Презентация к уроку Генерирование электроэнергии

генератор Генера́тор (от лат. Generator - производитель) - устройство, аппарат или машина: производящие какие-либо продукты (генератор ацетиленовый, лёдогенератор, парогенератор, газогенератор, генератор водорода), вырабатывающие электрическую энергию (электроэнергетические) (электрический генератор) (генератор электромашинный, автомобильный генератор, паротурбинный, гидротурбинный, ламповый, импульсный, радиосигналов и др.), преобразующие один вид энергии в другой (генератор ультразвуковых колебаний). Виды генераторов:генератор напряжениягенератор токагенератор постоянного токагенератор переменного токавырабатывающие сигнал (в произвольной энергетической форме) с определёнными математическими свойствами (автогенератор, генератор синусоидальных колебаний, генератор импульсов, генератор случайной величины и т. д.).генератор электронный - устройства на электронных элементах (электронных лампах, транзисторах), вырабатывающие электрические сигналы различных видов: генератор Мейснера, генератор Хартли, генератор Колпитца и др.генератор Марксагенератор Ван де Граафагенератор Кокрофта-Уолтонагенератор документациигенератор измерительныйгенератор псевдослучайных чиселуниполярный генератор Электромеханические индукционные генераторы переменного токаЭлектри́ческий генера́тор - это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию. ИсторияДо того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов: Электростатическую индукцию Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриковПо причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа. Динамо-машина ЙедликаВ 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1852 и 1854) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время. Диск ФарадеяВ 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный«диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток. Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции. Динамо-машинаДинамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первая динамо-машина была построена Hippolyte Pixii в 1832.Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь. Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора вращающихся обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью. КлассификацияЭлектромеханические ИндукционныеЭлектрофорная машинаТермоэлектрические ТермопарыТермоионные генераторыФотоэлементыМагнитогидро(газо)динамические генераторыХимические источники тока Гальванические элементыТопливные элементыБиогенераторы Электромеханический индукционный генераторНа сегодняшний день наиболее распространённым типом является индукционный электромеханический генератор. Абсолютное большинство тепловых, гидравлических, ветряных, атомных, приливных, геотермальных электростанций, а также некоторые солнечные используют этот тип генератора.Электромеханический генера́тор - это электрическая машина, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию. Классификация ЭМИГПо типу первичного двигателя: Турбогенератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;Гидрогенератор — электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;Дизель-генератор — электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;Газотурбинный генератор - электрический генератор, приводимый в движение газотурбинным двигателем;Паро-генератор — электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной;Ветро-генератор - электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра; По виду выходного электрического тока Генератор постоянного тока Коллекторные генераторыВентильные генераторыГенератор переменного тока Однофазный генератор Бесщёточный синхронный генераторТрёхфазный генератор С включением обмоток звездойС включением обмоток треугольникомПо способу возбуждения С возбуждением постоянными магнитамиС внешним возбуждениемС самовозбуждением С последовательным возбуждениемС параллельным возбуждениемСо смешанным возбуждением Генератор переменного токаГенератор переменного тока (альтернатор) является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.Генератор переменного тока раннего 20-го века сделанный в Будапеште, Венгрия, в зале производства электроэнергии гидроэлектростании (фотография Прокудина-Горского, 1905-1915). трансформатор Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) - статическое (не имеющее подвижных частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока обычно другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности.Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала. Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.Столетов Александр Григорьевич (профессор МУ) сделал первые шаги в этом направлении - обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (80-е).Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.История Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора.30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом ГопкинсонС изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока, построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый трёхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км трёхфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод).В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния. Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз. Виды трансформаторовСиловой трансформаторАвтотрансформаторТрансформа́тор то́каТрансформатор напряженияИмпульсный трансформаторРазделительный трансформаторПик-трансформатор В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между двумя различными базовыми концепциями:СтержневойБроневойЛюбая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной. Стержневой тип трёхфазных трансформаторовБроневой тип трёхфазных трансформаторов магнитная система (магнитопровод)обмоткисистема охлажденияОсновные части конструкции трансформатора Схема трансформатора Схема трансформатораНа схемах трансформатор обозначается следующим образом:Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 - первичная обмотка (обычно слева), 2,3 - вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков - больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности). Схема однофазного трансформатора Применение трансформаторов в электросетяхПоскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня. Схема использования трансформаторных подстанций. Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий. Несмотря на высокий КПД трансформатора (свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВА). Трёхфазный понижающий трансформатор, установленный на опорах Передача электроэнергии Передача электроэнергии от электростанции к потребителям — одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока. Необходимость П. э. на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии. Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности П. э. на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории. Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, то есть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом ограничивающих факторов: предельной мощности по условиям устойчивости, потерь на корону, нагрева проводников и т.д. Первая в мире электропередача, рассчитанная на длительную эксплуатацию, была построена в Петербурге в 1876 П. Н. Яблочковым для электрического освещения улиц. Д. А. Лачинов и М. Депре в 1880 теоретически обосновали возможность повышения напряжения для увеличения мощности и дальности передачи. Однако широкое использование электрической энергии в промышленности, теснейшим образом связанное с П. э. на расстояние, началось лишь после изобретения М. О. Доливо-Добровольским экономичного и относительно простого способа передачи электрической энергии трёхфазным переменным током. Со времени создания первых электропередач трёхфазного тока их напряжение возрастало в 1,5—2 раза примерно каждые 10—15 лет. Повышение напряжения давало возможность увеличивать расстояния и передаваемые мощности. В 20-х гг. 20 в. электроэнергия передавалась максимально на расстояния порядка 100 км, к 30-м гг. протяжённость ЛЭП увеличилась до 400 км, а к 70-м гг. длина ЛЭП достигла 1000—1200 км. Наряду с развитием электропередач переменного тока совершенствовалась техника П. э. постоянным током. В 1950 в СССР впервые в мире была введена в действие опытная кабельная линия постоянного тока Каширская ГРЭС — Москва напряжением 200 кв с пропускной способностью 30 Мвт. Накопленный опыт позволил в 1962—65 ввести в эксплуатацию межсистемную электропередачу постоянного тока (с воздушной ЛЭП напряжением 800 кв) Волгоград — Донбасс пропускной способностью 750 Мвт. К 1974 в разных странах работало уже более 20 электропередач постоянного тока. В СССР в 1975—85 намечается строительство ЛЭП постоянного тока напряжением ±750 кв протяжённостью 2500—3000 км и в дальнейшем — электропередачи ± 1200 кв. С 60-х гг. большое внимание уделяется разработке качественно новых электропередач. Таковы, например, «закрытые» электропередачи, выполняемые в виде замкнутых конструкций, заполненных электроизолирующим газом (например, SF6), внутри которых располагаются провода высокого напряжения. Перспективны также криогенные (в дальнейшем, возможно, сверхпроводящие) ЛЭП. «Закрытые» и криогенные электропередачи особенно удобны для энергоснабжения потребителей в густонаселённых районах, например на территориях крупных городов. Кроме того, изучается возможность передачи энергии электромагнитными волнами высокой частоты по волноводам.В энергоснабжении потребителей альтернативой П. э. на расстояние является перевозка топлива. Сравнительный анализ показывает, что не всегда П. э. — наилучший способ энергоснабжения. Например, при высокой калорийности угля (более 17—19 Мдж/кг) более целесообразно перевозить его по железной дороге (при условии, что железная дорога уже построена); в ряде случаев оказывается предпочтительнее сооружать трубопроводы для подачи природного газа или нефти. Анализ энергосистем ряда стран позволяет выделить две основные тенденции их развития: приближение электростанций к центрам потребления в тех случаях, когда на территории, охватываемой объединённой энергосистемой, нет дешёвых источников энергии или когда ресурсы этих источников уже исчерпаны; сооружение электростанций вблизи дешёвых источников энергии и П. э. на расстояние, к центрам её потребления. Системы электро-, нефте- и газоснабжения должны сооружаться и эксплуатироваться в определённой координации между собой и образовывать единую энергетическую систему страны.