Преобразование электрической энергии в другие виды. Общие сведения о технологии преобразования

Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: была синтезирована пластмассовая пленка, которая в щелочном растворе растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а в соляной кислоте, напротив - сокращается. В экспериментах использовались белковые волокна и растворы солей различных концентраций. Деформированная пленка может совершать полезную механическую работу. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок.

Названные способы прямого преобразования энергии вряд ли найдут широкое применение для промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится в результате преобразования внутренней энергии топлива по известной схеме:

химическая энергия топлива ->мечтая энергия -> механическая энергия -> электроэнергия.

При прямом преобразовании химической энергии в электрическую исключаются две промежуточные стадии превращения, что приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к повышению

КПД и в конечном счете к сбережению природных ресурсов. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения экологических требований к энергетическим системам и транспорту как основным потребителям энергоресурсов, вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии, существенно возрастет уже в ближайшем будущем.

Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различные аккумуляторы. В разработанных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование энергии. По принципу действия они похожи на электрохимические элементы с той разницей, что электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Так, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод - из того же сплава с внедрением серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Казалось бы, двигатели на водороде обладают явными преимуществами. Почему же они не внедряются широко и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на этот вопрос включает пока две нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать.

Получают водород разными способами: термохимическим превращением ископаемых углеводородов и биомассы, электрохимическим разложением воды, фотоэлектрохимическим и фотобиологи- ческим превращением воды.

Для хранения водорода в жидком и газообразном состояниях на стационарных и мобильных объектах используются легкие, но прочные стеклопластиковые баллоны. Прошли также испытания баки для автомобилей, в которых водород находится в химически связанном виде в металлогидридах. Разрабатываются надежные системы хранения водорода с помощью углеродных нанотрубок.

Водород применяется в транспорте различного вида: в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в топливных элементах для питания колесных электродвигателей, в воздушных, водных и подводных судах, в жидкостно-ракетных двигателях.

В 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторе» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. КПД такого двигателя очень высокий - около 85%, что существенно превышает аналогичный показатель для бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов: отработанные продукты - водяные пары.

Дляширокоговнедренияводородныхдвигателейнеобходиморешить проблему дешевого производства топлива - водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водородное топливо, подобно нефти, будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5-6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины - в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом объеме производить дешевые энергоресурсы - водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным и привычным делом.

В последнее время все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он очень быстро набирает скорость - за 20 с до 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет немалое расстояние - 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая - около 350 °С, что требует дополнительных мер безопасности.

Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была не так уж мала и для нашего времени - 80 км.

Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили на никель- металлогидридных аккумуляторах, обладающих в 2-3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.

В последние годы большое внимание уделяется разработке разных видов топливных элементов, которые отличаются составом электродов, электролита и конструкцией. Например, в щелочных топливных элементах электролитом служит гидрооксид калия. В топливных элементах с фосфорной кислотой анод и катод выполнены из мелкодисперсного платинового катализатора, напыленного на углеродную основу, а электролит представляет собой матрицу из карбида кремния, содержащую фосфорную кислоту. Рабочая температура таких элементов равна 150-220 °С. Применяются они в стационарных условиях (отели, офисы) и на разных автомобилях.

Топливные элементы с расплавом углеродной соли могут работать на водороде, оксиде углерода, природном газе, дизельном топливе. Их КПД при выработке электроэнергии и тепла достигает 35%.

Высокой стабильностью работы и надежностью отличаются твердооксидные топливные элементы, производство которых было налажено в 2003 г. Они могут потреблять разные виды топлива. Их мощность - до 250 кВт и КПД - 85%. Твердооксидные топливные элементы содержат твердый керамический электролит из тонкого слоя оксида циркония, лантан-манганитовый катод и никель- циркониевый анод. Топливные элементы такого вида эффективно работают в гибридных энергетических системах.

Создаются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом служит алюминиевая пластина, а электролитом - водный раствор поваренной соли. Электрическая подзарядка такому элементу не нужна, поскольку энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса - около 80%, и при окислении в условиях обычной температуры 1 кг алюминия выделяет примерно столько энергии, сколько 1 кг каменного угля при сгорании на воздухе при очень высокой температуре.

Достоинств у таких источников энергии много: простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток практически один: дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его производства. Такой недостаток можно свести к минимуму с помощью внедрения новой технологии производства алюминия. При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах получить сравнительно большую емкость, а также увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Срок их службы - около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

При прохождении тока в проводнике с сопротивлением происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, что и приводит к нагреванию проводника.

Э.Х. Ленц (1804-1865).

Скорость рассмотренного преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью

имея в виду, что получаем:

Количество электрической энергии, переходящей в тепловую за время t,

Так как в системе СИ единицей энергии и единицей количества тепла является джоуль, то выделенное током в сопротивлении тепло

Полученная зависимость была установлена опытным путем в 1844 г. русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем и называется законом Джоуля - Ленца: количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую в электрических печах и различных нагревательных приборах имеет полезное применение. В электрических машинах и аппаратах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии т. е. потерями энергии, снижающими их к. п. д. Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокрщцение срока службы установки.

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:

• 1. Выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).
• 2. Инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).
• 3. Преобразование частоты - преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.
• 4. Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.
• 3. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое постоянное напряжение (например, источники питания радиотехнической или электронной аппаратуры).

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.

Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.

Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.

Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.

Появление новых типов силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO - gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT - insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Области применения импульсных преобразователей напряжения с новыми классами приборов также расширились. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).

Большие вложения делаются в производство энергии с использованием энергосберегающих технологий, когда возобновляемые первичные источники используются либо для возврата энергии в сеть, либо для подзарядки накопителя (аккумулятора) в установках с повышенной надежностью энергоснабжения. Появляются новые классы преобразователей для электроприводов с вентильно-индукторными двигателями (SRD - switched reluctanse drive). Эти преобразователи представляют собой многоканальные (число каналов обычно от трех до восьми) коммутаторы, обеспечивающие поочередно подключение обмоток статора двигателя с регулируемыми частотой и напряжением. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бытовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.).

Помимо совершенствования элементной базы силовых преобразовательных цепей на стратегию решения схемотехнических задач оказало огромное влияние развитие микроконтроллерных устройств и цифровых методов обработки информации.

3.1 Энергия и её виды

3.2 Способы получения и преобразования энергии

3.3 Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования

3.4 Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую

3.5 Ветроэнергетика

3.6 Гидроэнергетика

3.7 Биоэнергетика

3.8 Транспортирование тепловой и электрической энергии

3.8.1 Транспортирование тепловой энергии

3.8.2 Транспортирование электрической энергии

3.9 Энергетическое хозяйство промышленных предприятий

3.1 Энергия и её виды

Энергия (от греч. energeie - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация). Работа - это энергия в действии.

Во всех механизмах при совершении работы энергия переходит из одного вида в другой. Но при этом нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого, при любых ее превращениях, т. к. это противоречит закону сохранения энергии.

Различают следующие виды энергии: механическая; электрическая; тепловая; магнитная; атомная.

Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими факторами:

Получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;

Возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;

Способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;

Отсутствием загрязнения окружающей среды;

Внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:

На тепловой электрической станции (ТЭС) - тепловая;

Гидроэлектростанции (ГЭС) - механическая (энергия движения воды);

Гидроаккумулирующей станции (ГАЭС) - механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);

Атомной электростанции (АЭС) - атомная (энергия ядерного топлива);

Приливной электростанции (ПЭС) - приливов.

В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

Конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

3.2 Способы получения и преобразования энергии

Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 6.

Как видно из представленной схемы, поступающее со склада (С) в парогенератор (ПГ) топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ) воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 °С. В турбине (Т) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г), который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К) отработанный пар с температурой 123 …125 °С отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н) в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор.

Рисунок 6 - Схема работы ТЭС

Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

Районные , или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

Газотурбинная установка - это двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию и затем частично превращается в механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию.

Рисунок 7 - Схема газотурбинной установки с подводом тепловой энергии при  = с onst

1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 - топливный насос; 5 - камера сгорания

В простейшей газотурбинной установке постоянного горения (рисунок 7) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающего топливным насосом 4, при постоянном давлении. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Парогазовая установка - это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела - водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.

Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок 8) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.

Рисунок 8 - Схема парогазовой установки

1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 – топ-ливный насос; 5 - камера сгорания; 6 - подогреватель; 7 - котел; 8 - паровая турбина; 9 - конденсатор водяного пара; 10 - питательный насос

Отработанные газы с температурой 350 °С и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой

540 °С. В ней пар расширяется, производя техническую работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, а образовавшийся конденсат при помощи насоса 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем - в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок - свыше 60 %.

О том, насколько эффективно внедрение паротурбинных установок, показывает внедрение в Витебском производственном объединении «Витязь» двух паротурбинных установок, которые способны вырабатывать 1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до 30 тыс. долларов на покупку энергии. Срок окупаемости проекта - чуть больше года.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоёмов преобразуется в электрическую энергию.

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

Создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

Превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;

Превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой такую гидроэлектростанцию, в которой поступление воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается искусственно, посредством насосов, работающих за счет электроэнергии из системы. Она оборудована кроме турбин насосами (помпами) или только турбинами, которые могут работать в режиме помп (обратные турбины) для подъема воды в часы малых нагрузок в энергосистеме с нижнего бьефа в водохранилище верхнего бьефа за счет подключения к энергосистеме. При больших нагрузках ГАЭС работают как обычные ГЭС.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно-, двух-, и трехконтурными.

Схема выработки электроэнергии на одноконтурной АЭС представлена па рисунке 9. Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

Рисунок 9 - Тепловая схема простейшей одноконтурной атомной электростанции

1 - атомный реактор; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4- конденсатор водяных паров; 5 - питательный насос

В двухконтурных схемах производства электроэнергии на АЭС имеется два самостоятельных контура (рисунок 10) - теплоносителя и рабочего тела. Общее оборудование у них - парогенератор, в котором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор.

Рисунок 10 - Тепловая схема простейшей двухконтурной атомной электростанции

1 - атомный реактор; 2 - теплообменник-парогенератор; 3 - главный циркуляционный насос; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - конденсатор водяных паров; 7 - питательный насос

Давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Хотя парогенератор усложняет установку и уменьшает её экономичность, но препятствует радиоактивности во втором контуре.

В трехконтурной схеме теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Трехконтурная схема требует больших затрат, но обеспечивает безопасную работу реактора.

Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС -ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое топливо). Один грамм урана содержит 2,6 10 ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.

Однако при эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах. Поэтому АЭС является источником радиационной опасности для обслуживающего персонала и проживающего вблизи населения, что повышает требование к надежности и безопасности её эксплуатации.

Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) - это тепловая электростанция, выраба-тывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потре-бителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных.

Генераторные установки вырабатывают однофазный или трехфазный ток промышленный частоты, а химические источники - постоянный. При этом на практике довольно часто возникают ситуации, когда одного вида электроэнергии недостаточно для работы определенных устройств и требуется выполнять ее преобразование.

С этой целью промышленностью выпускается большое количество электротехнических устройств, которые оперируют с разными параметрами электрической энергии, превращая их из одного вида в другой с различными напряжениями, частотой, количеством фаз и формами сигналов. По выполняемым функциям они подразделяются на устройства преобразования:

простые;

с возможностью регулирования выходного сигнала;

наделенные способностью стабилизации.

Способы классификации

По характеру выполняемых операций преобразователи делят на устройства:

выпрямления;

инвертирования в один или несколько этапов;

изменения частоты сигнала;

преобразования числа фаз электрической системы;

модификации вида напряжения.

По способам управления происходящих алгоритмов регулируемые преобразователи работают на:

импульсном принципе, используемом в схемах постоянного тока;

фазовом методе, применяемом в цепях гармоничных колебаний.

Самые простые конструкции преобразователей могут не наделяться функцией управления.

Все устройства преобразования могут использовать один из следующих видов электрической схемы:

мостовую;

нулевую;

на основе трансформатора или без него;

с одной, двумя, тремя или несколькими фазами.

Выпрямительные устройства

Это наиболее распространенный и старый класс преобразователей, позволяющих получать выпрямленный или стабилизированный постоянный ток из переменного синусоидального обычно промышленной частоты.

Раритетные экспонаты

Маломощные устройства

Буквально несколько десятилетий назад в радиотехнических и электронных устройствах еще использовались селеновые конструкции и ламповые на основе вакуума приборы.

В основе подобных устройств использовался принцип выпрямления тока одним единичным элементом из селеновой пластины. Их последовательно собирали в единую конструкцию через монтажные переходники. Чем выше требовалось напряжение для выпрямления, тем большее количество таких элементов использовалось. Они не отличались большими мощностями и выдерживали нагрузку в несколько десятков миллиампер.

У ламповых выпрямителей внутри герметичного стеклянного корпуса создавался вакуум. В нем располагались электроды: анод и катод с нитью накала, обеспечивающей протекание термоэлектронной эмиссии.

Подобный ламповые приборы обеспечивали питание постоянным током для различных схем радиоприемников и телевизоров вплоть до конца прошлого столетия.

Игнитроны - мощные устройства

В промышленных устройствах раньше широко использовались ионные ртутные приборы с анодом и катодом, работающие по принципу управляемого дугового заряда. Они применялись там, где требовалось оперировать нагрузкой постоянного тока с силой в сотни ампер при выпрямленном напряжении до пяти киловольт включительно.

Для протекания тока от катода в направлении анода использовался поток электронов. Он создавался за счет дугового разряда, вызываемого на одном или нескольких участках катода, называемых светящимися катодными пятнами. Они формировались при включении вспомогательной дуги от поджигающего электрода до момента зажигания основной.

Для этого создавались кратковременные импульсы в несколько миллисекунд с силой тока до десятков ампер. Изменение формы и силы импульсов позволяло управлять работой игнитрона.

Эта конструкция обеспечивала хорошее поддержание напряжения при выпрямлении и довольно высокий КПД. Но, техническая сложность конструкции и трудности эксплуатации привели к отказу от ее использования.

Полупроводниковые приборы

Диоды

В основу их работы положен принцип проводимости тока в одну сторону за счет свойств p-n перехода, образованного контактами между полупроводниковыми материалами или металлом и полупроводником.

Диоды пропускают ток только определенного направления, а при прохождении через них переменной синусоидальной гармоники срезают одну полуволну и за счет этого широко используются как выпрямительные устройства.

Современные диоды выпускаются очень широким ассортиментом и наделяются разнообразными техническими характеристиками.

Тиристоры

В составе тиристора используется четыре слоя проводимости, образующих более сложную полупроводниковую структуру, чем у диода с тремя последовательно соединенными p-n переходами J1, J2, J3. Контакты с внешним слоем «p» и «n» используются в качестве анода и катода, а с внутренним - как управляющий электрод УЭ, который применяется для включения тиристора в работу и выполнения регулирования.

Выпрямление синусоидальной гармоники производится по тому же принципу, как и у полупроводникового диода. Но, для работы тиристора необходимо учесть определенную особенность - структура его внутренних переходов должна быть открыта для прохождения электрических зарядов, а не закрыта.

Это осуществляется пропусканием тока определенной полярности через управляющий электрод. На картинке ниже показаны способы открытия тиристора, используемые заодно для регулировки величины пропускаемого тока в разные моменты времени.

При подаче тока через УЭ в момент перехода синусоиды через нулевое значение создается максимальная величина, которая постепенно уменьшается в точках «1», «2», «3».

Таким способом происходит выпрямление тока в комплексе с регулированием тиристором. Аналогичным образом работают симисторы и мощные полевые MOSFET и/или AGBT транзисторы в силовых цепях. Но, они не выполняют функцию выпрямления тока, пропуская его в обоих направлениях. Поэтому в их схемах управления используется дополнительный алгоритм прерывания импульса.

Преобразователи постоянного тока

Эти конструкции осуществляют обратную выпрямителям операцию. Они применяются для выработки переменного синусоидального тока из постоянного, получаемого от химических источников тока.

Раритетные разработки

С конца XIX века для преобразования постоянного напряжения в переменное использовались электрические машинные конструкции. В их состав входил электродвигатель постоянного тока, получавший энергию от аккумулятора или комплекта батарей и генератор переменного напряжения, якорь которого вращался от привода двигателя.

В отдельных устройствах обмотка генератора наматывалась прямо на общем роторе двигателя. При этом способе не только меняли форму сигнала, но и, как правило, увеличивали амплитуду напряжения или частоту.

Если на якоре генератора намотаны три разнесенные по 120 градусов обмотки, то с его помощью получали уже равноценное симметричное трехфазное напряжение.

Умформеры широко использовались вплоть до 70-х годов для радиоламповых устройств, оборудования троллейбусов, трамваев, электровозов до массового внедрения полупроводниковых элементов.

Инверторные преобразователи

Принцип работы

За основу рассмотрения возьмем схему проверки тиристора КУ202 от батарейки и лампочки.

В цепь подачи плюсового потенциала батарейки на анод врезан нормально замкнутый контакт кнопки SA1 и лампочка накаливания малой мощности. Подключение управляющего электрода выполнено через токоограничивающий резистор и открытый контакт кнопки SA2. Катод соединен жестко с минусом батарейки.

Если в момент времени t1 нажать кнопку SA2, то по цепочке управляющего электрода на катод потечет ток, который откроет тиристор и лампочка, включенная в анодную ветвь, загорится. Она, благодаря конструктивной особенности этого тиристора, будет продолжать гореть даже при размыкании контакта SA2.

Теперь в момент времени t2 нажмем на кнопку SA1. Цепь питания анода обесточится, а лампочка погаснет из-за того, что прохождение тока через нее прекратится.

На графике представленной картинки видно, что внутри промежутка времени t1÷t2 проходил постоянный ток. Если переключения кнопок выполнять очень быстро, то можно сформировать с положительным знаком. Точно так же можно создать отрицательный импульс. С этой целью достаточно немного изменить схему для прохождения тока противоположного направления.

Последовательность двух импульсов положительного и отрицательного значения создает форму сигнала, называемого в электротехнике «меандр». Его прямоугольная форма довольно грубо напоминает синусоиду с двумя полуволнами противоположных знаков.

Если в рассмотренной схеме заменить кнопки SA1 и SA2 контактами реле или транзисторными ключами и коммутировать их по определенному алгоритму, то можно будет в автоматическом режиме создавать ток с формой меандра и подгонять его под определенную частоту, скважность, период. Такими переключениями занимается специальная электронная схема управления.

Структурная схема силовой части

В качестве примера рассмотрим наиболее простую систему первичных цепей инвертора, работающего по мостовой схеме.

Здесь вместо тиристора формированием прямоугольного импульса занимаются специально подобранные полевые транзисторные ключи. В диагональ их моста включено сопротивление нагрузки Rн. Силовые электроды каждого транзистора «исток» и «сток» встречно соединены с шунтирующими диодами, а на «затвор» подключены выходные контакты схемы управления.

За счет автоматической работы управляющих сигналов на нагрузку выдаются различные по длительности и знаку импульсы напряжения. Их очередность и характеристики подогнаны под оптимальные параметры выходного сигнала.

Под действием приложенных напряжений на диагональном сопротивлении с учетом переходных процессов возникает ток, форма которого уже больше приближена к синусоиде, чем у меандра.

Сложности технической реализации

Для хорошего функционирования силовой схемы инверторов необходимо обеспечивать надежную работу системы управления, которая основана на коммутации ключей. Они наделяются свойствами двусторонней проводимости и формируются за счет шунтирования транзисторов подключением обратных диодов.

С целью регулирования амплитуды выходного напряжения чаще всего используется за счет выбора площади импульса каждой полуволны методом управления ее длительностью. Кроме этого способа встречаются устройства, работающие на амплитудном импульсном преобразовании.

В процессе формирования выходных цепей напряжения возникает нарушение симметрии полуволн, которое отрицательно сказывается на работе индуктивных нагрузок. Наиболее характерно это заметно у трансформаторов.

При работе системы управления задается алгоритм формирования ключей силовой цепи, включающий три этапа:

1. прямой;

2. короткозамкнутый;

3. инверсный.

На нагрузке возможны появления не только пульсирующих, но и изменяющихся по направлению токов, которые создают дополнительные помехи на зажимах источника.

Типовые конструкции

Среди множества различных технологических решений, используемых для создания инверторов, распространены три схемы, рассматриваемые по степени увеличения сложности:

1. мостовая без трансформатора;

2. с нулевым выводом трансформатора;

3. мостовая с трансформатором.

Формы выходных сигналов

Инверторы создаются для выдачи напряжений:

прямоугольного вида;

трапеции;

ступенчатых чередующихся сигналов;

синусоид.

Преобразователи фаз

Промышленность выпускает электродвигатели для работы в конкретных условиях эксплуатации с учетом питания от определенных видов источников. Однако, на практике возникают ситуации, когда по разным причинам необходимо подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть. Для этого разработаны различные электрические схемы и устройства.

Энергозатратные технологии

Статор трехфазного асинхронного двигателя включает в свой состав три разнесенные по 120 градусов навитые определенным образом обмотки, каждая из которых при подаче в нее тока своей фазы напряжения создает собственное вращающееся магнитное поле. Направление токов выбрано так, что их магнитные потоки дополняют друг друга, обеспечивая взаимное действие для вращения ротора.

Когда имеется всего одна фаза напряжения питания для такого двигателя, то возникает необходимость сформировать из нее три цепочки тока, каждая из которых тоже смещена на 120 градусов. Иначе вращение не получится или будет неполноценным.

В электротехнике существует два простых способа поворота вектора тока относительно напряжения методом подключения на:

1. индуктивную нагрузку, когда ток начинает отставать от напряжения на 90 градусов;

2. емкость для создания опережения тока на 90 градусов.

На приведенной картинке показано, что от одной фазы напряжения Ua можно получить ток, сдвинутый по углу не на 120, а только на 90 градусов вперед или назад. Причем для этого потребуется еще подбирать номиналы конденсаторов и дросселей чтобы создать допустимый режим работы двигателя.

В практических решениях подобных схем чаще всего останавливались на конденсаторном способе без использования индуктивных сопротивлений. Для этого в одну обмотку подавали напряжение фазы питания без каких-либо преобразований, а в другую - сдвинутую конденсаторами. В результате создавался приемлемый крутящий момент для двигателя.

Но чтобы раскрутить ротор требовалось создать дополнительный крутящий момент подключением третьей обмотки через пусковые конденсаторы. Использовать их для постоянной работы невозможно из-за образования больших токов в пусковой схеме, которые быстро создают повышенный нагрев. Поэтому эта цепочка включалась кратковременно для набора момента инерции вращения ротора.

Подобные схемы проще реализовывались благодаря простому формированию конденсаторных батарей определенных номиналов из отдельных доступных элементов. Дроссели же необходимо было самостоятельно рассчитывать и наматывать, что затруднительно выполнять не только в домашних условиях.

Однако, наилучшие условия для работы двигателя создавались при комплексном включении конденсатора и дросселя в разные фазы с подбором направлений токов в обмотках и применением токогасящих резисторов. При таком способе потери мощности двигателя составляли до 30%. Однако, конструкции подобных преобразователей были экономически не выгодны потому, что они потребляли для работы больше электроэнергии, чем сам двигатель.

Конденсаторная схема запуска тоже потребляет повышенную норму электричества, но в меньшей степени. К тому же, двигатель, подключенный в ее схему, способен выработать мощность, незначительно превышающую 50% от той, которая создавалась при нормальном трехфазном питании.

Из-за сложностей подключения трехфазного двигателя в цепь однофазного питания и больших потерь электроэнергии и выходной мощности такие преобразователи показали свою низкую эффективность, хотя продолжают работать в отдельных установках и станках.

Инверторные устройства

Полупроводниковые элементы позволили создать более рациональные преобразователи фаз, выпускаемые на промышленной основе. Их конструкции обычно предназначены для эксплуатации в трехфазных схемах, но они могут быть созданы для работы и с большим количеством разнесенных на разные углы цепочек.

При работе преобразователей, питаемых от одной фазы, выполняется следующая очередность технологических операций:

1. выпрямление однофазного напряжения диодной сборкой;

2. сглаживание пульсаций схемой стабилизации;

3. преобразование постоянного напряжения в трехфазное за счет метода инвертирования.

При этом силовая схема может состоять из трех однофазных частей, работающих автономно, как рассмотрено ранее, или одной общей, собранной, например, по системе автономного трехфазного инверторного преобразования с использованием нулевого общего провода.

Здесь на каждую нагрузку фазы работают свои пары полупроводниковых элементов, которые управляются от общей системы управления. Они создают синусоидальные токи в фазах сопротивлений Ra, Rb, Rc, которые подключены к общей схеме питания через нулевой провод. В нем происходит сложение векторов токов от каждой нагрузки.

Качество приближения выходного сигнала к виду чистой синусоиды зависит от общей конструкции и сложности используемой схемы.

Преобразователи частоты

На основе инверторов создаются устройства, позволяющие в широких пределах изменять частоту синусоидальных колебаний. Для этого поступающая на них электроэнергия в 50 герц претерпевает следующие изменения:

выпрямления;

стабилизации;

преобразования напряжения повышенной частоты.

В основу работы заложены те же принципы предыдущих конструкций за исключением того, что система управления на основе микропроцессорных плат формирует на выходе преобразователя выходное напряжение повышенной частоты в десятки килогерц.

Частотное преобразование на основе автоматических устройств позволяет оптимально регулировать работу электродвигателей в моменты пуска, торможения и реверса, а также удобно изменять скорость вращения ротора. При этом резко снижается вредное влияние переходных процессов во внешней электрической сети питания.

Сварочные инверторы

Основное назначение этих преобразователей напряжение состоит в поддержании стабильного горения дуги и легкого управления всеми ее характеристиками, включая поджиг.

С этой целью в конструкцию инвертора включены несколько блоков, осуществляющих последовательное выполнение:

выпрямления трехфазного или однофазного напряжения;

стабилизацию параметров фильтрами;

инвертирование из стабилизированного постоянного напряжения высокочастотных сигналов;

преобразование в/ч напряжения понижающим трансформатором для повышения величины сварочного тока;

вторичное выпрямление выходного напряжения для формирования дуги у сварки.

За счет использования высокочастотного преобразования сигнала значительно снижаются габариты сварочного трансформатора и экономятся материалы для всей конструкции. обладают большими преимуществами в эксплуатации по сравнении со своими электромеханическими аналогами.

Трансформаторы: преобразователи напряжения

В электротехнике и энергетике по-прежнему для изменения амплитуды сигнала напряжения наибольшее распространение имеют трансформаторы, работающие на электромагнитном принципе.

Они имеют две или большее количество обмоток и , по которому передается магнитная энергия для преобразования входного напряжения в выходное с измененной амплитудой.