Отдача электрической энергии

-Преобразование
энергии — основное назначение
электрических машин в качестве двигателя
или генератора. Преобразование переменного
тока в постоянный.

-Усиление
мощности электрических сигналов. В этом
случае электрическая машина называется
электромашинным усилителем.

-Повышение
коэффициента мощности электрических
установок. В этом случае электрическая
машина называется синхронным компенсатором.

-Дистанционная
передача информации (сельсин)

Расчет электрической энергии, используемой бытовым или промышленным электротехническим прибором, производится обычно с учетом полной мощности электрического тока, проходящего через измеряемую электрическую цепь. При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. О том, что такое активная и реактивная электроэнергия и как проверить сумму начисленных оплат, попытаемся рассказать в этой статье.

Источник электрической энергии — электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию на электростанциях.

Топливом для электрических станций служат природные богатства – уголь, торф, вода, ветер, солнце, атомная энергия и др.

В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные и др..

Тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует энергию тепла в электричество. Тепловые электростанции работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы (Рис. 1)
Гидроэлектростанция (ГЭС) преобразует энергию движения воды в электроэнергию. Гидроэлектростанции возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращают турбины электрогенератора. Различают ГЭС плотинного и деривационного типов.
Атомные электростанции (АЭС) отличаются от обычной паротурбинной станции тем, что на АЭС в качестве источника энергии используется процесс деления ядер урана, плутония, тория и др.(Рис. 1).

Электростанции

Рисунок 1 — Электростанции: а-тепловая (ТЭС); б-плотинная ГЭС; в-атомная

Нетрадиционные энергоисточники станут основными к 2050 году, так утверждают ученые, а традиционные потеряют свою потребность.

Энергия солнца (Рис. 2) широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.
Ветроэлектростанция (ВЭС) (Рис. 2) преобразует энергию ветра в электрическую энергию.
Приливные электростанции основаны на использовании (Рис. 2.) энергии прилива.
Нетрадиционные геотермальные источники энергии (Рис. 2) основаны на использовании тепла земных турбин (глубинные горячие источники).
Биохимическая электростанция (Рис. 2). Новые перспективные источники энергии – биомасса.

Нетрадиционные источники энергии

Рисунок 2 — Нетрадиционные источники энергии: а –солнечные батареи; бветроэлектростанция; вприливная электростанция; ггеотермальная электростанция; д-биохимическая электростанция на биомассах

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) выделяют три категории, различающиеся степенью надежности и защиты электроприемников.

Первая категория подразумевает непрерывную подачу электричества к объектам и не допускает перерыва в электроснабжении. Перебои в поставке тока может привести к очень серьезным последствиям, а именно:

угрозе жизни и здоровья людей;
значительным финансовым потерям;
поломке дорогостоящего оборудования, нарушению
функционирования объектов ЖКХ;
сбою в технологических процессах и т.п.

Электроприемники первой категории широко используются в промышленности (химической, металлургической), шахтах, лечебнопрофилактических учреждениях и реанимационных, котельных, в противопожарных устройствах, лифтах и т.п.

Вторая категория электроприемников включает в себя устройства, отключение которых может привести к следующим последствиям:

нарушению производственного цикла и недоотпуску продукции;
простою оборудования, транспорта и различных механизмов;
нарушению жизнедеятельности целых районов и большого количества людей.

Ко второй категории электроснабжения электроприемников относятся жилые многоквартирные здания, общежития, детские и медицинские учреждения, спортивные сооружения, магазины, предприятия общественного питания, школы, музеи, бани и т.д.

Третья категория надежности включает в себя установки, которые нельзя определить в первые две группы. Это могут быть жилые малоквартирные дома, небольшие производственные площадки и вспомогательные цеха. Питание осуществляется от одного источника, при этом перебои поставки энергии могут достигать до 24 часов (72 часа за год).

Принципы производства электрической энергии

Источником электрической энергии на станциях являются машинные генераторы (Рис. 3).

Генератор с обозначением его основных элементов

Рисунок 3 — Генератор с обозначением его основных элементов

В них происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции (рисунок 4).

Принцип работы генератора переменного тока

Рисунок 4 — Принцип работы генератора переменного тока: F-cила, вращающая рамку, I-ток, протекающий в рамке, S-площадь рамки

В зависимости от рода первичных двигателей электрические станции разделяют на тепловые, гидравлические и ветросиловые.

Несмотря на различие конструкции электростанции и способа преобразования в электрическую энергию, принцип действия у всех почти одинаковый. На рисунках в приложении 1. представлены схемы принципа работы часто встречающихся электростанций.

Большинство электростанций объединены в энергетические системы. При быстронарастающей нагрузке могут потребоваться быстрозапускающиеся паротурбинные агрегаты, а также дизельные агрегаты.

Кратковременные перерывы в электроснабжении могут возникнуть при восстановлении питания устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). Поэтому для электроприемников, не допускающих вообще перерывов питания, применяют высоконадежные автономные местные источники.

В качестве местных источников реактивной мощности применяют:

синхронные генераторы заводских ТЭЦ и других регулярно работающих заводских электростанций и генераторных установок;
синхронные двигатели с cosφ 0,9;
конденсаторные батареи.

Источниками питания для цеховых электроприемников являются цеховые трансформаторные подстанции (ЦТП). Число трансформаторов на ЦТП выбирают один или два.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Виды электрических сетей

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

напряжению;
степени подвижности;
назначению;
роду тока и числу проводов;
схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Схемы разомкнутых сетей

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Схемы замкнутых сетей

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.

Принципы передачи и распределение электрической энергии

Электроэнергетической системой называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии (Рис. 9).

Трансформаторные подстанции позволяют преобразовать напряжение из высокого в низкое.

При передаче электроэнергии, чем выше напряжение в сети, тем ниже уровень технических потерь электроэнергии. Однако потребители не могут использовать электроэнергию с высоким напряжением. Распределительные подстанции служат для приема и распределения электроэнергии, в основном, в городских электрических сетях, крупных промышленных и нефтедобывающих предприятиях.

Передача и распределение электрической энергии

Рисунок 9 — Передача и распределение электрической энергии

Принцип передачи и распределения электрической энергии заключаются в выполнении следующих основных приоритетов:

максимальное приближение источников высокого напряжения к потребителям;
сокращение ступеней трансформации;
повышение напряжения электропитающих сетей;
использование минимального количества электрооборудования;
раздельная работа линий и трансформаторов;
резервирование питания для отдельных категорий потребителей;
секционирование всех звеньев распределения энергии с применением устройств АВР при преобладании потребителей I и II категорий.

Однако существует ряд особенностей при транспорте электроэнергии В реальности при передаче электроэнергии от электростанций в магистральные сети зачастую используются трансформаторные подстанции (Рис. 10).

Транспортировка электроэнергии

Рисунок 10 — Транспортировка электроэнергии

Лекция
2. Структура
потерь электрической энергии. Коммерческие
потери. Мероприятия по снижению потерь:
организационные и технические аспекты

Структура
потерь электроэнергии

Электрическая
энергия, передаваемая по электрическим
сетям, является единственным видом
продукции, который для своего перемещения
расходует часть самого себя, не требуя
для этого других ресурсов.

Потери
– это
часть электроэнергии, совершающая
полезную работу по транспортировке
другой ее, основной, части от мест
производства до мест потребления.

Фактические
(отчетные) потери электроэнергии
определяют
как разность электроэнергии, поступившей
в сеть, и электроэнергии, отпущенной из
сети потребителям. Эти потери включают
в себя составляющие различной природы:
потери в элементах сети, имеющие чисто
физический характер, расход электроэнергии
на работу оборудования, установленного
на подстанциях и обеспечивающего
передачу электроэнергии, погрешности
фиксации электроэнергии приборами ее
учета и, наконец, хищения электроэнергии,
неоплату или неполную оплату показаний
счетчиков и т.п.

Разделение
потерь на составляющие может проводиться
по разным критериям: характеру потерь
(постоянные, переменные), классам
напряжения, группам элементов,
производственным подразделениям и т.д.
Для целей нормирования потерь целесообразно
использовать укрупненную
структуру потерь электроэнергии,
в которой потери разделены на составляющие,
исходя из физической природы и специфики
методов определения их количественных
значений. Исходя из этого критерия
фактические потери могут быть разделены
на четыре составляющие:

1)
технические
потери электроэнергии,
обусловленные
физическими процессами, происходящими
при передаче электроэнергии по
электрическим сетям и выражающимися в
преобразовании части электроэнергии
в тепло в элементах сетей. Технические
потери не могут быть измерены. Их значения
получают расчетным путем на основе
известных законов электротехники;

2)
расход
электроэнергии на собственные нужды
электростанций,
необходимый для обеспечения работы
технологического оборудования подстанций
и жизнедеятельности обслуживающего
персонала. Расход электроэнергии на
собственные нужды электростанций
регистрируется счетчиками, установленными
на трансформаторах собственных нужд;

3)
потери
электроэнергии, обусловленные
инструментальными погрешностями ее
измерения (инструментальные потери).
Эти потери получают расчетным путем на
основе данных о метрологических
характеристиках и режимах работы
используемых приборов;

4)
коммерческие потери,
обусловленные
хищениями электроэнергии, несоответствием
показаний оплаты за электроэнергию
бытовыми потребителями и другими
причинами в сфере организации контроля
за потреблением энергии. Коммерческие
потери не имеют самостоятельного
математического описания и, как следствие,
не могут быть рассчитаны автономно. Их
значение определяют как разницу между
фактическими (отчетными) потерями и
суммой первых трех составляющих.

В
настоящее время расход электроэнергии
на собственные нужды подстанций
отражается в отчетности в составе
технических потерь, а потери, обусловленные
погрешностями системы учета электроэнергии,
– в составе коммерческих потерь. Это
является недостатком существующей
системы отчетности, так как не обеспечивает
ясного представления о структуре потерь
и целесообразных направлениях работ
по их снижению.

Три
первые составляющие укрупненной
структуры потерь обусловлены
технологическими потребностями процесса
передачи электроэнергии по сетям и
инструментального учета ее поступления
и отпуска. Сумма этих составляющих
хорошо описывается термином технологические
потери.
Четвертая составляющая – коммерческие
потери –
представляет собой воздействие
“человеческого фактора” и включает в
себя все его проявления: сознательные
хищения электроэнергии некоторыми
абонентами с помощью изменения показаний
счетчиков, потребление энергии мимо
счетчиков, неоплату или неполную оплату
показаний счетчиков, определение
поступления и отпуска электроэнергии
по некоторым точкам учета расчетным
путем (при несовпадении границ балансовой
принадлежности сетей и мест установки
приборов учета) и т. п.

Очевидно,
что каждая укрупненная составляющая
имеет свою более детальную структуру.
Технические потери можно разделить на
поэлементные составляющие, расход
электроэнергии на собственные нужды
подстанций включает в себя 24 типа
электроприемников, погрешности учета
включают составляющие, обусловленные
измерительными трансформаторами тока,
напряжения и электрическими счетчиками,
коммерческие потери также могут быть
разделены на многочисленные составляющие,
отличающиеся причинами их возникновения.
Такую структуру потерь назовем детальной
структурой потерь электроэнергии
(рис. 2.1). Представленная на рисунке
структура является полной для всех
составляющих потерь. Она неполна лишь
для коммерческих потерь, для которых
указаны только группы обуславливающих
факторов, а не конкретные составляющие.
В настоящее время описано более 40
способов хищений и надеяться на то, что
их окончательное число, невозможно.

Рис.
2.1 Детальная структура отчетных потерь
электроэнергии

Следует,
однако, иметь в виду, что разобраться с
потерями нас заставляет не наука, а
экономика. Поэтому и применять для
анализа отчетных потерь следует
экономические критерии. С
экономических позиций потери
– это та часть электроэнергии, на которую
ее зарегистрированный полезный отпуск
потребителям оказался меньше
электроэнергии, произведенной на своих
электростанциях и закупленной у других
ее производителей. Под зарегистрированным
полезным отпуском электроэнергии здесь
понимается не только та его часть,
денежные средства за которую действительно
поступили на расчетный счет, т. е.
потребление энергии зафиксировано.
Выставление счетов является практикой,
применяемой к организациям — юридическим
лицам, потребление энергии которыми
фиксируется ежемесячно. В отличие от
этого реальные показания счетчиков,
фиксирующих потребление энергии бытовыми
абонентами, неизвестны. Полезный отпуск
электроэнергии бытовым абонентам
определяют непосредственно по поступившей
за месяц оплате, поэтому к потерям
относят всю неоплаченную энергию.

Коммерческие
потери
– потери,
обусловленные хищениями электроэнергии,
несоответствием показаний счетчиков
оплате за электроэнергию
и другими причинами в сфере организации
контроля за потреблением энергии.

Уровень
коммерческих потерь зависит и от качества
организации контроля за потреблением:

осуществления
«привязки» всех абонентов к конкретным
подстанциям с помощью идентификационных
кодов в платежных документах;
наличия
счетчиков технического учета на головных
участках радиальных линий всех классов
напряжения (вплоть до 0,4 кВ, еслиимеются
возможности обеспечить их нормальную
эксплуатацию). Это позволяет определять
степень соответствия электроэнергии,
отпущенной в данную сеть и оплаченной
присоединенными к ней потребителями,
и на основе этого выявлять конкретные
участки сети с повышенным уровнем
коммерческих потерь;
оснащенности
инспекторов специальными приборами,
позволяющими выявлять несоответствие
между токовой нагрузкой присоединения
и оплатой за электроэнергию;
численности
и организации работы инспекторов.

Мероприятия
по снижению технологических потерь

Исходя
из особенностей получения эффекта,
мероприятия по снижению потерь
электроэнергии (МСП) могут быть разделены
на четыре группы:

Мероприятия
по совершенствованию управления
режимами электрических сетей;
Мероприятия
по автоматизации управления режимами
электрических сетей;
Мероприятия
по реконструкции электрических сетей;
Мероприятия
по совершенствованию учета электроэнергии.

Мероприятия
каждой из перечисленных групп имеют
организационные и технические аспекты.

К
организационным аспектам МСП относятся:

внедрение
программного обеспечения, проведение
расчетов по выбору МСП и оценке их
экономических показателей;
выпуск
организационно-распорядительных
документов, устанавливающих ответственность
подразделений за те или иные составляющие
потерь и проведение мероприятий по их
снижению в установленные планом сроки;
разработка
системы стимулирования персонала к
снижению потерь электроэнергии;
введение
системы контроля за проведением работ
по снижению потерь электроэнергии и
соответствующей системы их учета и
анализа;
выделение
средств и материальных ресурсов для
приобретения необходимого оборудования,
его доставки и установки;
установление
в договорах электроснабжения условий
потребления реактивной энергии
потребителями в соответствии с
действующими нормативными документами.

Перечисленные
работы и действия мероприятиями по
снижению потерь не являются и
непосредственного эффекта, выражающегося
в снижении потерь, не имеют.

К техническим
аспектам МСП относятся:

реализация
оптимального управления режимами
электрических сетей;
установка
и ввод в действие технических средств
снижения потерь электроэнергии, средств
телеизмерений параметров режима
электрических сетей и автоматических
устройств управления режимами;
реализация
потребителями режимов потребления
реактивной энергии, установленных в
договорах электроснабжения.

Относительно
последнего мероприятия следует иметь
в виду, что энергоснабжающая организация
не может гарантировать реализацию
потребителями установленных режимов
потребления реактивной энергии, так
как потребитель вправе как выдерживать
их, так и оплачивать отклонение от них.
Во втором случае снижения потерь не
происходит, энергоснабжающая организация
лишь получает за них денежную компенсацию.

К мероприятиям
по совершенствованию управления режимами
электрических сетей относится:

реализация
оптимальных режимов замкнутых,
электрических сетей 110 кВ и выше по
реактивной мощности и напряжению;
проведение
переключений в рабочей схеме сети,
обеспечивающих снижение потерь
электроэнергии за счет перераспределения
потоков
между элементами;
перевод
неиспользуемых, генераторов станций
в режим СК при дефиците реактивной
мощности в узле;
осуществление
регулирования напряжения в центрах
питания радиальных сетей 6-110 кВ,
обеспечивающего минимальные потери
электроэнергии при допустимых отклонениях
напряжения у потребителей
электроэнергии;
размыкание
линий 6-35 кВ с двухсторонним питанием
в точках, обеспечивающих электроснабжение
потребителей при минимальных суммарных
потерях электроэнергии в сетях 6-35 кВ
и выше;
отключение
в режимах малых нагрузок одного из
трансформаторов на подстанциях с
двумя и более трансформаторами;
выравнивание
нагрузок фаз в сетях 0,4 кВ.

Мероприятия
по автоматизации управления режимами
электрических сетей состоят
в установке и вводе в работу:

автоматических
регуляторов напряжения трансформаторов
с РПН;
автоматических
регуляторов реактивной мощности ее
источников;

К
мероприятиям по реконструкции
электрических сетей относятся:

разукрупнение
подстанций, ввод дополнительных ВЛ и
трансформаторов для разгрузки
перегруженных участков сетей, перемещение
трансформаторов с одних подстанций на
другие с целью нормализации их
загрузки, ввод дополнительных
коммутационных аппаратов и т.п.;
ввод
компенсирующих устройств (КУ) на
подстанциях энергосистемы;
ввод
технических средств регулирования
напряжения (трансформаторов с
продольно-поперечным регулированием,
вольтодобавочных трансформаторов,
трансформаторов с РПН и т.д.).

К
мероприятиям по совершенствованию
учета электроэнергии относятся:

обеспечение
работы измерительных трансформаторов
и электросчетчиков в допустимых
условиях (отсутствие перегрузки
вторичных цепей ТТ и ТН, обеспечение
требуемых температурных условий,
устранение вибраций оснований счетчиков
и т.д.);
замена
измерительных трансформаторов на
трансформаторы с улучшенными
характеристиками и с номинальными
параметрами, соответствующими фактическим
нагрузкам;
замена
существующих приборов учета на приборы
с улучшенными характеристиками;
установка
приборов технического учета электроэнергии
на радиальных линиях, отходящих от
подстанций (головной учет);
периодические
проверки условий работы электросчетчиков
расчетного учета у потребителей и
выявление хищений электроэнергии;
установка
автоматизированных систем учета
электроэнергии.

#
#
#
#
#
конспект лекций по начертательной геометрии.pdf

Режимы работы электрических цепей

В электрических цепях все основные
элементы делятся на активные и пассивные.
Активными считаются элементы, в которых
преобразование энергии сопровождается
возникновением ЭДС (аккумуляторы,
генераторы). Элементы, в которых ЭДС не
возникает, называются пассивными.

Параметры электрических цепей:

Ток в замкнутой цепи
;

Напряжение на клеммах источника
;

Падение напряжения на сопротивлении
источника
;

Полезная мощность (мощность потребителя)
.

Электрические цепи могут работать в
трех режимах:

режим холостого хода (цепь разомкнута)
R=∞:I_хх=0,U=E,
U₀=0, P=0.
режим короткого замыкания R=0:
режим нагрузки R≠0:;;;.

Условие максимальной отдачи мощности:
полезная мощность максимальна, когда
сопротивление потребителя R
станет равным внутреннему сопротивлению
источника R₀.

КПД при максимальной отдаче мощности
равно 50%, к 100% КПД приближается в режиме,
близком к холостому ходу.

Нормальным (рабочим) режимом называют
такой режим работы цепи, при котором
ток, напряжение и мощность не превышают
номинальных значений, заданных
заводом-изготовителем.

Источники тока могут работать в режиме
генератора и в режиме нагрузки. Источники,
ЭДС которых совпадают с направлением
тока в цепи, работают в режиме генератора,
а источники , ЭДС которых не совпадают
с направлением тока, работают в режиме
потребителя.

Напряжение источника, работающего в
режиме генератора:
.

Напряжение источника, работающего в
режиме потребителя:
.

Закон Джоуля — Ленца

Ток, протекая по проводнику, нагревает
его (в этом случае электрическая энергия
преобразуется в тепловую). Количество
выделенного тепла будет определяться
количеством электрической энергии,
затраченной в этом проводнике.

Коэффициент 0,24 (электротермический
эквивалент) устанавливает зависимость
между электрической и тепловой энергией.

Значение коэффициента при учете потерь

Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии – а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением. Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.

Расчет реактивной электроэнергии

Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.

Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7.

Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом. Баланс активной и реактивной мощности в цепи может быть наглядно представлен в виде этого забавного рисунка:

Энергия и мощность электрического тока

В любой замкнутой электрической цепи
источник затрачивает электрическую
энергию W_истна
перемещение единицы положительного
заряда по всей цепи: и на внутреннем и
на внешнем участках.

Энергия источника определяется
выражением: W_ист=Eq=EIt=
(U₀+U)It;

Энергия источника (полезная), которая
расходуется на потребителе: W=UIt;

Энергия источника (потери), которая
расходуется на внутреннем сопротивлении
источника: W=U₀It;

Преобразование электрической энергии
в другие виды энергий происходит с
определенной скоростью. Эта скорость
определяет электрическую мощность
элементов электрической цепи:

Мощность источника определяется
соотношением:

Мощность потребителя определяется
соотношением:

Коэффициент полезного действияэлектрической цепиηопределяется
отношением мощности потребителя к
мощности источника:

Учет реактивной электроэнергии для предприятий

Другое дело – предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее. Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты.
Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.

Реактивная энергия в многоквартирных домах

Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.

Активная электроэнергия

Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств – электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и гладильные прессы и прочее.

Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.

Частные случаи учета реактивной мощности

Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию.

В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию. Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.

Понимание сущности активной и реактивной энергии дает возможность грамотно рассчитать экономический эффект от установки различных компенсационных устройств, снижающих потери от реактивной нагрузки. Согласно статистике, такие устройства позволяют поднимать значение cos φ от 0.6 до 0.97. Тем самым автоматические компенсаторные устройства помогают сэкономить до трети предоставляемой потребителю электроэнергии. Значительное уменьшение тепловых потерь увеличивает срок эксплуатации приборов и механизмов на производственных участках и снижает себестоимость готовой продукции.

Понятие реактивной электроэнергии

Этот вид электроэнергии присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия — это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу.

В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях переменного тока реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».

При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной – ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации.

Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе потребляемой мощности которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.

Коэффициент реактивной энергии

Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.

Тема 1

Расчет электрических цепей постоянного
тока

Основной целью расчета электрической
цепи является нахождение ее параметров:
ток, напряжение, сопротивление, мощность,
КПД. Значения параметров дают возможность
оценить условия и эффективность работы
электротехнического оборудования и
приборов во всех участках электрической
цепи.

Для расчета электрических цепей основой
служат законы Ома и Кирхгофа, Джоуля-Ленца.

К характерным элементам электрической
цепи относятся ветвь, узел, контур.

Ветвью электрической цепи называется
ее участок, на всем протяжении которого
величина тока имеет одинаковое значение.
Ветви, которые содержат источники
питания называются активными, а которые
не содержат их – пассивными.

Узлом электрической цепи называется
точка соединения электрических ветвей.

Контуром электрической цепи называют
замкнутое соединение, в которое могут
входить несколько ветвей.

Первый закон Кирхгофа

Сумма токов входящих в узел равна сумме
токов, выходящих из узла. ИЛИ Сумма
токов, сходящихся в узле равна нулю.

∑I=0; — математическое
выражение первого закона Кирхгофа.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом
контуре электрической цепи равна
алгебраической сумме падений напряжений
на всех участках этой цепи.

;
— математическое выражение второго
закона Кирхгофа.

Последовательным соединением участков
эй цепи называют соединение, при котором
через все участки цепи проходит один и
тот же ток.

Общее напряжение последовательно
соединенных элементов равно сумме
напряжений на каждом элементе согласно
второму закону Кирхгофа:
;

В соответствии с законом Ома:
;
Из этого соотношения следует:; Таким образом, общее сопротивление
цепи с последовательно соединенными
элементами равно сумме этих сопротивлений.

Параллельным соединением участков
электрической цепи называется соединение,
при котором все участки цепи присоединяются
к одной паре узлов, то есть находятся
под действием одного и того же напряжения.

Общий ток такого соединения согласно
первому закона Кирхгофа будет равен
сумме токов в отдельных ветвях:
;
В соответствии с законом Ома:;
Если поделить левую и правую части наU, получим:;

Обратная величина общего эквивалентного
сопротивления параллельно включенных
потребителей равна сумме обратных
величин этих потребителей.

Величина, обратная сопротивлению
определяет проводимость потребителя
g. Тогда для параллельно
соединенных потребителей справедливо:;

5 Электрическое торможение

Электрическое
торможение применяется в ЭП, имеющих
частые пуски и остановки, а также
регулирование частоты вращения. Благодаря
электрическому торможению выполняются
следующие функции:

-осуществляется
переход ЭП с большей угловой скорости
на меньшую ;

—
ограничивается угловая скорость ЭП,
когда он работает в тормозном режиме;

—
достигаются экстренные остановки.

Для
ЭД постоянного тока существуют следующие
способы электрического торможения:
рекуперативное
; динамическое; противовключением
(противотоком).

Рекуперация
— это отдача электроэнергии электродвигателем
обратно в питающую
сеть.
Рекуперативный режим с отдачей
энергии
в сеть происходит в том случае, когда
якорь ЭД под действием запаса
кинетической
энергии инерционных масс привода и
механизма или потенциала статического
момента вращается со скоростью ω
>
ω0
в ту же сторону, что и

в
двигательном режиме для данного
направления вращения.

Этот
режим может происходить, например, при
спуске тяжелого грузоподъемным
механизмом. Работая в рекуперативном
режиме, ЭД преобразовывает сообщаемую
ему механизмом энергию в электрическую
и возвращает ее в сеть.

При
этом он развивает отрицательный
(тормозной) момент.

Процесс
перехода ЭД из двигательного режима в
режим рекуперативного торможения можно
рассмотреть на примере ЭД параллельного
возбуждения, приводящего

в
движение грузоподъемный механизм или
какой-либо другой механизм с потенциальным
статическим моментом.

При
включении ЭД на спуск тяжелого груза
или при наличии каких-либо других

внешних
воздействий, направленных в сторону
движения, угловая скорость якоря
постепенно увеличивается. Возрастание
угловой скорости вызывает увеличение
ЭДС, что приводит к уменьшению тока
якоря I
= (U — Е)/R,
соответственно уменьшается вращающий
момент ЭД.

Эта
скорость идеального холостого хода
является неустойчивой: когда под влиянием
внешних воздействий она станет больше
ω0,
то ЭДС станет больше приложенного
напряжения.

Из
уравнения видно, что в этом случае ток
якоря I
= (U — Е)/R = -(Е -U)/R.,
станет отрицательным. В результате
изменения направления тока меняет
направление
и момент ЭД, который для вращающегося
в прежнем направлении
привода
является тормозным:

С
увеличением угловой скорости тормозной
момент ЭД увеличивается. Ускорение

якоря
ЭД в генераторном режиме прекращается,
когда при определенном значении скорости
тормозной момент настолько возрастет,
что уравновесит момент сопротивления,
ускорявший до этого вал ЭП. Таким образом,
рекуперативное торможение ЭД
последовательного возбуждения при
нормальной схеме подключения к сети
неосуществимо ввиду невыполнения
условия ω
> ω 0.

При
рекуперативном торможении ЭД смешанного
возбуждения вследствие изменения
направления тока в последовательной
обмотке ее намагничивающая сила действует
встречно намагничивающей силе параллельной
обмотки и размагничивает ЭД. Вследствие
этого тормозной момент значительно
уменьшается: торможение происходит при
недопустимо больших угловых скоростях.
Поэтому на время торможения последовательную
обмотку либо выключают из цепи якоря
(магнитный поток ЭД создается только
одной параллельной обмоткой), либо
подключают параллельно с якорем. В этом
случае механические характеристики
получается такими же, как при рекуперативном
торможении ЭД параллельного возбуждения.

Недостаток
этого способа торможения — большие
тормозные скорости. Достоинство

—
отдача электрической энергии в сеть.
Однако при мощности грузоподъемного

механизма,
соизмеримой с мощностью судовой
электростанции, это приводит к повышению
напряжения судовой сети и отрицательно
сказывается на работе отдельных
приемников, в первую очередь — сети
освещения. Динамическое торможение.
Если отключить ЭП от питающей сети, то
он, вращаясь сначала по инерции, через
некоторое время остановится вследствие
тормозящего действия отрицательного
статического момента механизма и сил
трения в самом ЭД. Этот процесс называют
свободным
вращением.
Подобный метод остановки приемлем для
механизмов, работающих в длительном
режиме. Однако для палубных механизмов,
работающих с частыми пусками и остановками
, этот способ не годится. Наиболее
эффективный вид электрического торможения
ЭД постоянного тока – динамическое
торможение.

Схема
и характеристики ДПТ параллельного
возбуждения при динамическом торможении

При
динамическом торможении ЭД параллельного
возбуждения его якорь отключают от
питающей сети и замыкают на резистор,
а параллельную обмотку продолжают
питать от сети.
В обмотке якоря, вращающегося по инерции
в магнитном поле возбуждения, продолжает
индуцироваться ЭДС, вследствие чего по
обмотке и по резистору Rт динамического
торможения проходит ток. Таким образом,
ЭД переходит в генераторный

режим,
преобразовывая запасенную в нем при
вращении кинематическую энергию в
электрическую, которая расходуется на
нагрев якоря и резистора. Так как вращение
по инерции происходит в прежнем
направлении, знак ЭДС при переходе в
генераторный режим не изменяется.
Изменившийся по направлению ток создает
противоположный по направлению момент,
который для вращающегося по инерции
якоря будет являться тормозным. Под
действием этого момента ЭД останавливается,
и тем быстрее, чем момент больше. По мере
уменьшения угловой скорости снижаются
ЭДС, ток и тормозной момент. При полной
остановке они равны нулю.

Динамическое
торможение ЭД смешанного возбуждения
обычно осуществляют так же, как и ЭД
параллельного возбуждения, но при
отключенной последовательной обмотке.
Эту обмотку отсоединяют от якоря по
причинам, изложенным при описании
рекуперативного торможения ЭД. Поток
возбуждения при торможении создается
одной только обмоткой параллельного
возбуждения. Поэтому механические
характеристики в этом случае имеют
такой же вид, как у ЭД параллельного
возбуждения. Использование динамического
торможения в ЭП палубных механизмов
при их отключении позволяет значительно
уменьшить частоту вращения ЭД и таким
образом при окончательном затормаживании
облегчает работу электромагнитного
тормоза.

Торможение
противовключением. Режим противовключения
создается в том случае, когда ЭД,
включенный в сеть, под действием
потенциального статического момента
или кинетической энергии инерционных
масс вращается в направлении,
противоположном направлению его вращения
в двигательном режиме. В первом случае
торможение применяют для ограничения
скорости при опускании тяжелых грузов,
во втором — для реверсивных ЭП, у которых
процесс торможения является промежуточным
при переходе от одного направления
вращения к другому. Реверс ЭД параллельного
возбуждения достигается изменением
направления тока в обмотке якоря или в
обмотке возбуждения. В основном применяют
первый способ, так как переключение
цепи обмотки возбуждения связано со
следующими и тремя отрицательными
особенностями работы ЭП:

1.
Разрыв цепи обмотки возбуждения,
обладающей значительной индуктивностью,
приводит к тому, что на зажимах этой
обмотки появляется самоиндукции, в
несколько раз превышающая значение
рабочего напряжения.

Это
может вызвать пробой изоляции.

2.
Большая индуктивность параллельной
обмотки возбуждения способствует мед-
ленному спаданию и нарастанию магнитного
потока, а это увеличивает время реверса.

3.
На время спадания магнитного потока
ток в цепи якоря значительно возрастает,

и
для ограничения его до допустимого
значения пришлось бы вводить дополнительный

резистор.
Это значительно усложняет схему
управления.

При
переключении ЭД по схеме противовключения
он переходит с естественной характеристики
1
при
угловой скорости ωн,
с которой он вращался в двигательном
тельном режиме, на характеристику 2
в
квадранте II
,
тормозится по ней до ω
= 0,
а затем разгоняется в противоположную
сторону по части характеристики 2,
лежащей в квадранте III.
По достижении определенной отрицательной
угловой скорости резистор противотока
выключают и переводят ЭД на обычную
естественную характеристику для разгона
его якоря до—ωн,
соответствующей статическому моменту
на валу ЭД при другом направлении
вращения. Начальный тормозной момент
Мт
зависит
от значения сопративления резистора
противотока. Чем оно меньше, тем больше
момент и тем быстрее протекает процесс
торможения.

Но,
с другой стороны это делает механическую
тормозную характеристику ЭД более
мягкой, что не обеспечивает стабильной
работы ЭП. Указанный недостаток и низкая
экономичность ограничивают использование
режима торможения противовключением,
которое возможно лишь для обеспечения
посадочных скоростей при опускании
тяжелых грузов.

Торможение
противовключением ЭД последовательного
и смешанного возбуждения

4 Провод, кабель и шнур

Кабель
— одна или более изолированных жил
(проводников), заключенных, как правило,
в металлическую или неметаллическую
оболочку, поверх которой, в зависимости
от условий прокладки и эксплуатации,
может иметься соответствующий защитный
покров, в который может входить броня.

Провод
— одна неизолированная или одна или
более изолированных жил, поверх которых,
в зависимости от условий прокладки и
эксплуатации, может иметься неметаллическая
оболочка, обмотка и (или) оплетка
волокнистыми материалами или проволокой.

Шнур
— две или более изолированных гибких
жил и сечением до 1,5 мм2, скрученных или
уложенных параллельно, поверх которых,
в зависимости от условий эксплуатации,
могут быть неметаллическая оболочка и
(или) покровы.

Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов

Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется – в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются.

Полная мощность

По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения – полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная – в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.