыть шлюз в дамбе водохранилища и заполнить его водой, то после спада уровня воды ее запас в водохранилище можно использовать для выработки электроэнергии. Суммарный энергетический потенциал приливов составляет 13000 МВт. Во Франции работают две приливные электростанции мощностью 240 МВт, в России - опытная станция на Кольском полуострове мощностью 7 МВт. Подобно приливным устроены гидроаккумулирующие электростанции. Они работают в двух режимах: аккумулирования (энергия, получаемая от других электростанций, главным образом в ночное время, используется для перекачки воды из нижнего водоема в верхний) и генерирования (вода, запасенная в верхнем водоеме по трубопроводам направляется к гидрогенераторам, выработанная ими электрическая энергия направляется потребителям). Самые мощные электростанции такого типа построены в Германии. Ветровые энергетические установки. Выходная мощность ветроэнергетической установки пропорциональна площади лопастей ветрового колеса и скорости ветра в кубе. Основной проблемой при создании ветроэнергетической установки является постоянно меняющаяся скорость ветра и очень большие габариты ветроэнергетической установки. Также, как и приливная электростанция ветровая может работать лишь периодически, причем время ее работы не определено, что затрудняет электроснабжение потребителей. Большой опыт использования ветроустановок накоплен в Швеции. Ресурс ветровой энергии очень велик - 25% энергии солнечной радиации вследствие перепада температур преобразуется в кинетическую энергию ветра. Для эффективной работы ветряков минимальная скорость ветра должна быть = 5м/с. При наличии ветра эффективность ВЭУ сопоставима с эффективностью лучших ГЭС. Скорость ветра определяет мощность, которую может иметь установленный генератор: Nуст=0,000481 ∗ η ∗ V13 ∗ D, где КПД ветрового колеса - 𝜼=0,4÷0,5≤0,593; 85 D - диаметр колеса; V1-линейная эффективная скорость ветра; Мощность на валу ветрогенератора является функцией скорости ветра и пропорциональна установленной мощности: N(V)=Nуст*f(V), где f(V) – относительная характеристика производительности ветровой электростанции (рис. 67). Ветровая электростанция работоспособна в диапазоне скоростей ветра: 3÷5(м/с)=V1≤V≤V2=20÷25(м/с). Нижний предел определяется КПД ветрогенерирующей установки, а верхний – прочностью сооружения. При достижения последнего уровня ветроустановка приводится в безопасное нерабочее состояние. f(V) 1 V0 V1 V2 V Рис. 67. Относительная характеристика производительности ветровой электростанции Практически ветроэнергетические установки комплекса «Альтомент» в Калифорнии имеют мощность 1000 МВт. При этом стоимость электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ- Цвэу=4,8(цент/кВт*час). Коэффициент использования 40%. Машиностроительный завод имени В. М. Мясищева (г. Жуковский) выпускает ветроэлектрические модули мощностью 1-4 кВт. На основе этих агрегатов выполняется многомодульные ветроэлектрические установки (рис.68): 86 Рис. 68. Многомодульная ветроэлектрическая установка Техническая политика России предусматривает: - освоение системы электроснабжения на ВЭУ мощностью 10, 20, 30, 40, 50 кВт; - создание систем аккумулирования электроэнергии; - разработка и освоение сетевых ВЭУ; - разработка микропроцессорных систем оптимального управления сетевых ВЭУ. Солнечная энергетика. В 1970-м году КПД фотоэлектрического преобразователя составлял 0,1 %. Спустя 44 года, КПД фотоэлектрического преобразователя составлял около 12 %. В настоящее время достижимо значение КПД = 45%. Суммарная установленная мощность солнечных электростанций превышает 400 МВт. Существует 2 типа СЭУ: 1) Термодинамические установки с паровыми турбинами, в которых источником тепла являются сконцентрированные солнечные лучи. Они работают по алгоритму: Wизлуч→Θ̊воды→Q→Wмех→Wэл. 2) Фотоэлектрические установки с непосредственным преобразованием солнечной энергии в электрическую, работающие по алгоритму: Wизлуч→Wэл. 𝑊эл[кВт] У последних пока отношение → малая величина. 2 𝑆[м ] В среднем коэффициент полезного использования площади под солнечными электростанциями оценивается соответственно: 𝑆уд. термодинам. ≥ 5 м 2 кВт м2 кВт СЭУ не позволяет обеспечивать устойчивого энергоснабжения. Необходимы накопители, либо комбинированные установки. 𝑆фотоэл. ≥ 8 87 Так как ВЭУ как и СЭУ не может обеспечить стабильного энергоснабжения, то применяют следующие меры: 1) Использование комбинированных с дизель-генераторами установок ВЭУ+ДГ или ВЭУ+СЭУ+ДГ 2) Применение накопителей энергии для согласования графиков выработки электроэнергии с графиком потребления электроэнергии в виде аккумуляторов с преобразователями частоты. Очевидно, что для электроэнергетики весьма важным является возможность аккумулирования энергии. Под аккумулированием (накоплением) энергии понимается ввод какоголибо вида энергии в устройство, оборудование, установку или сооружение аккумулятора (накопителя) энергии - для того, чтобы эту энергию оттуда затем в удобное для потребления время снова в том же или в преобразованном виде получить обратно. Для зарядки аккумулятора энергией иногда нужна дополнительная энергия, и в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них и должна оставаться некоторая остаточная энергия. Состояние аккумулятора при потреблении энергии, во время готовности, при отдаче энергии и после отдачи схематично представлено на рис. 69. Рис. 69. Состояние аккумулятора энергии (А) (упрощенно): 1 прием энергии, 2 состояние готовности, 3 отдача разряженное состояние. Рin потребляемая мощность, Р ех мощность, tin длительность зарядки, tех длительность отдачи аккумулированная энергия, Wres остаточная энергия, ∆Win 88 энергии, 4 отдаваемая энергии. W потери при зарядке, ∆Wex потери при отдаче энергии, ∆Wd, потери энергии из-за произвольного рассеяния Аккумулирование энергии обычно понимается как целенаправленное действие. Однако энергия может аккумулироваться (накапливаться) и независимо от воли или действий человека - в результате физических процессов, происходящих в природе или в искусственных устройствах. Следует отметить очень большое количество тепла, содержащегося в горячих жидких внутренних cлоях Земли, кинетическую энергию вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, кинетическую энергию ветра, водных потоков и движущихся предметов, химическую энергию, накопленную в живых существах. При искусственном аккумулировании энергии могут ставиться следующие цели: создание запаса энергии (обычно в виде запасов топлива, как в автономных мобильных объектах) при прерывистом поступлении энергоносителей, а также на случаи временного прекращения поставок энергии или возникновении кризисных ситуаций и т. п.; получение большой кратковременной мощности от источников питания ограниченной мощности, например, для питания ламп-вспышек или установок точечной сварки; осуществление энергоснабжения, не зависимого от внешних источников энергии, например, в средствах передвижения, при использовании переносного и перемещаемого оборудования; выравнивание переменной нагрузки, например, в поршневых механизмах, при использовании пневматических инструментов, при чрезмерной неравномерности суточных графиков нагрузки энергосистем (использование гидроаккумулирующих электростанций) и в других подобных случаях. Аккумуляторы энергии обычно характеризуются видом аккумулируемой энергии (электроэнергия, тепло, механическая энергия, химическая энергия и др.), количеством аккумулируемой энергии, потребляемой и отдаваемой мощностью, длительностью зарядки и отдачи энергии, КПД аккумуляции удельной аккумулирующей способностью на единицу массы или объема, абсолютной и удельной стоимостью аккумулятора, удельной стоимостью, получаемой из аккумулятора энергии. В общем случае, КПД аккумуляции: η = Wex /Win, где Wex - отдаваемая из аккумулятора энергия; Win - потребляемая аккумулятором энергия. В настоящее время очень перспективным аккумулятором считается водородный накопитель энергии (рис. 70). 89 Рис. 70. Водородный накопитель энергии Топливный элемент является статическим преобразователем химической энергии реакции окисления в электрическую. К преобразователям возобновляемых ресурсов относятся геотермальные электростанции, энергетические установки с использование биологических ресурсов и малая энергетика. Геотермальные станции Геотермические электростанции используют глубинное тепло Земли. В вулканических районах Земли термальные глубинные воды нагреты до 1000 градусов Цельсия и более. Образуется естественный парогенератор, который можно использовать для получения электроэнергии. В России таким районом является Камчатка. Там построена геотермическая электростанция мощностью 5 МВт. В настоящее время запланировано строительство более мощной электростанции. За рубежом такие электростанции построены в США, Италии, Японии. В Исландии геотермальные воды используются для теплофикации. Наиболее эффективные геотермальные станции в России: Верхнемутковская (12 ГВт), Мутковская (50 ГВт), Паужетская (11 МВт). На них установлены 4-20 МВт модульные блоки, которые выпускаются Калужским турбинным заводом. Эти тепловые станции отличаются низкими параметрами пара. Для них необходимо построить двухконтурные геоТЭС на термальной воде с температурой 100-200 градусов Цельсия с низкокипящим рабочим телом во втором контуре. В Краснодарском крае найдено 11 геотермальных месторождений. Там будут построены геоТЭС общей мощностью 3 000 МВт. Биоэнергетика использует следующие возобновляемые ресурсы:  Органические отходы лесного хозяйства и деревообрабатывающего производства. (на 10% дороже природного газа)  Биомасса зерновых и маслянистых сельхоз культур для создания этанола.  Органические отходы птицеводства и животноводства. Если фабрика содержит 500 тысяч голов птиц, она получает 100 тонн отходов в сутки и 36 000 тонн в год. При сжигании они могут преобразоваться в 15 90 млрд кВт*часов электрической энергии. При этом решается проблема утилизации отходов этих предприятий.  Использование торфа. Малая гидроэнергетика К малой гидроэнергетике относят технологии использования энергии малых рек и водостоков. Например, можно использовать водосток сконденсированной в градирне воды (рис. 71) и получить при таком раскладе мощность генерации до 100 кВт. Рис. 71. Использование водостока сконденсированной в градирне воды Из ранее построенных ГЭС на малых реках России сейчас эксплуатируется 68 станций, мощностью от 500 кВт до 30 МВт. В горных местностях, с перепадами воды от 5 до 20 м, станции имеют мощность от 10 до 200кВт. ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Техника ресурсо- энергосбережения Энергосбережение – естественный и непреложный принцип самоорганизации любой стабильно существующей формы жизни, в основе которого лежит три главных правила: 1) запасай энергию, но не бери больше насущного 2) расходуй энергию так, чтобы она к тебе вернулась 3) не растрачивай энергию понапрасну. В той, или иной степени вопросы экономного расходования ТЭР решались человечеством всегда. Однако с последней четверти XX-го века, когда потребности цивилизации в энергоресурсах стали сопоставимы с возможностями Земли, эти проблемы приняли статус энергобезопасности государства и вышли на уровень межгосударственной политики и идеологии. 91 Об этих глобальных вопросах о том, как решать проблемы энергодефицита в «мировом масштабе», существует огромное множество материалов. Однако дефицит сохраняется, особенно на микро-уровне для каждого конкретного малого производственного предприятия перед лицом энергогиганта-монополиста. К счастью современный уровень техники накопил достаточно много доступных и вполне осуществимых технических решений для реального сокращения энергоемкости продукции на предприятиях. Сокращение теплопотерь При строительстве Вашего здания далеко не все нормы были выполнены (это для Вас, вероятнее всего, не новость). Но отсюда возникает потребность в улучшении, в уплотнении, утеплении или замене окон, дверей, стен. Лучшим способом для определения теплопотерь является тепловизионное (с помощью тепловизора) обследование здания. Термограмма покажет распределение температур по поверхности здания и поможет быстро выявить критические места утечки тепла. Применение энергоэффективных окон (герметичных стеклопакетов с теплоотражающим покрытием, заполненных инертным газом) позволяет достигнуть до 20% снижения потребления тепла даже без утепления наружных стен. Однако вполне оправданным способом сократить теплопотери является простое уплотнение существующих оконных блоков (если они не потеряли своей работоспособности) специальной лентой. Традиционный оконный блок с современным уплотнителем имеет практически такие же теплозащитные свойства, как и двухкамерные стеклопакеты (последние выигрывают только по звукоизолирующей способности). Очень действенным способом борьбы со сквозняками и уносом тепла через двери является секционирование входа в здание путем установки второй двери, создания теплоизолирующего тамбура. При значительном людском потоке через двери следует подумать об установке воздушно-тепловой завесы и/или автоматических дверях. К очень дорогостоящим, но и весьма эффективным способам сокращения теплопотерь здания «в разы» относится утепление стен теплоизоляционными материалами. Однако такое существенное сокращение теплопотребления требует коренного переустройства и системы отопления. Приборный учет фактического расхода энергоресурсов Все начинается с проверки оснащенности всех путей поступления энергоресурсов (вводов ресурсо-энергоснабжения) средствами (приборами) коммерческого учета энергопотребления. Коммерческий учет – это такая система учета, при которой его результаты признаются энергопоставщиком. Для этого она должна соответствовать правилам учета расхода энергоресурсов, а применение ее должно быть согласовано в договоре энергоснабжения. Поэтому оснащение 92 ввода прибором коммерческого учета может быть не совсем простой задачей (иногда и технически), но, как правило, уже сам переход на расчеты за потребленную энергию (или воду) по показаниям прибора способен принести существенный эффект через сокращение объема платежей за энергопотребление. Подчеркнем, что отнюдь не всегда установка счетчика, также как и смена тарифа, приносит снижение платежей за потребленную энергию. Поэтому, если Вы еще не решились приступить непосредственно к сокращению своего энергопотребления, лучше обратиться в специализированную энергоаудиторскую организацию, чтобы определить фактическую нагрузку Вашей системы энергоснабжения, спрогнозировать сумму платежей за фактическое потребление и сопоставить ее с той, которую Вы платите по текущему договору с энергоснабжающей организацией. Снижение платежей за энергоресурсы означает сокращение себестоимости, но это еще не само энергосбережение, т.е. это еще не является непосредственным уменьшением объема используемых энергетических ресурсов. В то же время надо точно понимать, что в большинстве случаев на платежах за энергию такое энергосбережение, вероятнее всего, никак не скажется. Электросчетчик Для расчетов за электроэнергию для МСП, относящихся к группе прочих потребителей, установлены следующие варианты тарифов: 1) одноставочный тариф, включающий в себя полную стоимость 1 киловатт-часа поставляемой электроэнергии; 2) двухставочный тариф, включающий в себя ставку за 1 киловатт-час потребляемой электроэнергии и ставку за 1 киловатт договорной электрической мощности; 3) зонный – одноставочный (или двухставочный) тариф, дифференцированный по зонам (часам суток). Переход на двухставочный тариф означает, что Вы, по сути, обязуетесь перед электроснабжающей организацией ограничить свою потребность в выделенных Вам мощностях электрогенерирующих и передающих устройств. Этот переход может дать снижение платежей за электроэнергию, если даже Вы не сможете сократить электропотребление. Дело в том, что, несмотря на необходимость платить одновременно по двум ставкам, ставка за 1 киловаттчас потребляемой электроэнергии по двухставочному тарифу существенно меньше, чем по одноставочному. От Вас потребуется только распределить время включения и работы оборудования таким образом, чтобы ограничить максимум часового электропотребления в течение суток, и в соответствии с этим представить в электроснабжающую организацию расчет используемой установленной электрической мощности и протокол суточного почасового контроля показаний электросчетчика. При этом, как правило, нет нужды менять электросчетчик, использовавшийся при расчетах по первому варианту. 93 Переход на зонный тариф означает, что Вы, по сути, обязуетесь перед электроснабжающей организацией ограничить свое электропотребление в часы наибольшей нагрузки на электрогенерирующие и передающие устройства. В этом варианте расчетов сутки делятся на периоды (тарифные зоны) с характерной суммарной нагрузкой на сеть электроснабжения. Для больших городов такими зонами являются: - зона пика с 8-00 до 11-00 и с 18-00 до 21-00 (утренний и вечерний максимумы электропотребления) - зона ночного минимума с 21-00 до 8-00 - зона полупика с 11-00 до 18-00. Для каждой такой зоны установлена отдельная дифференцированная ставка за 1кВт.ч (при двухставочных расчетах, дифференцированных по зонам суток, плата за 1кВт взимается в таком же размере, как и при обычном двухставочном варианте тарифа). Выгода от использования данного варианта расчета может быть гарантирована в случае, когда основное электропотребление сосредоточено в ночное время, потому что величина тарифа в ночной зоне устанавливается на уровне, обеспечивающем энергоснабжающей организации возмещение суммы расходов на топливо и на производство электроэнергии (т.е. оплата на уровне себестоимости). Тариф за электроэнергию, поставляемую в полупиковой зоне графика нагрузки, приравнивается к утвержденному для энергоснабжающей организации одноставочному (или двухставочному) тарифу за 1кВт.ч. Соответственно, для пиковой зоны графика нагрузки установлен тариф, восполняющий снижение ночной ставки. Ставка пиковой зоны примерно на 30% больше ночной и на 15% больше дневной (полупиковой). Поэтому если во время пиковой зоны Вы расходуете электроэнергии более 75% от ночного объема потребления, то зонный вариант расчетов не принесет Вам экономии в платежах. Кроме того, переход на зонный тариф потребует от Вас установки специального электронного электросчетчика. Согласно ст.544 Гражданского кодекса оплата электроэнергии производится за фактически принятое количество энергии в соответствии с данными учета энергии. Это означает, что при применении потребителем зонных тарифов на электроэнергию приборы учета должны обеспечивать учет потребленной энергии по соответствующему зонному тарифу с учетом времени действия данного тарифа как в течение суток, так и в разные месяцы года, а также возможность перехода на «летнее» время (с заданием месяцев перехода на «зимнее», «летнее» время). При установке многотарифного счетчика в действующей электроустановке (чтобы не было проблем с регистрацией данного счетчика в энергоснабжающей организации) рекомендуется запросить технические условия в энергоснабжающей организации на установку данного счетчика. Теплосчетчик После того как принято решение об установке теплосчетчика, необходимо обратиться в местную энергоснабжающую организацию (ЭСО), которая выдаст документ – технические условия. Эти сведения необходимы 94 для разработки проекта узла учета и правильного подбора его спецификации. Без этого документа показания теплосчетчика нельзя будет использовать для коммерческих расчетов. В технических условиях указываются следующие параметры системы теплоснабжения: – схема – тепловые нагрузки – максимальные значения расхода теплоносителя – расчетное давление – температурный график. В зависимости от правил работы конкретной ЭСО технические условия могут быть выданы бесплатно или стоить до 10 тыс. руб. Обратиться в ЭСО с заявлением могут как само МСП, так и специализированная организация, которая будет проектировать, устанавливать и обслуживать узел учета. Экономия электроэнергии Если электросчетчики, теплосчетчики и водосчетчики установлены, то можно строить дальнейшие планы фактического энергосбережения. Приоритет лучше отдавать экономии самого дорогого ресурса, которым на большинстве МСП является электроэнергия: Составьте графики работы, включения/выключения электроприборов на производственных участках и в офисе. Введите приказом правило для сотрудников отключать незанятое в производстве электрооборудование в период спада заказов и после окончания работы. Нужно отключить все без исключения электроприборы особенно когда работает кондиционер, без которых можно хотя бы временно обойтись, потому что в это время они являются просто источником лишнего тепла. Отключайте опции «ночной режим» на оборудовании, когда оно не используется. В устройствах для нагрева воды нагревайте только тот объем воды, который необходим для предстоящего объема работы. Нет смысла нагревать воду до температуры, не превышающей той, которая обеспечивается системой горячего водоснабжения, если она есть. В этом случае лучше организовать подачу горячей воды из смесителя. В водоразборных кранах, обслуживаемых электрическими водонагревателями, используйте распылительные или ограничивающие насадки на водопроводные краны для экономии горячей воды (кстати, это полезно и вообще для снижения расхода воды). Используйте датчики движения/присутствия, регуляторы (диммеры) и фотодатчики для автоматического контроля освещения. Установите датчик движения для фонарей освещения на парковке. Установите датчики движения для автоматического включения освещения во всех подсобных помещениях, включая кладовые и склады. Модифицируйте систему освещения, включая: – переход на низковольтные осветительные приборы 95 – переход от ламп накаливания к люминесцентным лампам. Используйте натриевые лампы для внешнего освещения на улице. Используйте светодиодные лампочки в коридорах и на других участках, где необходимо постоянное освещение. Проверяйте, чтобы в системах HVAC (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха) работали экономайзеры-рекуператоры в соответствии с расходными характеристиками. Перемонтируйте систему технологической вытяжной вентиляции, если она смонтирована как общеобменная. Обеспечьте каждый вытяжной зонт независимой системой вытяжки. Выключайте работающие зонты в период, когда оборудование, установленное под ними не работает. Постоянно меняйте все воздушные фильтры. Установите низкотемпературные сенсоры или таймерное включение в морозильных камерах и проходных охлаждающих тоннелях. Это не только сэкономит электроэнергию, но и снизит нагрузки на компрессоры. Прочищайте конденсатор и испарительные кольца на кондиционерах и холодильном оборудовании. Проверяйте холодильное оборудование на предмет утечек воздуха. Утечки увеличивают нагрузку на оборудование и увеличивают расход электроэнергии. Холодильное оборудование (и камеры) необходимо по возможности размещать на северной стороне помещений и вдали от источников тепла. Всё это даёт экономию порядка 20% потребляемой электроэнергии, что скажется на уменьшении издержек. Техника модернизации силового и термического оборудования Установите в коридорах кулеры-термостаты коллективного пользования, пусть сотрудники пользуются ими, измените их расточительную привычку кипятить воду в индивидуальных электрических чайниках. Но если Вы считаете эту меру слишком «драконовской», то разрешите им использовать только небольшие чайники емкостью не более 1л и мощностью не более 0,6 кВт. Тогда можно ожидать, что Ваша экономия электроэнергии составит около 80%. При закупке нового электрооборудования следите за классом энергоэффективности и экономичности прибора. КПД современного силового оборудования должно быть на уровне не ниже 90%. На бытовых приборах, выпущенных по европейским стандартам, должен стоять символ класса энергоэффективности от А до G. Класс А (А++, А+) является самым экономичным. Класс G – самым расточительным. Огромный экономический выигрыш состоит в переводе энергопотребления с электричества на природный газ. От газа могут работать не только нагревающие приборы, но и холодильники. Поэтому, если у Вас имеется электрическое отопление, или приготовление горячей воды осуществляется в электрических водонагревателях, это серьезнейший повод оценить возможность применения теплоутилизаторов и тепловых насосов. 96 Теплоутилизаторы позволяют использовать до 90% тепла, сбрасываемого в атмосферу или водосток. За счет отбора выбрасываемого тепла в утилизаторе происходит непосредственный подогрев используемых в коммунальном потреблении, производстве или его обслуживании воздуха, воды, сырья, топлива, газов. Например, нагревается холодный атмосферный воздух, направляемый системой приточной вентиляции в помещения. Тепловой насос («холодильник наоборот») отличается от утилизатора тем, что в нем реализован нагрев от источников низкопотенциального тепла посредством холодильного цикла Карно. Благодаря использованию промежуточного теплоносителя система потребления тепла и система, подающая тепло, могут быть разнесены на значительное расстояние (им не нужен непосредственный тепловой контакт). Связь между ними осуществляется трубопроводами, в которых циркулирует теплоноситель. Тепловой насос способен отобрать значительную часть полезного тепла теплосодержащих выбросов и сбросов. Но помимо выбросов, источником тепла для теплового насоса может быть любой объект со стабильной температурой, например, воздух подземных сооружений, грунтовые воды, сам грунт. Кроме того, тепловой насос – это установка круглогодичного использования и широкого спектра применения, способная обеспечить предприятие и теплом и холодом, как одновременно, так и в разные периоды работы. Техника модернизации систем освещения Люминесцентное освещение Популярность люминесцентных ламп обусловлена их преимуществами: рассеянным светом, разнообразием оттенков света, значительно большей светоотдачей (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания), длительным сроком службы (2000-20000 часов в отличие от 1000 у ламп накаливания). Однако для того, чтобы срок службы люминесцентной лампы действительно в 20 раз превышал срок службы ламп накаливания, необходимо обеспечить достаточное качество электропитания, балласт и соблюдение ограничений по числу включений и выключений. Кроме того, вышедшие из строя люминесцентные лампы нуждаются в специальных мерах и затратах по их утилизации, т.к. их колба (трубка), заполнена парами ртути. Светодиодное освещение Светодиод – это полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Яркость современного люминофорного светодиода в ручном электрическом фонаре аналогична 15 Вт бытовой лампе накаливания. Использование светодиодных ламп в освещении уже занимает 6 % рынка (по данным 2006 года). По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в 97 электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия: Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для высококачественного освещения. Световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 132 люменов на ватт (у натриевых газоразрядных ламп 150 лм/Вт, у ламп накаливания – 15 лм/Вт, у люминесцентных ламп – 80–100 лм/Вт); Длительный срок службы. Но и он не бесконечен – при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости. Срок службы в 30 раз больше по сравнению с лампами накаливания. Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих). Малая инерционность. Безопасность – не требуются высокие напряжения. Малое ультрафиолетовое излучение и малое инфракрасное излучение. Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам. Возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров (как в случае ламп накаливания). Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации. Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром. Малый угол излучения – может быть как достоинством, так и недостатком. Следует отметить, что при низкой стоимости индикаторных светодиодов остаётся высокой стоимость при использовании в освещении. К недостаткам светодиодного освещения следует отнести следующие характеристики: Высокая цена – это основной недостаток. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50 – 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания. Низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). 98 Осветительный светодиод мощностью 10 Ватт (2009-го года выпуска) требует пассивный радиатор размером как у микропроцессора Pentium 4 без вентилятора. Такой большой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов. Высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты. Управление освещением Установка датчиков движения и присутствия может снизить расход электроэнергии на освещение на 30-80%. Диапазон возможной экономии весьма широк, а конкретное значение может быть определено только с учетом фактических условий работы. Для выбора датчика, наиболее подходящего для оптимального управления освещением, необходимо определить несколько параметров: – зону обнаружения. Для датчиков, устанавливаемых внутри зданий зона обнаружения – это размеры помещения, в котором датчик ставится; для уличных датчиков – дальность обнаружения и сектор, в котором датчик должен обнаруживать движения. – суммарную электрическую мощность и тип, подключаемых к датчику осветительных приборов. – тип движений человека. Должен ли датчик обнаруживать только идущего человека или как идущего, так и стоящего или сидящего человека. Теперь можно переходить к выбору датчика движения или присутствия. Датчики движения обычно устанавливаются в коридорах, на пожарных лестницах и в технических помещениях, в которых люди появляются редко и на непродолжительное время. Если, например, при выходе из такого помещения сотрудник забудет погасить свет, то лампа может гореть месяцами. Установив в таких помещениях датчики движения, вы имеете возможность снизить расход электроэнергии на 30–40%. В лифтовых холлах чаще устанавливаются датчики присутствия. Однако выходить в темный коридор наверняка может показаться некомфортным, ведь свет включится только после того, как человек выйдет в коридор и окажется в зоне обнаружения датчика. Здесь можно рекомендовать разделение освещения на дежурные светильники и подсветку. Дежурные светильники в темное время горят постоянно, а подсветка включается только при обнаружении присутствия человека. Дежурные светильники можно включать автоматически с помощью сумеречного реле или астрономического таймера, или оснастить светодиодной техникой. Средний срок окупаемости подобных систем – 1–1,5 года. Для автоматического включения/выключения светильников в санузлах используются датчики присутствия. Для автоматического управления светильниками в офисах, переговорных, кабинетах чаще всего используются датчики присутствия с функцией мониторинга освещенности. 99 Такие датчики отключат светильники, даже если в помещении находятся люди, если света от окон будет достаточно для нормального освещения рабочих мест. В переговорных или конференц-залах – помещениях, где предполагается использование проекторов для демонстрации видеофильмов или презентаций – устанавливаются датчики с комбинированным управлением. Светильники могут включаться и выключаться автоматически датчиком или вручную – выключателями. При ручном включении или выключении светильника датчик присутствия с комбинированным управлением через 30–40 мин. переключается в автоматический режим и по текущей ситуации в зоне его обнаружения включает или выключает светильники. Офисные здания в России только сейчас начинают оснащаться датчиками движения и присутствия, поэтому данных об экономии электроэнергии нет. По опыту немецких и швейцарских специалистов снижение расхода электроэнергии на освещение составляет 50–60%. Энергетика Нижнего Новгорода и Нижегородской губернии (области) Нижегородская губерния в Х1Х - начале ХХ веков являлась одним из ведущих торгово-промышленных центров России. Растущие заводы и фабрики создавали необходимую для производства энергетическую базу. Это определило становление Нижнего Новгорода как одного из центров российской энергетики и электротехники. В 1876 году на Сормовском заводе начинает работать крупная силовая станция. Ее мощность вскоре достигла 2975 кВт. Здесь были установлены 12 котлов, 6 из которых работали на нефти, а остальные на торфе. В 1882 году силовые установки создаются на заводе Курбатова и на Кулебакском металлическом заводе. С 1885 года работает Ярмарочная станция электрического освещения. "На станции электрического освещения уже имеются две динамоэлектрические машины системы знаменитого американского изобретателя Эдисона и одна - системы Шуккерта." (Нижегородские губернские ведомости). Обслуживающий персонал станции составляли отставные моряки (минеры). С 1889 года заведующим станции стал Александр Степанович Попов. На Нижегородской ярмарке Попов работал 10 лет. Здесь он проводил свои знаменитые опыты по разработке беспроволочного телеграфа - радио. В 1896 году в Нижнем Новгороде проводится ХУ1 Всероссийская промышленная и художественная выставка. Для решения транспортного вопроса был пущен трамвай и созданы пять общественных электростанций и первая городская станция Похвалинская (433 кВт). За год было установлено 400 уличных фонарей, 3500 ламп накаливания, проложены десятки километров линий электропередач. В 1897 году мощность новой Сормовской электростанции составила уже 3325 кВт, и начато строительство (расширение) Ярмарочной электростанции, которая обеспечивала движение трамваев по Канавину. В 1903 году построена Чернопруденская электростанция мощностью 54 кВт (освещение Думы и драмтеатра). Строительство электростанций начинается и в уездных городах. 100 В селе Богородском (650 кВт), в 1911 - 1914 годах местные предприниматели организуют строительство электростанций в Арзамасе, Выксе, Павлове, Балахне (мощность этих станций до 20 кВт). С началом первой мировой войны в Нижний Новгород эвакуируются несколько крупных предприятий из западных областей России. Старые предприятия расширялись для выполнения военных заказов, строились новые. Разросшаяся промышленность губернского города, Приокский горный округ на юге губернии (заводы Выксы, Павлова, Кулебак, Ташина ), химическое производство на западе губернии в районе Черной речки обострили дефицит электроэнергии (к сожалению, этот дефицит становится хроническим, то ослабевая, то усиливаясь). В 1916 году власти Нижнего Новгорода приступают к строительству Центральной электрической и водоподъемной станции (за Казанским вокзалом). В 1917 году закончен монтаж двух двигателей Дизеля и двух генераторов мощностью по 1000 кВт. Установлено оборудование для подачи в город воды. В годы гражданской войны практически все уездные электростанции были остановлены. Только в 1921 г. в Нижнем Новгороде было восстановлено трамвайное движение, обеспечение его электроэнергией было возложено на Центральную и Заречную станции. Пришлось ввести ограничения на пользование электроэнергией для ряда производств и учреждений. Восстановление и развитие и энергетической базы было одним из самых острых вопросов для местных и губернских властей. В негосударственной коммерческой организации "Нижегородский союз учреждений малого кредита" был организован (еще в 1918 г.) технический отдел, который теперь стал выполнять функции бюро по подготовке электрификации губернии. Здесь работали крупные ученые и инженеры-электротехники: Л.Э. Вицман, В.Л. Лычковский, Д.А. Успенский, П.И. Пискунов. Они провели исследование топливных ресурсов Нижегородского края, разработали несколько проектов электростанций, начали электрификацию сел. Проблему электрификации можно было решить только путем создания мощной станции, работающей на местном топливе. Технический отдел показал возможность постройки Нижегородской государственной районной электростанции в районе торфяных болот у Балахны. В плане ГОЭЛРО была определена проектная мощность НиГРЭС до 100 000 кВт. Линии электропередач планировались на Нижний Новгород и далее до Козьмодемьянска, вдоль железной дороги до Коврова, затем до Мурома и вверх по Волге для электрификации прибрежной полосы. Строительство станции было начато в 1921 г., в 1925 г. пущена первая турбина мощностью 10 МВт и построена линия 110 кВ до Молитовской подстанции Нижнего Новгорода (она существует и сейчас). Следующей крупной станцией была Игумновская ТЭЦ, снабжавшая потребителей электричеством и теплом. Тем не менее электроэнергии не хватало и система была объединена с Ивановской ГРЭС. Была образована самая крупная в России энергосистема (НиГРЭС - 204 МВт, Игумновская ТЭЦ - 50 МВт, Ивановская ГРЭС 100 МВт). 101 К 1941 г. в энергосистему влились блок-станции автозавода (49 МВт), Балахнинского бумкомбината (10 МВт), Сормовского завода №96 (49 МВт)., ТЭЦ Муромского паровозоремонтного, Выксунского металлургического, "Красного Сормова", "Двигателя революции" За годы Великой Отечественной войны промышленность Горьковской области резко выросла за счет эвакуированных и строительства новых предприятий. К 1947 г. опять пришлось вводить режимы ограничения потребителей. Было принято решение о строительстве Горьковской ГЭС (начато в 1948 г.). Монтаж основных агрегатов станции начался в 1954 г., затопление водохранилища - в 1955 г. При создании водохранилища была осуществлена инженерная защита семи городов: Чкаловска, Пучежа, Юрьевца, Кинешмы, Плеса, Костромы, Ярославля. В 1956 г. дал ток последний, восьмой агрегат станции. В Горьковской энергосистеме стало на 400 МВт больше (позднее мощность станции была увеличена до 520 МВт). В этом же году началось строительство Дзержинской ТЭЦ и Новогорьковской ТЭЦ. Таковы самые крупные объекты Горьковской (теперь опять Нижегородской) энергосистемы. Перечислим их еще раз: Нижегородская ГРЭС (240 МВт), Игумновская ТЭЦ (350 МВт), Новогорьковская ТЭЦ (265 МВт), Дзержинская ТЭЦ (585 МВт), Сормовская ТЭЦ (520 МВт), блокстанции автомобильного и машиностроительного заводов (90 МВт) - это ОАО "Нижновэнерго. Горьковская ГЭС (520 МВт) - РАО "ЕС России". В настоящее время электростанции системы вырабатывают около 40% необходимой потребителям электроэнергии. Прием недостающей электрической мощности осуществляется по линиям 500 кВ из сетей РАО "ЕС России" от Костромской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, Смоленской АЭС. Подводя итог можно констатировать, что Нижегородская губерния не может считаться самодостаточной территорией России по энергетическому обеспечению (для этого нужно обеспечить выработку на территории губернии еще минимум 40 % электроэнергии, либо уменьшить ее потребление минимум в два раза). Это основная задача нижегородских электриков, которую надлежит решить в первой трети 21-го века. История электротехнического факультета ГПИ, факультета автоматики и электромеханики, образовательно-научного института электроэнергетики НГТУ В 1938 году на Общетехническом факультете открыта кафедра "Общая и теоретическая электротехника". Ее возглавил к. т. н. доцент Щедрин. Как уже упоминалось в истории вуза, в 1947 году образован Электротехнический факультет. В него вошли 4 кафедры: - Высшая математики, - Физика, - Общая и теоретическая электротехника, - Радиотехника. 102 Кафедра Радиотехника являлась специальной выпускающей кафедрой (готовила инженеров-радиотехников и инженеров-электротехников), остальные кафедры осуществляли подготовку студентов всего вуза по соответствующим дисциплинам. В 1951 году кафедра "Общая и теоретическая электротехника" преобразована в две кафедры: - Электрификация промышленных предприятий, - Электрические машины и электротехника. Кафедрой ЭПП организовано обучение студентов по специальности "Электрификация промышленный предприятий" с выпуском инженеровэлектромехаников. Кафедру возглавил известный ученый к. т. н. доцент Сергей Никифорович Шевчук (он бессменно руководил этой кафедрой в течение 36 лет). Кафедру "Электрические машины и электротехника" возглавил приглашенный в нижний Новгород из Одессы д. т. н. профессор Александр Маркович Бамдас. В 1952 году кафедра "Радиотехника" передана вновь образованному Радиотехническому факультету. В 1963 году на Электротехническом факультета организована подготовка инженеров по специальностям: - Электропривод и автоматизация промышленных установок (выпуск инженеров-электромехаников), - Электроснабжение промышленных предприятий (выпуск инженеровэлектриков). В связи с этим кафедра "Электрификация промышленных предприятий" разделилась на две кафедры: - Электропривод и автоматизация промышленных установок (зав. кафедрой С.Н. Шевчук), - Электроснабжение промышленных предприятий (зав. кафедрой главный инженер Горьковского отделения института «Электропроект» Юрий Леонидович Мукосеев). В этом же году из кафедры "Электротехника и электрические машины, которая с 1964 года стала готовить инженеров по специальности "Электрические машины и аппараты" выделилась кафедра "Автоматика и телемеханика". Ее возглавил д. т. н. профессор Николай Петрович Власов. 1964 год по решению Минвуза выпускникам специальности 2105 электропривод и автоматизация промышленных установок присваивается квалификация: инженер-электрик. В связи с заявкой Министерства судостроения с 1970 года на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" начата подготовка инженеров по специальности "Электрооборудование судов", и в 1975 году из состава кафедры ЭПА выделилась кафедра "Электрооборудование судов", которую возглавил старейший работник кафедры к. т. н. профессор Владимир Иванович Плесков. Затем заведующим кафедры "Электрооборудование судов" являлся д. т. н. профессор Владимир Георгиевич Титов. 103 В 1972 году кафедра "Автоматика и телемеханика" вместе с новой специальностью "Автоматизированные системы управления" была передана факультету радиоэлектроники и технической кибернетики. Кафедра "Электротехника и электрические машины", в связи с уходом из института А.М. Бамдаса и связанного с этим последующего закрытия специальности "Электрические машины и аппараты", преобразована в кафедры: "Общая электротехника и теоретические основы электротехники" (к. т. н. доцент Ю.А. Савиновский) и "Электрические машины" (к. т. н. доцент В.А. Сучков). В 1987 году кафедру "Электропривод и автоматизация промышленный установок" возглавил д. т. н. профессор Станислав Вячеславович Хватов. В 1994 году на кафедре "Теоретические основы электротехники" началась подготовка инженеров по специальности "Промышленная электроника" и в 1996 году из ее состава была выделена кафедра "Промышленная электроника", которую возглавил д. т. н. профессор Иван Михайлович Туманов. В это же время на кафедре "Электрооборудование судов" открыта специальность "Электротехнологические установки". 1997 год - открытие специальности "Электрооборудование автомобилей и тракторов" (выпускающая кафедра ЭПА). 1999 год - открытие специальности "Электрический транспорт" (городской) (выпускающая кафедра ЭПА). 2013 год – преобразование факультета автоматики и электромеханики в Институт Электроэнергетики. Институт, а в последствии и кафедру «Электрооборудование, электропривод и автоматика» (ЭПА) возглавил Андрей Борисович Дарьенков. 104