Глава 2. Основы производства электроэнергии
2.1. Принципы и история развития промышленного производства электрической энергии
Открытия Эрстеда и Ампера привели к новому, более глубокому пониманию природы электромагнитных явлений. Магнитное поле есть неотъемлемое свойство направленного движения зарядов. По направлению магнитное и электрическое поле связаны между собой правилом буравчика – правого винта (рис. 2.1).
а) б)
Рис. 2.1. Связь между направлением тока и силовыми линиями магнитного поля
При изготовлении первых генераторов постоянного тока использовались знания об электромагнитных явлениях, полученных опытным путём. Дальнейшие исследования позволили сформулировать теоретическое объяснение возникновения ЭДС (электродвижущей силы) при взаимодействии проводящего контура и магнитного поля.
Величина ЭДС
измеряется в единицах электрического
потенциала
– вольтах (
).
Электрический
потенциал количественно равен работе,
которую необходимо совершить для
перемещения единичного положительного
заряда из данной точки электрического
поля в бесконечно удалённую
(там где потенциал электрического поля
равен нулю).
Согласно закону электромагнитной индукции всякое изменение магнитного потока сквозь проводящий контур вызывает электрический ток, а в случае незамкнутого контура наводит ЭДС в данном контуре.
Электрический
ток – это направленное движение или
перемещение электрических зарядов.
Величина тока измеряется в амперах (
).
Электрические заряды измеряются в
кулонах (
).
Связь между током и зарядом определяет
равенство:
.
Общее правило для определения направления индуцируемого тока формулируется так: возникающий ток в контуре стремится препятствовать изменению потока. В случае разомкнутого контура наводимое ЭДС будет иметь направление, способствующее возникновению тока по указанному правилу.
Здесь под потоком
понимается произведение величины
индукции
(!) магнитного
поля
(интенсивности магнитного поля) на
площадь (рис. 2.2,в),
перпендикулярную силовым линиям поля.
Величина магнитной индукции есть
векторная величина, определяемая через
силу Лоренца. В системе СИ измеряется
в единицах – веберах (
).
Каждая линия магнитной индукции
обязательно охватывает собой линию
тока, и соответственно всякий ток имеет
свои линии
.
Величину потока для рамки в однородном поле можно вычислить через площадь рамки как:
|
( 2.1 ) |
,
где угол
отсчитывается между направлением линий
и плоскостью рамки (рис. 2.2,а).
Магнитный поток есть скаляр, измеряется
в системе СИ в единицах – тесла (
).
Можно сделать промежуточный вывод о том, что как угодно быстро перемещая всю рамку в однородном поле изменение потока сквозь неё будет равно нулю и ЭДС наводиться не будет.
|
а ) б) в) |
Рис. 2.2. Появление ЭДС при изменении потока магнитного поля |
С математической точки зрения закон электромагнитной индукции для одновиткового контура запишется как
|
(2.2 ) |
.Из-за свойства препятствия изменению потока в формуле (2.2) появляется знак минус.
Технически более эффективно вращать рамку в однородном поле (рис. 2.3).
Поскольку за
единицу времени
происходит изменение площади рамки
(для рис. 2.3,б
,
т.е. площадь увеличивается), то величина
потока сквозь рамку пропорционально
меняется (увеличивается), а в момент
времени, показанном на рис. 2.3,в
поток незначительно уменьшается.
Наибольшая величина ЭДС будет в момент
времени, соответствующий рис. 2.3,б.
В рамке, относительно её фиксированных зажимов, наводимая ЭДС будет менять направление. Для получения постоянного тока был применён щёточный контакт (рис. 2.3,а), который позволил получать пульсирующий ток постоянного направления.
Если применить большое количество токопроводящих контуров (рамок), расположенных с угловым смещением по окружности, возможно получать практически постоянный ток, а для не замкнутого контура – постоянную ЭДС (рис. 2.4).
В генераторах
источником магнитного поля выступает
поле соленоида (рис. 2.5), созданное
постоянным током возбуждения (
).
На рис. 2.5,б
в точке
векторы магнитной индукции (интенсивности
магнитного поля) от соседних витков
и
геометрически складываясь, увеличивают
результирующую магнитную индукцию, а
в точке
взаимно компенсируются. При достаточно
плотной намотке результирующее поле
имеет однородный характер внутри катушки
и на её оси в центре непосредственно
при выходе из неё.
Результирующий
поток в сечении каждого витка зависит
от положения витка в катушке, поэтому
для многовиткового контура вместо
потока
вводится понятие потокосцепления
,
которое показывает степень взаимодействия
всех витков обмотки с изменяющимся
потоком.
|
а ) б) в) |
Рис. 2.3. Появление ЭДС во вращающейся рамке |
|
|
Рис. 2.4. Основные элементы конструкции генератора постоянного тока |
||
|
а ) б) |
Рис. 2.5. Формирование поля соленоида |
|
Тогда запись закона электромагнитной индукции примет вид
|
( 2.3 ) |
.
Для улучшения
условий существования магнитного поля
применяют ферромагнитные материалы –
так называемые «магнитомягкие»
стали. Чаще всего в силовой электроэнергетике
этим материалом является электротехническая
сталь с относительной магнитной
проницаемостью
не менее чем в
раз большей, чем у вакуума. Таким образом,
наличие материала со значительной
величиной
позволяет при той же величине тока
возбуждения
примерно в
раз увеличить величину магнитной
индукции
и одновременно сформировать путь
прохождения магнитного потока
.
Так как величина получаемой ЭДС зависит не только от скорости вращения рамки (т.е. изменения потока во времени), но и от величины (интенсивности поля), то применение электротехнической стали позволяет, формируя поле соленоида подобное однородному полю постоянного магнита, получать более высокие значения величины ЭДС при меньших затратах на создание поля (т.н. поле возбуждения).
В отличие от генератора постоянного тока в генераторах переменного тока вращающимся выполнено поле соленоида (рис. 2.6). Это позволяет иметь фиксированные силовые контакты и значительно упростить конструкцию вращающейся части – ротора. Место подачи тока в систему возбуждения называют щёточным узлом.
При промышленном производстве электроэнергии на тепловых станциях наиболее оптимальной оказалась конструкция с так называемым массивным ротором (рис. 2.7,а). Сталь ротора называют бочкой ротора. Такой ротор применяют в генераторах на тепловых станциях, а такие генераторы называются турбогенераторами. Это объясняется значительной скоростью вращения паровой или иной турбины.
|
Рис. 2.6. Основные элементы конструкции трёхфазного генератора переменного тока |
а) б)
Рис. 2.7. Поперечное сечение неявнополюсного ротора турбогенератора (а) и явнополюсного ротора гидрогенератора (б)
На гидроагрегатах применяют явнополюсные роторы (рис. 2.7,б). Каждый полюс называют башмаком. Гидрогенераторы тихоходны, и для выработки синусоидального тока промышленной частоты необходимо большее количество пар полюсов (север – “N”, юг – “S”). Малая скорость вращения гидроагрегатов вызвана технологическими особенностями, так как при значительном моменте гидротурбина имеет сравнительно невысокие обороты, и параметры сильно зависят от напора и вырабатываемой мощности. Практически все гидротурбины значительной мощности разрабатываются под конкретную гидростанцию.
При промышленном производстве электроэнергии в генераторах переменного тока оказалось наиболее выгодным использовать три фазы (рис. 2.8).
Трёхфазной
электрической цепью
называют связанную особым образом
совокупность трёх электрических цепей,
в которых действуют сдвинутые относительно
друг друга на электрический угол
синусоидальные ЭДС, создаваемые общим
источником электрической энергии.
|
а ) б) |
Рис. 2.8. Поясняющий рисунок работы трёхфазного генератора |
Для получения
указанного сдвига достаточно расположить
обмотки фаз со сдвигом в пространстве.
Для генератора с одной парой полюсов
(рис. 2.8,а)
обмотка каждой фазы на статоре имеет
сдвиг на угол в пространстве между
геометрическими центрами обмоток
.
Скорость вращения
ротора может быть различной, и в качестве
её количественной характеристики
вводится понятие синхронной
частоты
,
измеряемой в герцах
и характеризующей периодичность
электрических параметров: тока
и напряжения
.
В качестве стандартной синхронной
частоты в ряде стран (включая Россию)
принята величина
,
вторая группа стран приняла в качестве
стандарта
.
Выбор в основном диктуется средними
расстояниями линий электропередачи, и
при более коротких линиях электропередачи
оказывается выгоднее большее значение
.
Во многих автономных системах
электроснабжения (воздушные и морские
суда) применяют
и выше.
Для выработки электроэнергии на частоте синхронная скорость вращения ротора (при ) составит:
|
( 2.4 ) |
,
где
– количество секунд в минуте.
На рис. 2.8 схематически показано расположение обмоток статора и обмотки возбуждения ротора и изображена примерная конфигурация поля ротора. При совпадении оси ротора с положением потокосцепление поля ротора c обмоткой фазы статора начинает увеличиваться, и величина ЭДС имеет в этот момент имеет отрицательное значение (рис. 2.9), так как является причиной создания тока, который бы препятствовал увеличению суммарного потока магнитного поля сквозь эквивалентный контур фазы .
В положении
потокосцепление
прекращает свой рост, и ЭДС в фазе
принимает нулевое значение. В положении
потокосцепление
убывает, и ЭДС принимает положительное
значение.
Рис. 2.9. Поясняющий рисунок наведения ЭДС в обмотке фазы А статора генератора
Распределение витков обмотки фазы статора выполняется таким образом, чтобы получаемая ЭДС имела синусоидальную форму.
На рис. 2.10 схематично
показано влияние геометрического
распределения обмоток статора на форму
магнитодвижущей силы
(МДС).
Рис. 2.10. Поясняющий рисунок принципа формирования синусоидальности МДС
Синусоидальность ЭДС имеет очень важное значение, так как разные элементы электрической цепи оказывают различное влияние на параметры протекающих в них электромагнитных процессов. Зависимости между напряжением и током в наиболее распространённых линейных элементах имеют вид:
– для активного сопротивления |
|
|
– для индуктивности |
|
|
– для ёмкости |
|
|
;
;
.
.Таким образом, при синусоидальной ЭДС и ток в схеме остаётся синусоидальным (отличается угловым смещением относительно ЭДС). Единый закон изменения электрических величин в сети позволяет получать более эффективные технические решения, применять единый математический аппарат расчёта электромагнитных величин.
В большинстве случаев справедливы следующие утверждения: преобразование механической энергии в электрическую осуществляется электрическими машинами – генераторами, обратное преобразование осуществляется электрическими машинами – двигателями.
В зависимости от рода тока различают машины постоянного и переменного тока. Практически все машины переменного тока рассчитаны на работу с синусоидальным переменным током. Действия всех трёхфазных машин основаны на принципе вращающегося электромагнитного поля. В синхронных машинах ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле. В асинхронных машинах скорость вращение ротора отлична от скорости вращения электромагнитного поля.
Наиболее важным преимуществом трёхфазной электрической системы является постоянство передаваемой мгновенной активной мощности.
Активной мощностью
называют удельную величину безвозвратно
теряемой электрической энергии за счёт
преобразования её в другие виды энергии.
В частности, при протекании тока по
активному сопротивлению выделяется
тепло по закону Джоуля-Ленца (
).
Её мгновенное значение равно произведению
мгновенного значения электрического
тока и напряжения (
).
Для одной фазы передаваемая в сеть
активная мощность имеет зависимость:
|
( 2.5 ) |
,
где
– угловая скорость изменения электрической
величины на частоте
;
– электрический угол отставания тока
от ЭДС во времени;
‑ амплитудные значения ЭДС и тока
соответственно. Амплитудным
называется максимальная положительная
величина мгновенного значения
периодического синусоидального сигнала
(рис. 2.11).
Для практических целей удобным оказалось пользоваться не амплитудными, а действующими значениями электрических величин. Действующим значением называют среднеквадратичную величину за период, и ввели её для количественной связи сигнала заданной формы с законами для постоянного тока:
|
|
.
Для синусоидальных
величин амплитудное значение в
раз больше действующего значения:
|
|
.
Три фазы в
электроэнергетике принято обозначать
начальными буквами латинского алфавита:
,
и
.
Если во всех трёх фазах амплитудные
значения токов и напряжений в фазах
равны между собой, а угловой сдвиг
соответствует
,
то режим сети называют симметричным, и
соответственно ведут речь о симметричной
системе токов и напряжений.
Рис. 2.11. Основные характеристики синусоидального сигнала
Используя
тригонометрические формулы преобразования
произведения синусов тока и ЭДС,
зависимость активной мощности
примет вид:
|
( 2.6 ) |
.
Учитывая, что
функция
– чётная, фазные электрические величины
в симметричном режиме отличаются на
электрический угол
,
суммарная мощность всех трёх фаз не
будет зависеть от параметра
и будет равна:
|
( 2.7 ) |
|
( 2.8 ) |
Для электрических цепей синусоидального тока вводится понятие реактивной мощности, т.е. части удельной мгновенной энергии, которая запасается в виде электрического или магнитного полей при текущих мгновенных величинах напряжений и токов соответственно. Термин реактивная мощность, отражает тот факт, что при уменьшении напряжения или тока запасённая энергия электрического или магнитного поля возвращается в электрическую сеть.
Значительным преимуществом трёхфазной сети является возможность передавать большую удельную мощность на один провод. Для действующих величин мощностей это соотношение имеет вид:
– для однофазного режима (два провода) |
|
|
– для трёхфазного режима (три провода) |
|
|
;
.Однако определяющим фактором широкого распространения трёхфазной электрической системы явилось наличие вращающего магнитного поля в электрических машинах без биения момента, пропорционального потребляемой активной мощности за счёт геометрического повторения разноса фазных обмоток. Вращающееся магнитное поле есть следствие пространственного смещения обмоток и временного сдвига фаз питающих токов на угол .
От первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70 – 80-х годах XIX в. прошло более лет.
Первые электрические установки были на постоянном токе и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности.
С разработкой
электромашинных источников (генераторов,
построенных на использовании принципа
электромагнитной индукции) появились
первые электростанции (блок-станции)
для питания, в основном, электрического
освещения, а также дополнительно –
вентиляторов, насосов и подъемников.
Генераторы этих электростанций
приводились во вращение поршневыми
паровыми машинами. Радиус электроснабжения
составлял от
до
на постоянном токе. Выдержав конкуренцию
с газовыми компаниями, эти станции
быстро развивались (в первую очередь,
в крупных городах – Париже, Нью-Йорке,
Петербурге и др.).
Первый реальный
промышленный прорыв наступил в последней
четверти XIX в. с появлением генераторов
переменного тока. В 90-х годах XIX в. с
разработкой трехфазного синхронного
генератора, трансформаторов и асинхронного
двигателя начался переход на трехфазный
переменный ток. Первый опыт электропередачи
Лауфен – Франкфурт протяженностью
,
напряжением
и передаваемой мощностью
состоялся в 1891 г.
В конце XIX в.
напряжение электропередач достигло
.
Электроэнергия быстрыми темпами стала
завоевывать ведущие позиции в
промышленности, транспорте, быту.
В настоящее время практически повсеместно используются трехфазные системы переменного тока частотой 50 и 60 Гц.
Основными достоинствами электрической энергии являются:
возможности производства (в основном преобразование механической энергии в электрическую) – разнообразие используемых ресурсов (гидроэлектростанций – ГЭС, теплоэлектростанций – ТЭС, атомных электростанций –АЭС);
возможности концентрации мощностей и управления их размещением;
возможности передачи – надежной и экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния;
возможности распределения – простота канализации электроэнергии потребителям независимо от их мощности;
возможности потребление – простота и экономичность преобразования электроэнергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую), а также существование ряда высокоэффективных электротехнических технологий – электролиз, гальванотехника.
Вопросы для самоконтроля:
Теоретические основы получения электродвижущей силы (ЭДС).
Принцип работы и основные элементы конструкции генератора постоянного тока.
Принцип работы и основные конструктивные особенности синхронного генератора переменного тока.
Трёхфазная система получения электроэнергии и её преимущества.
Основные достоинства электрической энергии.