Fizyka, wytwarzanie, przesyłanie i wykorzystanie energii elektrycznej. Produkcja, przesył i zużycie energii elektrycznej. Transformator

Lekcja wideo 2: Zadania dla prąd przemienny

Wykład: Prąd przemienny. Produkcja, transmisja i konsumpcja energia elektryczna

Prąd przemienny- są to oscylacje, które mogą wystąpić w obwodzie w wyniku podłączenia go do źródła napięcia przemiennego.

To prąd zmienny, który nas otacza - jest obecny we wszystkich obwodach w mieszkaniach, to prąd zmienny jest przesyłany przewodami. Jednak prawie wszystkie urządzenia elektryczne są zasilane prądem stałym. Dlatego na wyjściu z gniazdka prąd jest prostowany i w postaci stałej trafia do sprzętu AGD.

Jest to prąd przemienny, który najłatwiej jest odbierać i przesyłać na dowolną odległość.

W badaniu prądu przemiennego wykorzystamy obwód, w którym podłączymy rezystor, cewkę i kondensator. W tym obwodzie określane jest napięcie zgodnie z prawem:

Jak wiemy, sinus może być ujemny i dodatni. Dlatego wartość napięcia może przybrać inny kierunek. Przy dodatnim kierunku przepływu prądu (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) napięcie jest większe od zera, przy ujemnym kierunku jest mniejsze od zera.

Rezystor w obwodzie

Rozważmy więc przypadek, w którym do obwodu prądu przemiennego podłączony jest tylko rezystor. Rezystancja rezystora nazywana jest aktywną. Rozważymy prąd płynący w obwodzie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W takim przypadku zarówno prąd, jak i napięcie będą dodatnie.

Aby określić natężenie prądu w obwodzie, użyj następującego wzoru z prawa Ohma:

W tych formułach I 0 oraz U 0 - maksymalne wartości prądu i napięcia. Z tego możemy wywnioskować, że maksymalna wartość prądu jest równa stosunkowi maksymalne napięcie do czynnego oporu:

Te dwie wielkości zmieniają się w tej samej fazie, więc wykresy wielkości mają tę samą postać, ale różne amplitudy.

Kondensator w obwodzie

Pamiętać! Niemożliwe do zdobycia Waszyngton w obwodzie z kondensatorem. To miejsce przerwania przepływu prądu i zmiany jego amplitudy. W takim przypadku prąd przemienny przepływa idealnie przez taki obwód, zmieniając polaryzację kondensatora.

Rozważając taki obwód, założymy, że zawiera tylko kondensator. Prąd płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, czyli jest dodatni.

Jak już wiemy, napięcie na kondensatorze jest związane z jego zdolnością do magazynowania ładunku, czyli jego wielkością i pojemnością.

Ponieważ prąd jest pierwszą pochodną ładunku, można określić, według jakiego wzoru można go obliczyć, znajdując pochodną z ostatniego wzoru:

Jak widać, w ta sprawa siła prądu jest opisana prawem cosinusów, natomiast wartość napięcia i ładunku prawem sinusoidalnym. Oznacza to, że funkcje są w przeciwnej fazie i mają podobny wygląd na wykresie.

Wszyscy wiemy, że funkcje cosinus i sinus tego samego argumentu różnią się od siebie o 90 stopni, więc możemy otrzymać następujące wyrażenia:

Stąd maksymalną wartość aktualnej siły można określić wzorem:

Wartość w mianowniku to rezystancja na kondensatorze. Ten opór nazywa się pojemnościowym. Znajduje się i jest oznaczony w następujący sposób:

Wraz ze wzrostem pojemności spada wartość amplitudy prądu.

Należy pamiętać, że w tym obwodzie zastosowanie prawa Ohma jest właściwe tylko wtedy, gdy konieczne jest wyznaczenie maksymalnej wartości prądu, nie ma możliwości określenia prądu w dowolnym momencie zgodnie z tym prawem ze względu na różnicę faz między napięciami i aktualna siła.

Zwój w łańcuszku

Rozważ obwód, w którym znajduje się cewka. Wyobraź sobie, że nie ma aktywnego oporu. W tym przypadku wydawałoby się, że nic nie powinno hamować przepływu prądu. Jednak tak nie jest. Chodzi o to, że gdy prąd przepływa przez cewkę, zaczyna powstawać pole wirowe, które zapobiega przepływowi prądu w wyniku powstania prądu samoindukcyjnego.

Aktualna siła przyjmuje następującą wartość:

Ponownie widać, że prąd zmienia się zgodnie z prawem cosinusa, więc przesunięcie fazowe obowiązuje dla tego obwodu, co również widać na wykresie:

Stąd maksymalna wartość prądu:

W mianowniku widzimy wzór, za pomocą którego określa się reaktancję indukcyjną obwodu.

Im większa reaktancja indukcyjna, tym mniej ważna jest amplituda prądu.

Cewka, rezystancja i kondensator w obwodzie.

Jeżeli w obwodzie występują jednocześnie wszystkie rodzaje rezystancji, wartość prądu można określić w następujący sposób, przeliczając Prawo Ohma:

Mianownik nazywa się impedancją. Składa się z sumy kwadratów aktywnego (R) i reaktancji, składającej się z pojemnościowego i indukcyjnego. Całkowity opór nazywa się „Impedancją”.

Elektryczność

Nie można sobie wyobrazić Nowoczesne życie bez użycia urządzenia elektryczne, które działają dzięki powstającej energii Elektryczność. Cały postęp techniczny oparte na energii elektrycznej.

Pozyskiwanie energii z prądu elektrycznego ma wiele zalet:

1. Energia elektryczna jest stosunkowo łatwa do wyprodukowania, ponieważ na całym świecie istnieją miliardy elektrowni, generatorów i innych urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej.

2. Energia elektryczna może być przesyłana na duże odległości krótki czas i bez znacznych strat.

3. Istnieje możliwość zamiany energii elektrycznej na postać mechaniczną, świetlną, wewnętrzną i inne.

Przesył energii elektrycznej to proces polegający na dostarczaniu energii elektrycznej do odbiorców. Energia elektryczna produkowana jest w odległych źródłach produkcji (elektrowniach) przez ogromne generatory wykorzystujące węgiel, gazu ziemnego, woda, rozpad atomowy czy wiatr.

Prąd jest przesyłany przez transformatory, które zwiększają jego napięcie. Dokładnie tak Wysokie napięcie opłacalne przy przesyłaniu energii na duże odległości. Linie wysokiego napięcia linie energetyczne rozciągają się w całym kraju. Za ich pośrednictwem prąd elektryczny dociera do podstacji w duże miasta, gdzie jego napięcie jest obniżane i przesyłane do małych (dystrybucyjnych) linii energetycznych. Prąd elektryczny płynie liniami dystrybucyjnymi w każdej dzielnicy miasta i dostaje się do skrzynek transformatorowych. Transformatory obniżają napięcie do pewnej, standardowej wartości, która jest bezpieczna i niezbędna do pracy. sprzęt AGD. Prąd dostaje się do domu przewodami i przechodzi przez licznik, który pokazuje ilość zużytej energii.

Transformator jest urządzeniem statycznym, które zamienia prąd przemienny jednego napięcia na prąd przemienny innego napięcia bez zmiany jego częstotliwości. Może działać tylko na AC.

Główne elementy konstrukcyjne transformatora

Urządzenie składa się z trzech głównych części:

1. uzwojenie pierwotne transformatora. Liczba zwojów N 1.
2. Rdzeń formy zamkniętej z magnetycznie miękkiego materiału (np. stali).
3. uzwojenie wtórne. Liczba zwojów N 2 .

Na schematach transformator jest przedstawiony w następujący sposób:

Zasada działania

Praca transformator na podstawie prawa Indukcja elektromagnetyczna Faradaya.

Pomiędzy dwoma oddzielnymi uzwojeniami (pierwotnym i wtórnym), które są połączone wspólnym strumieniem magnetycznym, pojawia się wzajemna indukcja. Indukcja wzajemna to proces, w którym uzwojenie pierwotne indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym znajdującym się w jego bezpośrednim sąsiedztwie.

Uzwojenie pierwotne otrzymuje prąd przemienny, który po podłączeniu do źródła zasilania wytwarza strumień magnetyczny. strumień magnetyczny przechodzi przez rdzeń, a ponieważ zmienia się w czasie, wzbudza indukcyjne pole elektromagnetyczne w uzwojeniu wtórnym. Napięcie na drugim uzwojeniu może być niższe niż na pierwszym, wtedy transformator nazywany jest step-down. Transformator podwyższający napięcie ma wyższe napięcie na uzwojeniu wtórnym. Aktualna częstotliwość pozostaje niezmieniona. Skuteczne napięcie obniżania lub podwyższania napięcia nie może wzrosnąć energia elektryczna, dlatego na wyjściu transformatora siła prądu odpowiednio wzrasta lub maleje.

Dla wartości amplitudy napięcia na uzwojeniach można zapisać następujące wyrażenie:

k - współczynnik transformacji.

Dla transformatora podwyższającego k>1 i obniżającego - k<1.

Podczas pracy rzeczywistego urządzenia zawsze występują straty energii:

• uzwojenia są podgrzewane.
• praca jest wydatkowana na namagnesowanie rdzenia;
• W rdzeniu powstają prądy Foucaulta (działają termicznie na masywny rdzeń).

Aby zmniejszyć straty podczas nagrzewania, rdzenie transformatorów są wykonane nie z jednego kawałka metalu, ale z cienkich płyt, pomiędzy którymi znajduje się dielektryk.

W dzisiejszych czasach poziom produkcji i zużycia energii jest jednym z kluczowe wskaźniki rozwój sił wytwórczych społeczeństwa. Wiodącą rolę w tym odgrywa energia elektryczna – najbardziej wszechstronna i wygodna w użytkowaniu forma energii. Jeśli zużycie energii na świecie podwoi się w ciągu około 25 lat, to średnio dwukrotny wzrost zużycia energii elektrycznej następuje w ciągu 10 lat. Oznacza to, że coraz więcej energochłonnych procesów jest przekształcanych w energię elektryczną.

Wytwarzanie energii. Energia elektryczna wytwarzana jest w dużych i małych elektrowniach głównie za pomocą elektromechanicznych generatorów indukcyjnych. Istnieją dwa główne typy elektrowni: cieplna i hydroelektryczna. Te elektrownie różnią się silnikami, które obracają wirniki generatorów.

W elektrociepłowniach źródłem energii jest paliwo: węgiel, gaz, ropa, olej opałowy, łupki naftowe. Wirniki generatorów elektrycznych są napędzane przez turbiny parowe i gazowe lub silniki. wewnętrzne spalanie. Najbardziej ekonomiczne są duże elektrownie cieplne z turbinami parowymi (w skrócie TPP). Większość elektrociepłowni w naszym kraju wykorzystuje jako paliwo miał węglowy. Aby wygenerować 1 kW. godziny elektryczności zużyły kilkaset gramów węgla. W Boiler parowy ponad 90% energii uwalnianej przez paliwo jest przekazywane do pary. W turbinie energia kinetyczna strumieni pary przekazywana jest na wirnik. Wał turbiny jest sztywno połączony z wałem generatora. Generatory turbin parowych są bardzo szybkie: liczba obrotów wirnika wynosi kilka tysięcy na minutę.

Z kursu fizyki klasy X wiadomo, że sprawność silników cieplnych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury nagrzewnicy i odpowiednio początkowej temperatury płynu roboczego (para, gaz). W związku z tym para wchodząca do turbiny zostaje doprowadzona do wysokich parametrów: temperatura dochodzi do prawie 550°C, a ciśnienie dochodzące do 25 MPa. Współczynnik przydatne działanie TPP osiąga 40%. Większość energii jest tracona wraz z gorącą parą wylotową.

Elektrociepłownie – tzw. elektrociepłownie (CHP) – pozwalają na wykorzystanie znacznej części energii pary odlotowej przedsiębiorstwa przemysłowe oraz na potrzeby gospodarstwa domowego (do ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę). W efekcie sprawność CHP sięga 60-70%. Obecnie elektrociepłownie dostarczają około 40% całej energii elektrycznej w Rosji i dostarczają energię elektryczną i ciepło setkom miast.

W elektrowniach wodnych (HPP) do obracania wirników generatorów stosuje się energia potencjalna woda. Wirniki generatorów elektrycznych napędzane są turbinami hydraulicznymi. Moc takiej stacji zależy od różnicy poziomów wody wytworzonej przez zaporę (ciśnienie) oraz od masy wody przepływającej przez turbinę co sekundę (przepływ wody).

Elektrownie jądrowe (EJ) odgrywają znaczącą rolę w sektorze energetycznym. Obecnie elektrownie atomowe w Rosji dostarczają około 10% energii elektrycznej.

Główne typy elektrowni

Elektrociepłownie buduje się szybko i tanio, ale jest dużo szkodliwych emisji w środowisko a naturalne zasoby energii są ograniczone.

Elektrownie wodne buduje się dłużej, drożej; koszt energii elektrycznej jest minimalny, ale żyzne ziemie są zalewane, a budowa jest możliwa tylko w niektórych miejscach.

Elektrownie jądrowe budowane są długo, są drogie, ale prąd jest tańszy niż w elektrowniach cieplnych, szkodliwy wpływ na środowisko nie jest znaczący (przy prawidłowej eksploatacji), ale wymaga unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych.

Zużycie energii elektrycznej

Głównym konsumentem energii elektrycznej jest przemysł, na który przypada około 70% produkowanej energii elektrycznej. Ważnym konsumentem jest również transport. Coraz więcej linii kolejowych jest przestawianych na trakcję elektryczną. Prawie wszystkie wsie i wsie otrzymują energię elektryczną z elektrowni na potrzeby przemysłowe i domowe. Wszyscy wiedzą o wykorzystaniu energii elektrycznej do oświetlania domów i domowych urządzeń elektrycznych.

Większość zużytej energii elektrycznej jest teraz zamieniana na energia mechaniczna. Prawie wszystkie mechanizmy w przemyśle są napędzane silnikami elektrycznymi. Są wygodne, kompaktowe, dają możliwość automatyzacji produkcji.

Około jedna trzecia energii elektrycznej zużywanej przez przemysł wykorzystywana jest do celów technologicznych (spawanie elektryczne, ogrzewanie elektryczne i topienie metali, elektroliza itp.).

Współczesna cywilizacja jest nie do pomyślenia bez powszechnego korzystania z elektryczności. Przerwa w dostawie prądu do dużego miasta, a nawet małych wsi podczas wypadku paraliżuje ich życie.

Przesył energii elektrycznej

Konsumenci energii elektrycznej są wszędzie. Jest produkowany w stosunkowo nielicznych miejscach w pobliżu źródeł paliw i zasobów wodnych. Energii elektrycznej nie da się oszczędzać na dużą skalę. Należy go spożyć natychmiast po otrzymaniu. Dlatego istnieje potrzeba przesyłania energii elektrycznej na duże odległości.

Przesył energii elektrycznej wiąże się z zauważalnymi stratami, ponieważ prąd elektryczny podgrzewa przewody linii energetycznych. Zgodnie z prawem Joule-Lenza energia zużywana na ogrzewanie przewodów linii jest określona wzorem Q \u003d I2Rt, gdzie R jest rezystancją linii.

W przypadku bardzo długich linii przesył energii może stać się nieekonomiczny. Praktycznie bardzo trudno jest znacząco zmniejszyć rezystancję linii R. Musimy zmniejszyć prąd.

Dlatego transformatory podwyższające napięcie są instalowane w dużych elektrowniach. Transformator zwiększa napięcie w linii tyle razy, ile zmniejsza prąd.

Im dłuższa linia transmisyjna, tym korzystniejsze jest stosowanie wyższego napięcia. Tak więc w linii przesyłowej wysokiego napięcia Wołga HPP - Moskwa i niektórych innych stosuje się napięcie 500 kV. Tymczasem generatory prądu przemiennego przystosowane są do napięć nieprzekraczających 16-20 kV. Wyższe napięcie wymagałoby skomplikowanych specjalnych środków w celu odizolowania uzwojeń i innych części generatorów.

W celu bezpośredniego wykorzystania energii elektrycznej w silnikach napędu elektrycznego obrabiarek, w sieci oświetleniowej oraz do innych celów należy zmniejszyć napięcie na końcach linii. Osiąga się to za pomocą transformatorów obniżających napięcie. Ogólny schemat przesyłu i dystrybucji energii pokazano na rysunku.

Zwykle spadek napięcia, a tym samym wzrost natężenia prądu, odbywa się w kilku etapach. Na każdym etapie napięcie maleje, a obszar objęty siecią elektryczną powiększa się.

Przy bardzo wysokim napięciu między przewodami może rozpocząć się wyładowanie prowadzące do strat energii. Dopuszczalna amplituda napięcia przemiennego musi być taka, aby dla danego pola przekroju drutu straty energii spowodowane wyładowaniem były pomijalne.

Elektrownie w wielu regionach kraju są połączone liniami wysokiego napięcia, tworząc wspólną sieć elektryczną, do której podłączeni są odbiorcy. Takie połączenie, zwane siecią elektroenergetyczną, umożliwia wygładzenie szczytowych obciążeń zużycia energii w godzinach porannych i wieczornych. System elektroenergetyczny zapewnia nieprzerwane zasilanie odbiorców, niezależnie od ich lokalizacji. Teraz prawie całe terytorium naszego kraju jest zasilane energią elektryczną przez zintegrowane systemy energetyczne. Działa Zunifikowany System Energetyczny europejskiej części kraju.

Energia elektryczna jest produkowana w różnych skalach elektrowni, głównie za pomocą indukcyjnych generatorów elektromechanicznych.

Wytwarzanie energii

Istnieją dwa główne typy elektrowni:

1. Termiczne.

2. Hydrauliczny.

Podział ten wynika z rodzaju silnika, który obraca wirnik generatora. W termiczny elektrownie wykorzystują paliwo jako źródło energii: węgiel, gaz, ropa, łupki bitumiczne, olej opałowy. Wirnik napędzany jest przez turbiny parowe gazowe.

Najbardziej ekonomiczne są elektrownie cieplne z turbinami parowymi (TPP). Ich maksymalna wydajność sięga 70%. Uwzględnia to fakt, że para odlotowa jest wykorzystywana w przedsiębiorstwach przemysłowych.

Na elektrownie wodne energia potencjalna wody jest wykorzystywana do obracania wirnika. Wirnik napędzany jest turbinami hydraulicznymi. Moc stacji zależeć będzie od ciśnienia i masy wody przepływającej przez turbinę.

Zużycie energii elektrycznej

Energia elektryczna jest wykorzystywana prawie wszędzie. Oczywiście większość produkowanej energii elektrycznej pochodzi z przemysłu. Ponadto głównym konsumentem będzie transport.

Wiele linii kolejowych już dawno przeszło na trakcję elektryczną. Oświetlenie mieszkań, ulic miejskich, przemysłowe i domowe potrzeby wsi i wsi – to wszystko jest również dużym konsumentem energii elektrycznej.

Ogromna część otrzymanej energii elektrycznej jest zamieniana na energię mechaniczną. Wszystkie mechanizmy stosowane w przemyśle są napędzane silnikami elektrycznymi. Konsumentów energii elektrycznej jest wystarczająco dużo i są wszędzie.

A prąd jest produkowany tylko w kilku miejscach. Powstaje pytanie o przesyłanie energii elektrycznej i na duże odległości. Podczas transmisji na duże odległości dochodzi do dużej utraty mocy. Głównie są to straty spowodowane nagrzewaniem się przewodów elektrycznych.

Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza energię zużywaną na ogrzewanie oblicza się według wzoru:

Ponieważ prawie niemożliwe jest zmniejszenie rezystancji do akceptowalnego poziomu, konieczne jest zmniejszenie natężenia prądu. Aby to zrobić, zwiększ napięcie. Zwykle na stacjach znajdują się generatory podwyższające napięcie, a na końcach linii przesyłowych transformatory obniżające napięcie. I już od nich energia rozchodzi się do konsumentów.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną stale rośnie. Istnieją dwa sposoby na zaspokojenie popytu na zwiększoną konsumpcję:

1. Budowa nowych elektrowni

2. Wykorzystanie zaawansowanej technologii.

Efektywne wykorzystanie energii elektrycznej

Pierwsza metoda wymaga nakładów dużej ilości środków budowlanych i finansowych. Budowa jednej elektrowni trwa kilka lat. Ponadto na przykład elektrownie cieplne zużywają dużo nieodnawialnych zasobów naturalnych i szkodzą środowisku naturalnemu.