Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Какое преобразование энергии происходит в электрическом двигателе


Электродвигатели, преобразование энергии – РегионПривод

Электродвигатель – это механизм, который служит для преобразования электрической энергии в механическую. В основе принципа работы любого электродвигателя находится закон электромагнитной индукции. Обычно электродвигатель состоит из неподвижной части (статора) и ротора (или якоря), в которых создаются неподвижные или вращающиеся магнитные поля. Электродвигатели бывают самых различных типов и модификаций, широко применяются во многих отраслях человеческой деятельности, и представляют собой один из главных компонентов в механизмах и приводах самого различного назначения. ОТ характеристик электродвигателя напрямую зависит эффективность производства.


Классификация электродвигателей

Главными частями, из которых состоит Электродвигатели, являются статор и ротор. Ротор — та часть двигателя, которая вращается, а статор – которая остается неподвижной. Принцип работы электродвигателя заключен во взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора и электрического тока, который находится в замкнутой обмотке ротора. Этот процесс инициирует вращение ротора в направлении поля.

Основные виды электродвигателей:

  • Двигатель переменного тока;
  • Двигатель постоянного тока;
  • Многофазный двигатель;
  • Однофазный двигатель;
  • Вентильный двигатель;
  • Шаговый двигатель;
  • Универсальный коллекторный двигатель.

Если говорить о таких электродвигателях как асинхронные электродвигатели, то они относятся к виду двигателей переменного тока. Такие двигатели бывают как однофазные электродвигатели, так и двух- и трехфазные. В асинхронных электродвигателях частота переменного тока в обмотке не совпадает с частотой вращения ротора. Процесс работы асинхронного электродвигателя обеспечивается разницей во времени генерации магнитных полей статора и ротора. Вращение ротора из-за этого задерживается относительно поля статора. Купить электродвигатель асинхронного типа можно для машин, в которых не требуются особые условия работы пускового механизма.

Виды электродвигателей по степени защищенности от внешней среды:

  • Взрывозащищенные;
  • Защищенные;
  • Закрытые.

Взрывозащищенные электродвигатели имеют прочный корпус, который если случится взрыв двигатели, предотвратит поражение всех других частей механизма и воспрепятствует возникновению пожара.

Защищенные электродвигатели при эксплуатации закрыты специальными заслонками и сетками, которые защищают механизм от попадания инородных предметов. Используются в среде, где нет повышенной влажности воздуха и примесей газов, пыли, дыма и химических веществ.

Закрытые электродвигатели имеют специальную оболочку, которая не дает проникать пыли, газам, влаге и другим веществам и элементам, которые способны причинить вред механизму двигателя. Такие электродвигатели бывают герметичными и негерметичными.

Электродвигатели siemens и электродвигатели able выпускаются в большинстве вышеперечисленных видов электродвигателей, и среди них довольно просто выбрать самый оптимальный вариант.

Электродвигатели с тормозом

Тормозные электродвигатели обычно устанавливаются на таком оборудовании, которому необходимо иметь возможность осуществить мгновенную остановку. Это может быть конвейерное или станочное оборудование, или другое оборудование, где остановка обусловлена требованиями техники безопасности. Они активно применяются в транспортных лифтах, подъемных кранах, складских укладочных машинах, прокатном и швейном оборудовании, эскалаторах, станках для дерева и металла, задвижках, прокатном оборудовании – одним словом везде, где необходима быстрая остановка системы в определенном положении и в определенное время.

Если не вдаваться в подробности, электродвигатель с тормозом представляет собой обычный промышленный асинхронный электродвигатель, в котором установлен электромагнитная тормозная система. Это обуславливает тот факт, что от обычных двигателей электродвигатель с тормозом отличается только длиной, тогда как все посадочные и соединительные элементы остаются на прежнем месте. Длина изменяется из-за необходимости установки на двигатель специального кожуха. Как и обычные двигатели, в зависимости от типа питания, электродвигатели с тормозом делятся на двигатели, питаемые переменным током, и электродвигатели, питаемые постоянным током.

Главными элементами тормозной системы электродвигателя являются:

  • Электромагнит, состоящий из корпуса, в котором находятся катушка или набор катушек;
  • Якорь, представляющий собой исполнительный элемент, или поверхность для тормозного диска;
  • Сам тормозной диск, который перемещается по зубчатой втулке, закрепленной на валу заторможенного привода или двигателя.

Когда двигатель находится в состоянии покоя, он заторможен. Пружинный нажим на якорь оказывает, в свою очередь, давление на тормозной диск, в связи с чем возникает его блокировка. Когда на катушку электромагнита подается электрический ток, возбужденный электромагнит притягивает к себе якорь, и происходит разблокировка тормоза. Нажим якоря снимается, и возникает свободное вращение вала электрического двигателя. Электродвигатели с тормозом маркируются буквой «Е», или «Е2» (для двигателей с ручной системой торможения).


Регулирование скорости вращения электродвигателя

Вопрос регулирования скорости вращения электродвигателя очень актуален, ведь снижение и повышение оборотов электродвигателя может понадобится в самых разнообразных механизмах, от бытовых приборов, таких как швейных машин или кухонной техники, до промышленных механизмов и станкового оборудования. Казалось бы, самый простой способ – просто понизить питающее напряжение электродвигателя. Это подходит для двигателей постоянного тока, регуляторы напряжения постоянного тока достаточно просты в производстве и доступны. Однако, в настоящее время основная масса приборов, механизмов и инструментов, занятых в производстве, базируются на асинхронных двигателях переменного тока. В этом случае при понижении напряжения электродвигатель резко снижает количество оборотов, теряет мощность и полностью останавливается. Как понизить обороты электродвигателя, или как увеличить их? Для регулировки скорости вращения таких электродвигателей и были разработаны частотные инверторные преобразователи, или как их чаще называют – частотники.

Область применения частотных преобразователей достаточно обширна. Они востребованы в станках и электроприводах промышленных механизмов, конвейерах, системах вытяжной вентиляции и так далее. Принцип работы частотника заключается в правиле вычисления угловой скорости вращения вала, которое включает в себя такой фактор как частота питающей сети. Таким образом, меняя частоту питания обмотки электродвигателя, можно регулировать скорость вращения ротора двигателя в прямой зависимости, таким образом уменьшить обороты электродвигателя или повысить их. Эти приборы имеют также название «инверторы», благодаря методу, при помощи которого решается задача одновременного регулирования частоты и напряжения на выходе преобразователя. Все частотные преобразователи в обязательном порядке маркируются табличками, ан которых указаны их характеристики:

  • Максимально возможная мощность электродвигателя;
  • Напряжение запитывающей сети;
  • Количество фаз (однофазный, трехфазный).

Большинство промышленных частотных преобразователей предназначены для работы в трехфазных сетях переменного тока, однако встречаются и другие модели, например частотники для однофазных двигателей.


Применение электродвигателя

Жизнь современного человека тяжело представить без такого механизма как электродвигатель. Оглянитесь вокруг – они получил практически повсеместное распространение. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих в повседневной жизни, на работе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели.

Особой надежностью отличаются именно асинхронные электродвигатели, благодаря чему они находят широкое применение в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков и других промышленных станков, в кузнечных прессах, грузоподъёмных машинах, лифтах, ткацких, швейных и землеройных машинах, промышленных вентиляторах, компрессорах, насосах, центрифугах, бетономешалках. Крановые электродвигатели используются в капитальном, промышленном и гражданском строительстве, в горнодобывающей, металлургической отраслях, энергетике, транспорте.

Метро, трамвай, троллейбус – все эти виды транспорта обязаны своему существованию электродвигателю. Любой офис или жилой дом сегодня невозможно представить без кондиционера или системы очистки воздуха – в них тоже применяются электродвигатели. Функционирование большинства современного оборудования невозможно без электродвигателя, в связи с чем очень многое зависит от качества и надежности этого механизма. Его поломка может привести к очень печальным результатам, вплоть до остановки производства и огромным финансовым убыткам. Следовательно, приобретать электродвигатели можно только у надёжного и проверенного поставщика, который гарантирует качество продукции.


Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя заключается в эффекте магнетизма, который позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Принцип преобразования энергии в разных типах электродвигателей одинаковый, для всех типов электродвигателей, но конструкция двигателей и способы контроля скорости вращающегося момента могут различаться. Всем со школьной скамьи известен простейший пример электродвигателя – когда рамка вращается между полюсами постоянного магнита. Разумеется, устройство электродвигателя, который применяется в промышленных механизмах или бытовых приборах намного сложнее. Давайте рассмотрим как работает асинхронный электродвигатель, который получил наибольшее распространение в промышленности.

Принцип работы асинхронного электродвигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя, как и прочих, основан на использовании вращающегося магнитного поля. Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она соответствует скорости вращения магнита. При этом скорость вращения цилиндра принято называть асинхронной, то есть не совпадающей со скоростью вращения магнита. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением. Чтобы заставить заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора обычно используется трехфазный ток.


Устройство электродвигателя

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, размещаются три обмотки, сети трехфазного тока расположенные одна относительно другой под углом 120°. Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя. Если обмотки соединить между собой и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся. Суммарный магнитный поток в тоже время будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов). При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим, таким образом асинхронный электродвигатель.

Обмотки статора могут быть соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником». Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное. Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора. Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.


Подключение электродвигателя

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе. В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.


Расчёт мощности электродвигателя

Выбирая электродвигатель необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность. Определить мощность можно расчетным путем, используя следующие формулы и коэффициенты:

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

, где

Рм – потребляемая механизмом мощность;
ηп – КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов. При выборе электродвигателя запас должен быть небольшой мощности. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.


Расчет пускового тока электродвигателя

Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток:

Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока:

, где

PH – номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosφH — коэффициент мощности электродвигателя.

Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя. Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.


Формула расчета пускового тока электродвигателей.

, где

IH – номинальное значение тока;

Кп – кратность постоянного тока к номинальному значению.

Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.


Вводная глава

: Преобразование электроэнергии

1. Обзор главы

Вводная глава посвящена изучению электричества, его эксплуатации и будущего. Глава начинается с древнего открытия электричества. Начиная с эксперимента «Кайт» и заканчивая использованием энергии молнии, упоминается в разделе « новых открытий в электричестве ». Кроме того, путь тока от электростатической машины к ионно-воздушной силовой установке упоминается в том же разделе.Краткая история технологии преобразования энергии описана в следующем разделе. Упоминаются различные технологии преобразования электроэнергии. Упоминаются возможные пути будущего преобразования электроэнергии. Некоторые идеи о развитии преобразования электроэнергии упоминаются в конце этой главы.

2. Древнее открытие электричества

Электричество - это естественное явление. Одним из первых известных открытых естественных поколений электроэнергии является электрическая рыба (обнаруженная в двадцать восьмом веке до нашей эры египтянином).Эти виды рыб названы электрогенными (одной из самых опасных рыб является электрический угорь - electrophorus electricus - вследствие генерации смертельных электрических ударов), способными генерировать электрические поля посредством электрического разряда органов (EOD). В настоящее время феномен «Электрофизиология » изучает феномен биоэлектрогенеза (выработка электричества живыми организмами). Приемник рыбы электрического поля назван электрорецептором , обладающим способностью принимать электрическое поле с помощью функции электрорецепции [1].

Фалес Милетский (около 600 г. до н.э.) отметил притяжение легкого материала натертым янтарем (ἤλεκτρον у греков или электрон), обнаружив статическое электричество [2]. Однако по мере открытия археологических исследований исследователи выдвигают гипотезу о существовании электрического света в древнем Египте [3, 4, 5, 6].

3. Новые открытия в области электричества

В 1600 году ученый Уильям Гилберт опубликовал в трактате Magnet , став Отцом электричества [7].В своей опубликованной работе Pseudodoxia Epidemica (1646), вторая книга - Постановления о минеральных и растительных телах , Томас Браун использовал слово Электричество . Изобретатель Electricity (1663) был объявлен Отто фон Герике путем производства статического электричества трением серного шара [8].

Первое открытие проводников и изоляторов было сделано Стивеном Греем (1731). Шарль Франсуа де Систерне дю Фай обнаружил существование двух типов электричества: стекловидное и смолистое (1733), которые были переименованы в положительное и отрицательное электричество Бенджамином Франклином в 1750 году.

Через удар молнии Бенджамин Франклин обнаруживает связь между молнией и электричеством, как это наблюдалось в Кайт Эксперимент (1752) [9].

Молния может быть внутриоблачной (рис. 1а), между облаками (рис. 1б) или между облаком и землей (рис. 1в) [10].

Рисунок 1.

Молния (a) внутриоблачное (b) между вертикальными облаками (c) между облаком и землей (d) молния.

Массивная стальная скульптура была выполнена Исаму Ногучи в Филадельфии [11], как памятник Бенджамину Франклину (Рисунок 1d) [12].

Среднее значение энергии, выделяющейся во время грозы, составляет около 10 000 000 киловатт-часов (3,6 × 1013 Дж) [13].

Принимая во внимание такое огромное количество энергии, получаемой за очень короткое время, ученые предлагают использовать захваченную энергию молнии в качестве альтернативной энергии в различных видах патентов [14, 15], чтобы использовать накопленную энергию в последнее время.

В будущем, когда нанотехнология проникает в среду научных знаний, энергия молнии может стать реальным решением альтернативной энергии.

В 1741 году Уильям Уотсон использовал вакуумную лампу накаливания, поставляемую электростатической машиной.

Недавно, в конце 2018 года, инженеры MIT обнаружили первый самолет без движущихся частей с использованием электростатической энергии (рис. 2) [16]. Они использовали принцип электроаэродинамической тяги для разработки двигательной установки ионного ветра.

Рисунок 2.

Первый самолет без движущихся частей, использующий электростатическую энергию [17].

Биоэлектричество было открыто Луиджи Гальвани в 1780 году.Вольтовая куча была изготовлена ​​в 1800 году Алессандро Вольта (международная единица измерения разности электрических напряжений - вольт). Это изобретение было огромным шагом в отношении источника электричества, будучи более надежным, чем электростатический генератор.

Актуальные технологии хранения электрической энергии могут быть рассмотрены в [18].

NAWA Technologies внедрила в серийное производство новую технологию в виде сверхбыстрой углеродной батареи, которая представляет собой углеродный ультраконденсатор с вертикально выровненными углеродными нанотрубками (VACNT) [19].

Будущее накопления энергии может быть за счет суперконденсаторов на основе графена. Этот новый тип обеспечивает в четыре раза большую плотность энергии, чем современные суперконденсаторы, сохраняя высокую мощность и длительный срок эксплуатации (Meilin Liu) [20]. В 1802 году Хамфри Дэви изобрел лампу накаливания.

4. Краткая история технологии преобразования энергии

Технология преобразования энергии начинается с преобразования биомассы (главным образом древесины: высушенных растений) в тепло. Механическая энергия была получена, чтобы заменить животную или человеческую силу.Для получения механической энергии в качестве первичных источников энергии использовались ветер (воздух, протекающий с помощью ветряных мельниц) или проточная вода (с помощью водяных колес). Первые ноты ветряных мельниц были от Героя Александрийского, в первом веке общей эры (CE). Океанские приливы были основным источником энергии для приливных мельниц с 1086 года. Идея преобразования энергии пара для перемещения поршня в цилиндр (ранее насос) была предложена Денисом Папеном (1679). Преобразование тепловой энергии (пара) в гидравлическую энергию было запатентовано Томасом Савери (1698).Томас Ньюком вместе с Савери изобрел первый поршневой паровой насос (1712). Джеймс Уотт был отцом парового двигателя Уотта (1765), современного способа парового двигателя.

Первый паровой локомотив был предоставлен Ричардом Тревитиком (1803) [21]. Роберт Стерлинг запатентовал в 1816 году двигатель без котла высокого давления (по соображениям безопасности). Преобразование механической энергии в электричество было открыто Майклом Фарадеем с помощью электрического генератора (1830-е годы).

5.Технологии преобразования энергии

Общая энергия одной системы, согласно первому закону термодинамики, состоит из тепла и способности выполнять работу. Стандартная единица энергии - Джоулей (по имени ученого Джеймса Прескотта Джоуля). Эффективность преобразования энергии определяется вторым законом термодинамики [22]. Энергия не может быть создана или уничтожена, она только трансформируется из одной формы в другую (закон сохранения энергии). Другими словами, энергия в системе отсчета энергии всегда одинакова.

Энергия за единицу времени - это мощность. Блок Вт был представлен Карлом Уильямом Сименсом (1882) для реальной мощности в системе переменного тока. ватт назван в честь Джеймса Ватта.

Согласно [23] (метрическая директива ЕС ), символ реактивной мощности обозначается как « вар » и был предложен в 1929 году профессором Константином Будеану и введен в 1930 году Международной электротехнической организацией. Комиссия в Стокгольме, как международная единица по реактивной мощности [24].

Существует два основных состояния энергетического потенциала (накопитель) и кинетический (в движении, работает). Существует несколько видов энергии: химическая, ядерная, гравитационная, упругая (хранимая), электрическая, электромагнитная (излучающая, светлая), механическая, тепловая (тепловая), ионизирующая, звуковая.

Преобразование энергии происходит через преобразователи энергии. Силовые преобразователи могут быть вращающимися (электромеханическими) или статическими.

5.1 Электромеханические преобразователи энергии

В 1821 году Майкл Фарадей изобрел электродвигатель (примитивный вариант).

Соотношение между током и напряжением, известное как закон Ома, было определено Георгом Омом в 1827 году. Четыре года спустя, в 1831 году, Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и электромеханическое преобразование энергии. В ходе экспериментов Фарадей продемонстрировал, что электричество получают трением, электромагнитной индукцией, химическим или термоэлектрическим воздействием. Вернер фон Сименс продемонстрировал получение электрического света от динамо-генераторов (1867).Siemens заложил основы современных электрогенераторов. В трактате об электричестве и магнетизме (1873 г.) Джеймс Клерк Максвелл опубликовал единую теорию электричества и магнетизма через уравнения Максвелла.

Томас Алва Эдисон нашел в 1870 году решение для электрического освещения с использованием ламп накаливания. В 1882 году Эдисон открыл компанию Electric Light, первую государственную электростанцию, которая поставляет постоянный ток 110 В постоянного тока для светильников. В Вестингаузе первая гидроэлектростанция открылась в 1882 году.

Никола Тесла изобрел катушку Тесла в 1883 году. Для передачи электроэнергии через трансформаторы этого типа низкое напряжение изменяется на высокое напряжение. Асинхронный двигатель, питаемый от переменного тока, был разработан Теслой в 1887 году.

Джордж Вестингауз в 1886 году с помощью трансформаторов разработал первую систему распределения переменного тока с многократным напряжением переменного тока. Электрическая энергия вырабатывалась из гидроагрегата , Westinghouse импортировала трансформаторы и генераторы переменного тока Siemens (генераторы) из Европы и создала в 1886 году компанию Westinghouse Electric & Manufacturing Company, которая распределила электростанцию.

Галилео Феррари был «Отцом трехфазного тока» (1885). В 1888 году Галилео Феррарис опубликовал работу по многофазному двигателю переменного тока.

В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский изобрел вариант трехфазного асинхронного двигателя в клетке и в 1890 году вариант трехфазного асинхронного двигателя с обмоткой.

В настоящее время передача электроэнергии на большие расстояния надежна в системах переменного тока. Требуется высокое напряжение, полученное с помощью трансформаторов, ведущих к низким токам; следовательно, низкие потери при передаче происходят.Тем не менее, благодаря внедрению преобразователей статической мощности, передача постоянного тока становится проблемой.

Производство электроэнергии в основном происходит на электростанции с использованием электромеханических генераторов. Основными источниками генераторов являются тепловые двигатели, работающие на ископаемых источниках или ядерном делении, а также на возобновляемой энергии: ветре, энергии движения воды, солнечной или геотермальной энергии.

5.2 Статические силовые преобразователи

Развитие силовой электроники начинается с французского ученого Ж.Jasmin. В 1882 году Жасмин обнаружил, что ртутная электрическая дуга обеспечивает проводимость одним способом [25]. Используя это свойство, выпрямитель родился, преобразовывая переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). В 1892 году Л. Аронс изобрел вакуумный клапан с ртутной дугой. В 1906 году Дж. А. Флеминг изобрел вакуумный диод. Силиконовый клапан был изобретен Г. В. Пикардом в 1906 году. Вакуумный триод был изобретен Л. де Форестом в 1907 году. Первое производство игнитронов было произведено компанией Westinghouse в 1933 году.Начиная с изобретения транзисторов в 1948 году, появилось следующее поколение силовых преобразователей. Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор, был изобретен в 1956 году (Джон Молл). В течение 1956–1975 гг. Были разработаны силовые преобразователи на основе SCR.

Новое поколение (1975–1990) силовых преобразователей начинается с новых изобретенных силовых выключателей: полевых МОП-транзисторов (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников, 1980), биполярных транзисторов и силовых транзисторов с биполярным переходом (BJT), силовых затворов с выключить (GTO) тиристоры.Следующее поколение силовых преобразователей начинается с микропроцессоров и применения указанных интегральных микросхем (ASIC). Автоматическое управление силовыми преобразователями значительно повышает производительность. Внедрение интеллектуальных модулей питания (IPM) повышает производительность силовых преобразователей.

Основными типами силовых преобразователей являются: выпрямитель, прерыватель постоянного тока, инверторы, прямые (циклопреобразователи и матричные преобразователи) и непрямые (спина к спине) преобразователи частоты.С точки зрения коммутации силовые преобразователи являются естественными и коммутируемыми по силе. Выпрямители с фазовым управлением имеют естественную коммутацию и используются при высокой мощности. Из-за проблем с качеством электроэнергии характеристики ниже, чем у силовых преобразователей.

Помимо разработки силовых устройств и драйверов, стратегия модуляции является ключевым фактором повышения эффективности, позволяющего увеличить мощность. Наиболее распространенной стратегией модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Для получения переменной скорости чередующиеся машины (синхронные и асинхронные) объединяются с силовыми преобразователями. Наиболее продвинутыми методами управления чередующимся устройством являются скалярное управление, векторное управление (ориентированное на поле), прямое управление крутящим моментом и управление без датчика. Общее исследование человеко-машинной визуальной интерактивности в смысле метаэвристических алгоритмов поиска может быть современным способом эксплуатации энергетической области. Современные алгоритмы, основанные на искусственном интеллекте, чтобы найти оптимальное решение, также применяются в этой жесткой области энергии.

Особенности современных приводов включают функции дистанционного управления, работы в сети, взаимодействия человека с машиной [26].

Новые преобразователи питания должны быть защищены от угроз из-за цифровой связи и управления. Следовательно, кибербезопасность для интеллектуальных преобразователей энергии должна быть принята во внимание [27]. Алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения станут частью современных систем управления приводом.

5.3 Обзор энергетической системы

Зная вход (производство энергии) и выход (потребление энергии) энергетической системы, можно вывести адекватную математическую модель.Принимая во внимание производство энергии (Рисунок 3 - чистая выработка электроэнергии в 2016 году составила 3,10 млн. ГВтч [28]) из первичных источников и конечного потребления энергии (Рисунок 4 - Потребление энергии в ЕС в 2016 году 2,78 млн. ГВтч), основные технологии преобразования энергии можно кратко описать.

Рисунок 3.

Производство энергии [28] (% от общего количества, в расчете на ГВтч), ЕС-28, 2016 г.

Рисунок 4.

Потребление энергии [29] (% от общего количества, в расчете на ГВтч), EU-28, 2016.

Горячая вода из геотермальных природных источников используется на паровой электростанции для получения электроэнергии. Кинетическая и потенциальная энергия рек превращается в электрическую энергию через гидроэлектростанцию. Ветряная мельница улавливает силу воздушного потока для получения механической энергии. Механическая энергия преобразуется в электричество с помощью электрических генераторов. Атомная электростанция использовала ядерную энергию для получения электричества. Фотоэлементы используются для преобразования солнечной энергии в электричество.Самые загрязняющие технологии преобразования энергии основаны на ископаемом топливе. Транспортный сектор является наиболее доминирующим сектором потребления, где преобладают ископаемые виды топлива, за которым следует сектор промышленности и домашние хозяйства (Рисунок 4) [29]. Поэтому альтернативные энергетические решения как экологически чистый способ должны быть приняты во внимание. Прогноз мирового потребления энергии в период между 2010 и 2040 годами увеличится на 56% [30]. В настоящее время почти все мировое производство энергии покрыто гидроэлектростанциями, тепловыми электростанциями и атомными электростанциями.Экологически чистая возобновляемая энергия будет расширяться в будущем.

Первое оптическое усиление света на основе стимулированного излучения электромагнитного излучения, известное как усиление света стимулированным излучением (LASER), было изобретено в 1960 году Теодором Х. Майманом. Применение лазера может быть в передаче энергии между космическими станциями и землей или может быть использовано для приведения в движение космического аппарата [31].

Недавно (2018) Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (LLNL) получила рекорд 2.15 мегаджоулей (МДж) энергии с лазерной системой National Ignition Facility (NIF) [32]. Основная цель НИФ - производить «зеленую» электроэнергию путем термоядерного синтеза без образования радиоактивных отходов.

Нобелевская премия по физике 2014 была присуждена за изобретение синих светодиодов (светодиодов), которые помогли создать энергосберегающие источники света совершенно новым способом. Воздействие обнаружения белых светодиодных ламп значительно снизит потребление электроэнергии в мире [33].

Панъевропейский проект «Инфраструктура экстремального освещения - ядерная физика (ELI-NP)» имеет основной результат - лазерную систему с высокой интенсивностью, состоящую из двух лазерных лучей мощностью 10 Вт. Лазерная система будет генерировать лазерный луч с интенсивностью 10 23 Вт / см 2 и до 10 15 В / м электрических полей [34]. Текущий рекорд - лазер HERCULES Petawatt в Мичиганском университете, США. Сфокусированный лазерный луч имеет интенсивность 2 × 10 22 Вт / см 2 [35, 36].Для сравнения, напряженность электрического поля молнии составляет 3 × 10 6 В / м (30 кВ / см) в условиях сухого воздуха, при атмосферном давлении [37, 38]. Методы измерения этих силовых полей описаны в [39]. Проект ELI-NP был предложен профессором Жераром Муру в 2006 году [40], одним из лауреатов Нобелевской премии по физике 2018 года [41]. Используя лазерную технологию, передача энергии лазера будет решением для питания космических аппаратов или межпланетных коммуникаций.

6. Киберфизические системы

Для повышения безопасности, надежности и надежности электроэнергии во все системы энергетической области следует интегрировать современные функции кибербезопасности. Киберфизические системы (CPS) основаны на специальной архитектуре [42].

Два ключевых фактора влияют на проектирование современных инфраструктур электростанций:

  1. из-за ограниченной гибкости и уязвимости древних массовых централизованных энергосистем;

  2. защита двунаправленных (получение адекватных сигналов от устройств, передача адекватных сигналов управления) данных связи.

Согласно [43], есть две основные причины, которые делают возможными серьезные изменения в электрической инфраструктуре:

Две детерминированные модели CPS описаны в [44] и используются для практической реализации распределенного CSP посредством двух проектов: PRET (высокоточное вычисление (PRET) в кибер-физических системах) [45] и Ptides (программирование интегрированных во времени распределенных встроенных систем) [46].

Пути развития киберфизических систем должны вести к открытию платформ CPS (киберфизических систем) [47].Концепция или краткосрочная исследовательская стратегия любой страны должна включать интеграцию в Континентальные киберфизические платформы (CCPP), соответственно Межконтинентальные киберфизические платформы (ICCPP). Одно направление развития уже началось через киберплатформу с открытым исходным кодом [47]. В то же время, одной из европейских инициатив выступает Европейский стратегический форум по исследовательской инфраструктуре [48].

Некоторые из основных конструктивных особенностей CPS могут быть упомянуты следующим образом: быть модульными, легко связанными с другими CPS (подключи и играй), связью, самовосстановлением, восстановлением, отказоустойчивостью, автономностью, надежностью, подключением датчиков и безопасностью. обеспечение.

Для обеспечения всемирной защиты от внутренних или внешних атак необходимо обеспечить взаимодействие между локальными CPS, объединяя их в одну межконтинентальную платформу (ICCPP). Один из европейских проектов имеет своей главной целью - распространение CPS на рынок через семь платформ [49].

Согласно [50], информация о текущей континентальной исследовательской платформе в Европе доступна. Европейскую исследовательскую инфраструктуру в области энергетики можно найти на [51].

7. Заключение

Поскольку электрическая энергия имеет большое значение для развития человека, для ее получения любая исследовательская стратегия должна включать развитие преобразования электроэнергии. В настоящее время симбиоз между энергией и информационно-коммуникационными технологиями уже принят во внимание. Тем не менее, одним из ключевых успехов быстрого развития технологий является обмен знаниями через открытый исходный код. Все финансируемые из бюджета исследовательские проекты должны предоставлять накопленные результаты исследований всему миру.Беспроигрышный механизм доступа к высокотехнологичным лабораториям мировых исследователей уже создан, по крайней мере, Европейским парламентом и официальными лицами США. Еще одним ключевым фактором развития быстрых технологий является адекватное обучение человеческих ресурсов с помощью передовых и инновационных методов обучения и исследований. Разработка учебного плана и адекватные инструменты для образования должны быть очень быстро адаптированы от цифровой эры [52] к предстоящей эре киборгов [53].

Благодарности

Эта работа была поддержана грантом Национального управления научных исследований Румынии, CNDI — UEFISCDI, номер проекта PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-1680.

Электрическая передача - Energy Education

Рисунок 1. Высоковольтные линии электропередачи используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. [1]

Передача электроэнергии - это процесс доставки вырабатываемой электроэнергии - обычно на большие расстояния - в распределительную сеть, расположенную в населенных пунктах. [2] Важной частью этого процесса являются трансформаторы, которые используются для повышения уровня напряжения, чтобы сделать возможным передачу на большие расстояния. [2]

Система электропередачи в сочетании с электростанциями, распределительными системами и подстанциями образует так называемую электрическую сеть . Сетка отвечает потребностям общества в электричестве и является источником энергии от ее производства до конечного использования. Поскольку электростанции чаще всего расположены за пределами густонаселенных районов, система передачи должна быть довольно большой.

Линии электропередач

Линии электропередач или линии электропередач, такие как на рисунке 1, транспортируют электричество с места на место.Обычно это электричество переменного тока, поэтому повышающие трансформаторы могут увеличивать напряжение. Это повышенное напряжение позволяет эффективную передачу на 500 километров или меньше. Есть 3 типа линий: [3]

  • Воздушные линии имеют очень высокое напряжение, от 100 кВ до 800 кВ, и выполняют большую часть передачи на большие расстояния. Они должны быть высокого напряжения, чтобы минимизировать потери мощности на сопротивление.
  • Подземные линии используются для передачи электроэнергии через населенные пункты, под водой или почти везде, где воздушные линии не могут быть использованы.Они встречаются реже, чем воздушные линии, из-за потерь тепла и более высокой стоимости.
  • Субтрансляционные линии подают более низкие напряжения (26 кВ - 69 кВ) на распределительные станции и могут быть воздушными или подземными.
Рисунок 2. Карта ЛЭП США и Канады. [4]

Уменьшение потерь в ЛЭП

Линии электропередачи теряют мощность в сопротивлении, которое представляет собой тепло, генерируемое при перемещении электрического тока через резистор. Потеря мощности ([математика] P_ {потерянный} [/ математика]) определяется по формуле: [3]

[математика] P_ {потерянный} = я ^ 2 \ раз R [/ математика]

где

  • [математика] I [/ математика] ток в амперах
  • [math] R [/ math] - это сопротивление в омах.

Выше было упомянуто, что линии высокого напряжения уменьшают эту потерянную мощность.Этот факт можно объяснить, посмотрев на передаваемую мощность, [math] P_ {trans} = I \ times V [/ math]. Когда напряжение становится выше, ток должен уменьшаться пропорционально, потому что мощность остается постоянной. Например, если напряжение увеличивается в 100 раз, то ток должен уменьшаться в 100 раз, и результирующая потеря мощности будет уменьшена на 100 2 = 10000. Однако существует ограничение, так как при очень высоком Напряжения (2000 кВ) электричество начинает разряжаться, что приводит к большим потерям. [3] При передаче и электроэнергии в Соединенных Штатах, по оценкам EIA, около 6% электроэнергии теряется. [5]

для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

  1. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ligne_haute-tension.jpg
  2. 2,0 2,1 Р. Пейнтер и Б.Дж. Бойделл, «Передача и распределение электроэнергии: обзор» в г. Введение в электричество , 1-е изд., Аппер-Седл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон, 2011, гл.25, с.1, стр.1095-1097
  3. 3,0 3,1 3,2 Р. Пейнтер и Б. Дж. Бойделл, «Линии электропередачи и подстанции» в г. Введение в электричество .3, с.1102-1104
  4. ↑ EIA, Canada Week: Интегрированная электросеть повышает надежность для США, Канада [Online], доступно: http: // www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=8930
  5. ↑ ОВОС. (27 мая 2015 г.) Потери электричества [Online]. Доступно: http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=105&t=3.
,

Электричество | Электрические токи и цепи | Как производится и транспортируется электричество

Все состоит из атомов. Каждая из них имеет три частиц : протоны, нейтроны и электроны. Электроны вращаются вокруг вокруг центра атома. У них отрицательный заряд . Протоны, которые находятся в центре атомов, имеют положительный заряд .

Обычно атом имеет столько же протонов, сколько электронов.Стабильно или сбалансировано . Углерод , например, имеет шесть протонов и шесть электронов.

Ученые могут заставить электроны перемещаться от одного атома к другому. Атом, который теряет электроны, заряжен положительно, атом, который получает больше электронов, заряжен отрицательно.

Электричество создается, когда электроны движутся между атомами. Положительные атомы ищут свободные отрицательные электроны и притягивают их, так что они могут быть сбалансированы .

Проводники и изоляторы

Электричество может проходить через одни объекты лучше, чем через другие. Проводники - это материалы, через которые электроны могут перемещаться более свободно. Медь , алюминий, сталь и другие металлы являются хорошими проводниками. Так же как и жидкостей, , как соленая вода.

Изоляторы - это материалы, в которых электроны не могут двигаться. Они остаются на месте .Стекло, резина, пластик или сухое дерево - хорошие изоляторы. Они важны для вашей безопасности , потому что без них вы не могли бы прикоснуться к горячей пан или штекеру телевизора.

Электрический ток

Когда электроны движутся через проводник, создается электрический ток . Ток, который всегда протекает в одном направлении, называется постоянным током (DC). Батарея, например, производит постоянный ток.Ток, который течет обратно и далее , называется переменным током (AC).

Электрические схемы

Электроны не могут свободно прыгать через воздух к положительно заряженному атому. Им нужно цепи , чтобы двигаться. Когда источник энергии, такой как батарея, подключен к лампе , электроны могут перемещаться от батареи к лампочке и обратно. Мы называем это электрической цепью .

Иногда в электрическом устройстве имеется множество цепей, которые заставляют его работать. Телевизор или компьютер могут содержать миллионы деталей, которые соединены друг с другом различными способами.

Вы можете остановить ток , включив в цепь переключатель . Вы можете открыть цепь и остановить движение электронов.

Кусок металла или проволоки также может быть использован для производства тепла.Когда электрический ток проходит через такой металл, он может быть замедлен сопротивлением . Это вызывает трения и делает провода горячими. Вот почему вы можете поджарить свой хлеб в тостере или высушить волосы теплым воздухом из фена.

В некоторых случаях провода могут стать слишком горячими, если через них протекает слишком много электронов. Специальные выключатели , называемые предохранителями, защищают проводки во многих зданиях.

Виды электричества

Статическое электричество
  • происходит, когда происходит накопление электронов
  • он остается на одном месте, а затем прыгает на объект
  • он не нуждается в замкнутой цепи для потока
  • - это тот тип электричества, который вы чувствуете, когда вы теряете пуловер о предмет или когда вы тянете ног по ковру.
  • молния является формой статического электричества

Текущее электричество
  • происходит, когда электроны свободно текут между объектами
  • ему нужен проводник - что-то, по чему он может течь, как провод.
  • Текущее электричество нуждается в замкнутой цепи
  • это во многих электрических бытовых приборов в наших домах - тостеры, телевизоры, компьютеры.
  • батарея является формой текущего электричества

Как работают батареи

Батарея содержит жидкой или пасты , которая помогает ей производить электрических зарядов . Плоский конец батареи имеет отрицательный заряд , а конец с ударом имеет положительный заряд.

При соединении провода между обоими концами протекает ток . Когда ток проходит через лампочку , электрической энергии преобразуется в свет.

Химикаты в батарее поддерживают концов заряженными и батарею разряжают. С течением времени химическое вещество становится все слабее и батарея не может производить больше энергии.

Как производится электричество

Генераторы

используются для преобразования механической энергии в электрическую энергию. Магнит вращается внутри катушки из провода . Когда магнит движется, в проводе возникает электрический ток.

Большинство электростанций используют турбин , чтобы заставить генератор вращаться. Вода нагревается до пар , который выталкивает лопаток турбины. Газ, нефть или уголь могут быть использованы для нагрева воды. Некоторые страны строят электростанции на реках, где движущаяся вода толкает турбину , лопатки .

Как измеряется электричество

Электроэнергия - это , измеренная в Вт, названная в честь Джеймса Ватта, который изобрел паровой двигатель .Потребуется около 750 Вт на , что соответствует одной лошадиной силы.

Киловатт-час - это энергия 1000 Вт, которая работает один час. Например, если вы используете 100-ваттную лампочку в течение 10 часов, вы использовали 1 киловатт электроэнергии.

Как транспортируется электричество

Электроэнергия, вырабатываемая генератором, проходит по кабелям к трансформатору , который изменяет напряжение электричества. Линии электропередач передают высоковольтного электричества на очень большие расстояния.Когда он достигает вашего родного города, другой трансформатор понижает напряжение, а меньшие линий электропередачи доставляют его в дома, офисы и фабрики.

Электробезопасность

Важно понимать, почему и как вы можете защитить себя от электрических травм .

Электрический шок происходит , когда электрический ток проходит через ваше тело.Это может привести к сердечной недостаточности и может повредить другие части вашего тела. Он также может сжечь вашу кожу и другие тканей тела .

Очень слабый электрический объект, такой как батарея, не может причинить вам вреда, но внутри дома у вас есть устройств и машины, которые используют 220 вольт.

Большинство машин в вашем доме имеют функций безопасности , чтобы защитить вас. Если что-то идет не так, специальный провод подводит электричество к земле, где ничего не может произойти.

Есть также электрические опасности за пределами вашего дома. Деревья, которые касаются линий электропередач , могут быть опасными. У молнии более чем достаточно электричества, чтобы убить человека. Если вы попали в грозу, держитесь подальше от открытых полей и высоких мест. Одно из самых безопасных мест - ваш автомобиль, потому что молния будет ударять только о металл снаружи автомобиля.

Загружаемые PDF-текстовые и рабочие листы

Смежные темы

слов

  • Прибор = электрическая машина, которую вы обычно используете в доме, например, плита или стиральная машина
  • притягивать = тянуть к объекту
  • туда-сюда = идти в одном направлении, а затем в другом
  • сбалансированный = то же самое, что и стабильный
  • лезвие = плоская часть предмета, который сталкивается с водой
  • наращивание = увеличение
  • бугорок = небольшая территория, которая выше остальных
  • углерод = химический материал, который находится в угле или бензине.Это в чистом виде в алмазах
  • заряд = электричество, которое вводится в объект, например батарею, чтобы дать ему мощность
  • схема = полный круг, по которому проходит электрический ток
  • катушка = провод, который проходит вокруг объекта в круге и производит свет или тепло, когда электричество проходит через
  • подключить = присоединиться
  • преобразовать = изменить
  • медь = мягкий красно-коричневый металл, который позволяет электричеству и теплу проходить легко
  • шнур = кабель
  • ток = поток электричества через кусок металла
  • ток = поток электричества через кусок металла
  • уменьшить = стать меньше
  • устройство = машина или инструмент, который делает что-то особенное
  • распределительные линии = провода или кабели для транспортировки электроэнергии
  • drag = pull
  • равно = так же, как
  • поток = для перемещения
  • трение = когда вы тереть что-то против чего-то другого, становится жарко
  • Предохранитель = короткий отрезок провода внутри машины, который отключает электричество при слишком большой мощности
  • сердечная недостаточность = когда ваше сердце перестает биться
  • высокое напряжение = высокая электрическая сила
  • на месте = где они
  • увеличение = стать больше
  • травма = если вы поранились
  • сохранить = остаться, остаться
  • лампочка = стеклянный предмет внутри лампы.Производит свет
  • молния = мощная вспышка света в небе во время грозы
  • жидкость = жидкость, водянистый объект
  • измеряется = единица чего-то
  • происходят = случаются
  • сковорода = круглый металлический контейнер, который вы используете для приготовления пищи
  • частица = очень маленькая часть атома
  • пройти через = пройти через
  • паста = липкий материал, как клей
  • штекер = для подключения электрического объекта к электроснабжению дома
  • Линия электропередачи = большой провод, который проводит электричество над или под землей
  • сопротивление = материал, который останавливает электричество, проходящее через него
  • повернуть = чтобы объехать
  • безопасность = безопасность, защита
  • Безопасность = вещи в машинах или электрических предметах, которые защищают вас от травм
  • ученый = человек, который обучен науке
  • Розетка = место в стене, где можно подключить электрический объект к основному источнику электроэнергии
  • источник = место, где вы получаете что-то от
  • spin = чтобы быстро что-то развернуть
  • пар = белый газ, который вода выделяет при нагревании
  • паровой двигатель = двигатель или двигатель, работающий на паре
  • сталь = прочный металл, который может быть сформирован
  • переключатель = объект, который запускает или останавливает поток электричества при нажатии на него
  • ткань = материал, который образует клетки животных или растений
  • преобразование = изменение
  • трансформатор = машина, которая меняет электричество с одного напряжения на другое
  • турбина = двигатель, который вращает специальное колесо вокруг
  • напряжение = электрическая сила, измеренная в вольтах
  • провод = очень тонкий кусок металла, в котором электричество может проходить через
  • проводка = сеть проводов в доме или здании

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020