Источники электрической энергии осуществляют преобразование какой либо формы энергии

Обновлено: 27.05.2024

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:

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).
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).
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.
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.

Электрическая цепь — совокупность устройств, в которых электромагнитные процессы могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Проще, электрической цепью называется совокупность источников тока и потребителей, соединенных проводами.

Отдельное устройство, входящее в электрическую цепь называют элементом электрической цепи.

Чертежи, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называются схемами.

Основными элементами электрической цепи являются:

источники электромагнитной энергии (далее — источники) — аккумуляторы, термоэлектрические элементы, электрические генераторы, фотоэлектрические элементы и т.д., — в которых происходит преобразование энергии какого-либо вида (энергии химических реакций, тепловой энергии, механической энергии, световой энергии и т.д.) в электрическую энергию;

элементы передачи электромагнитной энергии — соединительные провода, воздушные линии электропередачи, электрические кабели;

приемники энергии (далее — приемники) — электролампы, электропечи, электродвигатели и т.д., — в которых электромагнитная энергия преобразуется в энергию какого-либо другого вида (тепловую, механическую и т.д.).

Простейшая электрическая цепь для питания электрической лампы изображена на рис. 1.1, где источником является аккумулятор, приемником — электрическая лампа, а элементом передачи — провода. Рисунки, на которых изображены элементы электрических цепей и соединяющие их провода, называются монтажными схемами.

Прежде чем перейти к классификации и изучению цепей, познакомимся с понятиями электрического тока, напряжения и электродвижущей силы, используемыми в определении электрической цепи.

Рис. 1.1. Простейшая электрическая цепь для питания электрической лампы:

1 — аккумулятор; 2 — электрическая лампа

Электрический ток — явление направленного движения электрических зарядов. За положительное направление тока I принимается направление движения положительных зарядов. Силу тока определяют как отношение суммарного заряда д, протекающего через некоторое сечение проводника (в общем случае вещества) за время t, к этому времени:

Если за одну секунду (1 с) через это сечение прошел один кулон* (1 Кл) заряда, то единицу тока называют ампером (1 А = = 1 Кл/с). На практике наряду с основной единицей силы тока — ампером используют дольные и кратные единицы: миллиампер (1 мА = 1 • 10 -3 А) и килоампер (1 кА= 1 • 10 3 А).

Напряжение U участка цепи — отношение работы А электрического поля по перемещению положительного заряда q вдоль этого участка к величине заряда: U = А/q.

Если для перемещения заряда в один кулон (1 Кл) требуется совершить работу в один джоуль (1 Дж), то полученную единицу напряжения называют вольтом (1 В = 1 Дж/Кл). На практике наряду с основной единицей напряжения — вольтом — используют дольные и кратные единицы: милливольт (1 мВ = 1 • 10 -3 В) и киловольт (1кВ= 1 • 10 3 В).

Электродвижущая сила (ЭДС) характеризует способность поля сторонних сил (механических, сил химических реакций и т.д.) или индуцированного поля вызывать электрический ток.

Электродвижущая сила E формально определяется так же, как и напряжение: Е=А/q.

Но работа А по перемещению заряда осуществляется силами стороннего поля, и направление ЭДС на участке цепи, на котором она действует, противоположно направлению напряжения этого участка Понятие ЭДС вводится исключительно для тех участков цепи, на которых действуют сторонние силы (в цепи, изображенной на рис. 1.1, это участок с аккумулятором). Единицей ЭДС, как и напряжения, является вольт (В).

В электротехнике ток, напряжение и ЭДС принято обозначать прописными буквами /, U, Е, в случае если они неизменны во времени t.

Если же они не постоянны, т.е. изменяются во времени, то их обозначают соответствующими строчными буквами: I, u, e;

· Заряд элементарной заряженной частицы — электрона — равен 1,6- 10~ 19 Кл.

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Виды преобразования электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Заключение

Переход энергии из одной формы в другую является нормальным, а в некоторых отраслях обязательным условием производственного энергетического процесса. В разных случаях необходимость включения этого этапа может объясняться экономическими, технологическими, экологическими и другими факторами генерации ресурса. При этом, несмотря на разнообразие естественных и искусственно организующихся способов трансформации энергии, подавляющее большинство установок, обеспечивающих процессы преобразования, применяются только для электричества, теплоты и механической работы. Средства для преобразования электрической энергии и вовсе являются самыми распространенными. Электрические машины, обеспечивающие трансформацию механической работы в электроэнергию по принципу индукции, к примеру, используются практически во всех сферах, где задействуют сложные технические устройства, агрегаты и приборы. И эта тенденция не снижается, так как человечество нуждается в постоянном увеличении объемов энергетического производства, что заставляет искать новые источники первичной энергии. На данный момент наиболее перспективными направлениями в энергетике считаются системы генерации того же электричества из механической энергии, производимой Солнцем, ветром и потоками воды в естественной природе.

Одна из важнейших задач электротехники – передача электрической энергии на дальние и ближние расстояния. Этот процесс осуществляется по электрическим цепям.

Электрическая цепь – совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электрической энергии.

Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, передающих и преобразующих элементов, приемников электроэнергии.

Источники электрической энергии осуществляют преобразование в электрическую энергию каких-либо других видов энергии – механической (генераторах электрической энергии), тепловой (термопреобразователи), химической (аккумуляторы, гальванические элементы), световой (фотогенераторы) и др.

Приемники электрической энергии или потребители преобразуют электроэнергию в другие виды энергии, например, в механическую (электродвигатели), тепловую (электрические печи, нагревательные приборы), химическую (электролизные ванны), световую (лампы накаливания).

Передающие элементы цепи служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств. К ним относятся коммутационная аппаратура (аппараты для включения и отключения цепи, предохранители), преобразующие устройства (трансформаторы), линии и измерительные приборы.

Классификация электрических цепей приведена в таблице 4.

Классификация электрических цепей

По виду тока

Цепи постоянного тока

Цепи переменного тока

По содержанию элементов

Линейные цепи (содержат только линейные элементы)

Нелинейные цепи (содержат хотя бы один нелинейный элемент)

По конфигурации

Простые (содержат один источник питания и один контур)

Сложные (содержат два и более источников питания и контуров)

Неразветвленные (содержат один контур)

Разветвленные (содержат много контуров)

Основной задачей изучения электротехники является овладение методиками расчетов электрических цепей. Для того, чтобы произвести расчет реальной электрической цепи необходимо составить ее схемы (табл. 5).

Электрическая схема

Принципиальная

Схема замещения

Реальное изображение электротехнических устройств и способов их соединения

1 – рубильник, 2 – лампа накаливания (приемник электрической энергии),

3 – аккумуляторная батарея (источник электрической энергии постоянного тока),

контролирующие приборы – амперметр (4) и вольтметр (5)

Графическое изображение цепи, в которой каждое электротехническое устройство заменено (согласно ГОСТам) его условным обозначением

Графическое отображение электрической цепи с использованием различных идеализированных элементов (источников питания, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д.), выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы в цепи

Для того, чтобы выполнить расчет электрической цепи необходимо составить ее схему замещения. Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.

Условные графические обозначения некоторых элементов электрической цепи приведены в табл. 6.

Элемент электрической цепи

Лампа накаливания сигнальная

Гальванический элемент (ГЭ) или аккумулятор

Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником

Батарея ГЭ или аккумуляторов

Линия электрической связи

Варистор (нелинейный резистор)

Лампа накаливания осветительная

Для описания электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур (рис. 17).

Ветвь – совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами. Это участок цепи, по которому протекает один и тот же ток. Ветвь по определению содержит элементы.

Узел – место соединения не менее трех ветвей.

Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Контур называется элементарным, если содержит хотя бы одну ветвь, не входящую в другие выбранные контуры, и неэлементарным, если все ветви данного контура входят в другие выбранные контуры (рис. 18).

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью. Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи, ограничено и определено.

Например, укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19) с участием R₁.

Укажите максимальное число контуров, которые можно образовать в этой цепи (рис. 19).

Элементы электрической цепи подразделяются на: активные − источники электрической энергии и пассивные, т.е. не способные генерировать электрическую энергию (приемники электроэнергии).

Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления внешней и внутренней (внутреннего сопротивления самого источника) цепей (рис. 20). В сопротивлении происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Чтобы в электрической цепи протекал ток, необходимо иметь разность потенциалов на зажимах цепи. Эту разность потенциалов создают источники электродвижущей силы. В каждом источнике электрической энергии действуют сторонние силы.

Сторонние силы – это силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.

Например, сторонними силами являются:

в электрических генераторах – механическая сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле, в результате чего в проводнике возникает электродвижущая сила;

в химических источниках тока (гальванические элементы, аккумуляторы) – химическая реакция;

в термогенераторах – нагрев места спая двух разнородных металлов;

в фотоэлементах – действие светового потока на пластину цезия.

Сторонние силы перемещают внутри источников эклектической энергии электрические заряды, в результате чего энергия одного вида превращается в энергию другого вида. Если к источнику электрической энергии подключить приемники, то в цепи будет протекать электрический ток.

При существовании тока в электрической цепи источник совершает работу.

Электродвижущая сила источника (ЭДС) – работа, затрачиваемая сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от меньшего потенциала к большему. Единица измерения – Вольт.

где E – электродвижущая сила; А - работа, Дж; q – величина электрического заряда, Кл.

Таким образом, условное обозначение источника ЭДС включает два элемента. Первый из них кружок со стрелкой указывает, что в источнике есть ЭДС Е, стрелка показывает направление ЭДС. При этом ток в источнике за счет действия сторонних (не электрических) сил протекает от отрицательного зажима к положительному, от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим. Второй элемент с с сопротивлением r_вн или иногда его обозначают r₀ характеризует преобразование электроэнергии внутри источника в тепло, иными словами потери энергии внутри источника (рис. 21).

Направление перемещения положительных зарядов, а следовательно, и направление тока, протекающего в замкнутой цепи, совпадает с направлением ЭДС. При протекании тока через участок, имеющий сопротивление, на концах этого участка возникают потенциалы φ₁ и φ₂, разность которых равна напряжению, падающему на этом участке U₁₂ (рис. 22).

На каждом участке цепи (рис. 20) ток протекает от точки с большим потенциалом (φ₁) к точке с меньшим потенциалом (φ₂).

Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока, аккумуляторы и гальванические элементы (рис. 23).

Рис. 23. Виды источников постоянного тока:

а) батарейка; б) генератор постоянного тока; в) аккумулятор

Постоянный ток применяется при электрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспорте, в электронике, медицине и других областях науки и техники. В настоящее время быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные альтернативные источники электрической энергии постоянного тока – солнечные батареи, фотоэлементы, МГД-генераторы.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источники электропитания – это устройства, обеспечивающие электрическим током электроприборы, аппараты и т. д. Они подразделяются на два вида:

Первичные сами вырабатывают электрическую энергию путем преобразования в нее других видов энергии, полученной в результате химических и прочих реакций.

К ним относятся различные электростанции (тепловые, атомные, гидравлические), химические преобразователи (аккумуляторы, гальванические и топливные элементы), термоэлектрические и фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи) и др.

Вторичные предназначены для преобразования получаемой от первичного источника электроэнергии в напряжение с требуемыми параметрами. Для питания и нормального функционирования большинства электронных приборов требуется стабильное напряжение с различными значениями.

Вторичные источники имеют вид отдельных блоков или входят в состав различных электронных узлов. Кроме самого источника питания узлы могут включать дополнительные устройства, поддерживающие его нормальную работу при воздействии разных внешних факторов. К вторичным относятся трансформаторные и инверторные преобразователи, выпрямители и т. п.

Понятие первичных и вторичных источников относительно. Например, бытовая электросеть является первичным источником для домашних электроприборов, так как большинство устройств имеет свой внешний или встроенный блок питания, преобразующий входное напряжение до необходимых значений.

В свою очередь, трансформаторная подстанция, от которой питается бытовая электросеть, сама является вторичным источником по отношению к электростанции.

ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ

Как было сказано, к первичным источникам относятся устройства, преобразующие различные виды энергии в электроэнергию. Это может быть химическая, механическая энергия, световая, тепловая и энергия атомного распада.

Основные виды первичных источников:

гидроэлектростанции – преобразуют в электроэнергию гравитационную энергию воды;
химические источники (аккумуляторы, топливные и гальванические элементы) – переводят химическую энергию в электрическую;
дизель-генераторы – химическая энергия преобразуется сначала в механическую, потом в электрическую;
солнечные батареи – преобразуют энергию солнечного света в электрическую на основе физического закона фотоэффекта;
ветряные генераторы – преобразуют кинетическую энергию воздушных частиц;
термоэлектрические преобразователи – преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Химические источники обычно используются в маломощных устройствах и как резервные источники. Работа топливных элементов основана на электрическом окислении топлива. В термоэлектрических устройствах электрический потенциал создает разница температур.

Первичные источники электропитания

Источники электропитания условно делятся на первичные и вторичные источники.

Первичными источникам и электропитания (ПИЭЭ)называются устройства, предназначенные для получения электроэнергии из других видов энергии.

К ПИЭЭ относятся следующие источники (рис.1.5):

—фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи), непосредственно преобразующие солнечную энергию в электрическую;

—термоэлектрические генераторы (ТЭГ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), преобразующие тепловую энергию в электрическую;

—электромашинные преобразователи (ЭМП) – генераторы переменного и постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Рисунок 1.5 – Классификация первичных источников электроэнергии

ЭМП широко используются в паросиловых, дизель — генераторах и газотурбинных установках, в которых преобразование тепловой энергии в механическую производится соответственно с помощью паровых турбин (ПТ), двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и газовых турбин (ГТ);

—химические источники тока, непосредственно преобразующие химическую энергию в электрическую. К ним относятся:

а) гальванические элементы (ГЭ);

б) аккумуляторные батареи (АБ);

в) электрохимические элементы (ЭХГ).

Довольно редко и только в маломощных автономных СЭП удается осуществить питание всех устройств непосредственно от ПИЭЭ. В большинстве случаев ПИЭЭ или стандартная сеть по частоте, стабильности или уровню напряжения оказывается неприемлимыми для питания РЭСБН.

Следовательно, возникает необходимость преобразования электроэнергии с помощью источников вторичного электропитания.

ИВЭП по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии и составляют основу всех систем электропитания РЭСБН.

В составе СЭП РЭСБН источники вторичного электропитаниямогут выполнять следующие функции:

— обеспечение требуемых значений питающего напряжения как постоянного, так и переменного токов;

— осуществление гальванической развязки цепей питания друг от друга и от ПИЭЭ;

— обеспечение высокой стабильности питающего напряжения в условиях значительного изменения входного питающего напряжения и нагрузок;

— эффективное подавление пульсаций во входных питающих цепях постоянного тока;

— обеспечение требуемой формы напряжения переменного тока и другие.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

В его конструкцию последовательно входят:

трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

простота конструкции;
гальваническая развязка от сети;
надежность в эксплуатации.

большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный ИВП.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера.

Достоинства импульсных источников питания:

малый вес и небольшие размеры;
высокий КПД (до 98%);
широкий диапазон допустимого входного напряжения;
встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
невысокая цена;
по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

Структура источников питания

Большинство электронных систем функционируют с использованием источников питания постоянного тока. Маломощные устройства, такие как сотовые телефоны, ноутбуки, переносные радиоприемники и другие, работают на батареях или аккумуляторах, которые вырабатывают постоянный ток. Для стационарного оборудования, как правило, требуется преобразование стандартного электропитания переменного тока (220 В, 50 Гц в Европе и 110 В, 60 Гц в Америке) в напряжение постоянного тока. Существуют три типа таких преобразователей [18, 19]:

Простой нерегулируемый источник питания (рис. 3.1). Трансформатор преобразовывает входное переменное напряжение в низкое выходное напряжение (обычно от 6 до 24 В). Далее низкое переменное напряжение подается на выпрямитель. На выходе выпрямителя протекает пульсирующий прерывный ток. Подключенный параллельно выходу конденсатор сглаживает пульсации.

На рис. 3.1 и последующих приняты следующие обозначения: АС — alternating current (переменный ток); DC — direct current (постоянный ток).

Регулируемый источник питания (рис. Ъ2а) отличается от предыдущего тем, что в его конструкцию добавлен электронный регулятор выходного напряжения (рис. 3.2б). В качестве такого регулятора может выступать ИМС линейного или импульсного стабилизаторов напряжения. Задача регулятора — создать стабильное требуемое выходное напряжение.

Рис. 3.1. Схема простого нерегулируемого источника питания

Рис. 3.2. Схема регулируемого источника питания (а) и символьное обозначение структуры блока регулятора (б)

Рис. 3.3. Структура импульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 3.3) широко применяется в телевизорах, компьютерах, видеомагнитофонах и другой радиоэлектронной бытовой аппаратуре. В таких источниках питания используется прерыватель, который преобразует входное напряжение частотой 50 или 60 Гц в высокочастотное напряжение (обычно от 20 до 500 КГц). Высокочастотное напряжение преобразуется импульсным трансформатором в напряжение требуемой величины, затем выпрямляется и сглаживается. Преимущество импульсного источника питания в том, что нет необходимости в использовании громоздкого и тяжелого низкочастотного трансформатора. Трансформаторы, которые работают на частоте 20 кГц и более, в несколько раз меньше по габаритам и массе, чем низкочастотного.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Читайте также: