Динамические свойства электростанций

Именно необходимостью снятия пиковых нагрузок объясняется строительство ГЭС.

Назначение

электрических машин и трансформаторов

Электрификация — это широкое внедрение в про­мышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, вырабатываемой на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрическая машинапредставляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электри­ческой энергии. Электрическая энергия выраба­тывается на электростанциях электрическими машинами — генераторами, преобразующими меха­ническую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на тепло­вых электростанциях.

В процессе потребления электрической энергии проис­ходит ее преобразование в другие виды энергий (тепловую, меха­ническую, химическую). Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами — электродвигателями.

Электродвигатели широко применя­ют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллей­бусов и др.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростан­циях, необходимо передать в места ее потребления. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами.

Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии.

Трансформатор — это ста­тическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин.

Отрасль науки и техники, занимающаяся развитием и произ­водством электрических машин и трансформаторов, называется электромашиностроением. Теоретические основы электромаши­ностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механиче­скую и создавшим первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электромашиностроения имели работы ученых Д. Мак­свелла и Э. X. Ленца.

Дальнейшее развитие идея взаимного преоб­разования электрической и

механической энергий получила в ра­ботах выдающихся русских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского, которыми были разработаны и созданы конст­рукции электродвигателей, пригодные для практического исполь­зования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их прак­тическом применении принадлежат замечательному русскому изобретателю П.Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созда­ны все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.

1. Электрические машины - электромеханические преобразователи

В процессе работы электрической машины в режиме генера­тора происходит преобразование механической энергии в элек­трическую. Природа этого процесса объясняется законом элек­тромагнитной индукции:если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рисунок 1), например, слева направо перпендикулярно вектору индук­ции В магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет на­водиться электродвижущая сила Е (ЕДС), В:

(1)

где - магнитная индукция, Тл;

- активная длина проводника, т.е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м;

- скорость движения проводника, м/с.

Рисунок 1 – «Элементарный генератор»

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рисунок 2).

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направле­ния. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматри­вать в этом случае как элементар­ный генератор.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возника­ет действующая на проводник элек­тромагнитная сила, Н:

(2)

Направление электромагнитной силы можно определить по правилу «левой руки» (рисунок 3). В элементарном генераторе сила является тормозящей по отношению к движущей силе F.

Рисунок 2 - Правило «правой руки»

Рисунок 3 – Правило «левой руки»

При равномерном движении проводника

(3)

Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

(4)

Подставим в формулу (4) формулу (2):

(5)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнит­ном поле; правая часть — значение электрической мощности, раз­виваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равен­ства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобра­зуется в электрическую.

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от ис­точника электроэнергии подвести к нему напряжение так, чтобы ток в проводнике имел направление, указанное на рисунке 4, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в маг­нитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направ­лением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

(6)

где - электрическое сопротивление проводника, Ом.

Умножим обе части равенства (6) на ток :

(7)

Подставляя в формулу (7) формулу (1), получим:

(8)

Или, согласно выражению (2), получим:

(9)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность, поступающая в проводник, частично преобразуется в механиче­скую, а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике. Следовательно, проводник с током, по­мещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен­тарный электродвигатель.

Рисунок 4 – «Элементарный двигатель»

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод:

а) для любой электрической машины обязательно наличие электропро­водящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих воз­можность взаимного перемещения;

б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя од­новременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, дейст­вующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при про­текании по нему электрического тока;

в) взаимное преобразова­ние механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигате­ля, так и в режиме генератора; это свойство электрических ма­шин называют обратимостью.Принцип обратимости электри­ческих машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

2. Классификация электрических машин

Электрические машины в зависимости от отрасли и цели применения подразделяются:

1) электромашинные преобразователи - электрические машины, служащие для преобразования пере­менного тока в постоянный или же для преобразования тока промышленной частоты в ток более высокой частоты;

2) электромашинные усилители - электрические машины, используемые для усиления мощ­ности электрических сигналов;

3)синхронные компенса­торы - электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии;

4)индукционные регуля­торы - электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока.

Микромашиныв устройствах автоматики и вычислительной техники применяют в качестве:

1) тахогенераторов - для преобразования частоты вращения в элек­трический сигнал

2) сельсинов, вращающихся трансформаторов - для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала и т. п.