Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы преобразования энергии типовые расчеты. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
С. А. ВНУКОВ, Н. Д. ЕРЕЩЕНКО, Е. Ю. АБРАМОВ
ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ
ТИПОВЫЕ РАСЧ ЕТЫ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2024
1
УДК 621.314 (075.8)
В607
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент Б. В. Малозёмов
канд. техн. наук, доцент В. В. Бирюков
Внуков С. А.
В607 Основы преобразования энергии: типовые расчеты : учебное
пособие / С. А. Внуков, Н. Д. Ерещенко, Е. Ю. Абрамов ; под общ.
ред. Е. Ю. Абрамова. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2024. – 68 с.
ISBN 978-5-7782-5227-1
Рассматриваются основные вопросы теории преобразования различных
форм энергии в электрическую. Приводятся примеры расчета разных преобразователей. Предлагаются задачи для самостоятельного решения.
Предназначено для студентов бакалавриата по направлениям подготовки
13.03.02 «Электротехника и электроэнергетика» и 15.03.04 «Автоматизация
технологических процессов и производств».
УДК 621.314 (075.8)
Внуков Сергей Александрович, Ерещенко Никита Дмитриевич,
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
Подписано в печать 28.06.2024. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 50 экз.
Уч.-изд. л. 3,95. Печ. л. 4,25. Изд. № 65. Заказ № 157. Цена договорная
Новосибирского государственного технического университета
ISBN 978-5-7782-5227-1 © Внуков С. А., Ерещенко Н. Д.,
Абрамов Евгений Юрьевич
ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ
Учебное пособие
Редактор Е.М. Федяева
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская
Отпечатано в типографии
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Абрамов Е. Ю., 2024
© Новосибирский государственный
технический университет, 2024
2
ВВЕДЕНИЕ
Преобразованием энергии человечество занимается несколько тысячелетий. Первоначально преобразователи представляли собой довольно
примитивные устройства, направленные на создание для людей более
комфортных условий существования. По мере зарождения и развития
науки человечество стало вникать в суть явлений и вещей, пытаясь понять способы использования сил природы не только для освещения
и отопления
путем разработки и внедрения различного рода преобразователей. Однако «бум» развития техники преобразования начался после открытия
основных законов физики и химии, разработки технологий получения
материалов, не существовавших в природе, а также установления соотношений между различными формами энергии, которые являются
основой жизни на
Энергетический обмен играет ключевую роль в функционировании
современного общества и развитии его технологий. От использования
энергии зависит работа промышленных предприятий, транспортных
средств, домашнего быта и многих других сфер жизни. При этом важно
учитывать, что любой процесс преобразования энергии сопряжен с потерями, которые возникают в виде тепла, звука, трения
энергии. Эти потери могут значительно снижать эффективность преобразования энергии, что делает важным выбор оптимальных методов
и технологий для их минимизации.
При проектировании и эксплуатации технических систем необходимо учитывать не только количество энергии, которое требуется для
выполнения определенной задачи, но и способы ее преобразования
жилищ, но и для облегчения затрат мускульной энергии
планете.
и других видов
3
с минимальными потерями. Важно постоянно совершенствовать технологии и методы работы с энергией, чтобы обеспечить более эффективное и экономичное использование ресурсов.
Настоящее пособие предназначено для расширения и уточнения основных положений, изложенных в учебнике «Основы преобразования
энергии в электротехнических системах» [1].
При изучении дисциплины «Основы преобразования энергии в электротехнических системах
» студенты знакомятся с базовыми принципами работы устройств, отвечающих за преобразование различных типов энергии, учатся проводить расчет параметров преобразователей различного рода, а также получают представление о текущих недостатках
и преимуществах тех или иных источников энергии.
В процессе выполнения предложенных в настоящем пособии задач
у студентов сформируется понимание технических
решений, позволяющих сократить энергетические потери и максимально эффективно использовать физические законы для достижения необходимого результата. Приобретенные навыки будут задействованы в решении большинства инженерных задач, с которыми придется столкнуться в профессиональной деятельности.
4
s
1. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ
1.1. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
Одним из наиболее распространенных способов обеспечения электромагнитной совместимости входящих в систему электротехнических
устройств, использующих электрическую энергию, является электрический трансформатор, устройство и принцип действия которого рассматривались в курсах физики и электротехники. Основное его назначение –
преобразование электрической энергии на переменном токе из одного
уровня в другой.
Значение
и в повседневной жизни человека трудно переоценить. Они применяются повсеместно: на подстанциях в городах и поселках стоят силовые
трансформаторы, понижающие высокое напряжение в тысячи и даже
десятки тысяч вольт до 380/220 В; на предприятиях стоят сварочные
трансформаторы, которые совершенно незаменимы на производстве;
трансформаторы также
блоках питания компьютеров и даже в зарядных устройствах для телефонов). Пример трансформатора показан на рис. 1.1.
Основными электрическими параметрами, характеризующими
трансформатор, являются:
габаритная мощность
тором в номинальном режиме работы);
величины напряжения, подаваемого на первичную обмотку
и снимаемого со вторичной
рабочая частота f;
коэффициент полезного действия (КПД) η.
трансформаторов как в электроэнергетике в целом, так
применяются и в бытовой технике (в СВЧ-печах,
( мощность, развиваемая трансформа-
габ
U
1
;U
2
5
s
s
s
s
Рис. 1.1. Трансформатор
При изготовлении трансформатора дополнительно необходимо
знать ряд показателей, таких как геометрические размеры сердечника, количество витков обмоток, сечение проводников и др. Основными из них являются:
площадь поперечного сечения магнитопровода
количество витков
Габаритная мощность трансформатора
w и площадь сечения проводников
i
,
которая характеризу-
габ
;S
мп
S обмоток.
пр
ется как полусумма всех обмоток трансформатора, а также его КПД η
определяют величину мощности потребителя, получающего электрическую энергию без искажения формы кривой питающего напряжения
(синусоиды).
Соотношение между мощностью, развиваемой первичной
ричной
обмотками трансформатора, описывается известным выра-
2
и вто-
1
жением
21
.
s (1.1)
6
Как правило, расчет основных параметров трансформатора вследствие пренебрежения некоторыми величинами носит ориентировочный
характер. Поэтому в отдельных случаях необходимо пользоваться уточненной методикой расчета. Излагаемая методика довольно широко используется на практике, поскольку результаты расчетов соответствуют
инженерной точности.
В упрощенных расчетах габаритную мощность трансформатора
обычно принимают равной мощности первичной обмотки, так
как предполагается, что вся энергия, поданная на первичную обмотку трансформатора, перераспределится по вторичным обмоткам.
Величина напряжения на зажимах обмотки трансформатора зависит
от формы питающего напряжения, индукции магнитного поля
чества витков обмотки
поперечного сечения магнитопровода
w, частоты питающего напряжения f и площади
S
и может быть определена из
мп
В, коли-
выражения
Здесь коэффициентом
4, 44 .UBfSw
k = 4,44 учитывается форма и амплитуда пи-
мп
тающего напряжения.
Соотношение между напряжениями на первичной и вторичной обмотке трансформатора на холостом ходу (при отсутствии тока нагрузки)
Uw
11
Uw
22
k
тр
получило название «коэффициент трансформации».
Для определения величины площади поперечного сечения магнитопровода трансформатора используется эмпирическое выражение
(1, 0...1,1) .Ss
мп габ
(1.2)
Отличительной особенностью формулы (1.2) является то, что габаритная мощность выражается в ваттах, а величина площади магнитопровода получается в квадратных сантиметрах.
При определении площади поперечного сечения проводников
S
пр
обмоток задаются рекомендуемой величиной допустимой плотности
7
тока j, которая зависит от конфигурации сечения, величины действующего значения тока обмотки
I, частоты и других параметров, и на осно-
вании соотношения
,IjS (1.3)
пр
производят расчет площади поперечного сечения.
Действующее значение тока обмотки обычно принимают равным
среднему, величина которого определяется электрической мощностью
обмотки и напряжением.
Как известно, простейший трансформатор должен содержать как
минимум две обмотки: первичную, получающую питание от источника,
и вторичную, питающую нагрузку потребителя. При этом параметры
элементов конструкции трансформатора (сердечник и обмотки)
должны
обеспечивать передачу электрической энергии заданной мощности.
Поскольку подавляющее большинство потребителей электрической энергии работают на переменном токе синусоидальной формы
промышленной частоты, то в качестве примера рассматривается методика расчета такого трансформатора. Вместе с тем эта методика может
применяться для расчета трансформаторов, работающих и на других
частотах.
1.2. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО
НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
Механические накопители энергии – это устройства, способные преобразовывать и хранить энергию в механической форме. Они имеют широкое применение в различных областях, включая энергетику, транспорт
и бытовую технику.
Механические накопители энергии успешно применяются довольно
давно. Большинство конструкций таких накопителей энергии отличаются простотой, длительным сроком службы и высокими значениями
электрической мощности
. Однако их удельная энергоемкость имеет низкие значения в сравнении с другими видами накопителей энергии.
Например, поднятый на высоту 10 м груз обеспечивает удельную энергоемкость всего 0,1 кДж/кг, стальная пружина – около 0,3 кДж/кг, а растянутая резина – около 3 кДж/кг.
8
Как известно, механическая энергия бывает двух видов: кинетическая и потенциальная. Кинетическая характеризует энергию, которой
обладает движущееся тело. Так как движение может быть поступательным и вращательным, то различают соответственно две разновидности
кинетической энергии – энергию вращательного и поступательного движения. Общеизвестно, что величина механической энергии А тела как
вращательного, так и
поступательного движения зависит от таких параметров, как его масса (т), скорость (v или ω), геометрические размеры
и других, и определяется из следующих выражений:
при поступательном движении
2
mv
A
;
2
при вращательном движении
2
jA
,
(1.4)
2
где j – момент инерции тела.
Кроме того, величина механической энергии тела определяется и системой отсчета, что наглядно проявляется в потенциальной энергии,
рассчитываемой согласно формуле
,Amgh
2
м/с ;
где g – ускорение свободного падения,
h – высота тела относи-
тельно оси абсцисс системы отсчета.
Потенциальная энергия может проявляться за счет упругой деформации тела и определяется согласно выражению
2
cz
A
,
2
где с – жесткость материала тела; z – величина деформации тела.
В настоящее время наиболее приемлемым способом хранения механической энергии является использование маховика (рис. 1.2), обеспечивающего недостижимые для других механических накопителей
удельные энергетические и особенно мощностные показатели.
9
Рис. 1.2. Маховик
Так, супермаховик из графитового волокна массой 10 кг при
60 тыс. об/мин, накапливающий около 20 МДж энергии, может передать
через вал диаметром 30 мм мощность свыше 16 МВт. Это свойство маховиков кратковременно выделять огромную мощность используется,
например, в ударных генераторах.
1.3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ВЕТРОУСТАНОВКИ
Одним из путей получения электрической энергии является использование энергии возобновляемых источников, к которым относится движение воздушных масс (ветер).
Кинетическая энергия ветра может быть использована для приведения во вращение вала якоря (ротора) электрической машины, генерирующей электрический ток. По ориентации оси вращения ветроколеса
подразделяются на ветроустановки с вертикальной и
горизонтальной
осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью (рис. 1.3) составляют около 95 % всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.
Ветроколеса также принципиально отличаются по тому, какую силу
они используют для преобразования энергии ветра в механическую:
силу давления ветра (парусные) или подъемную силу (лопастные).
От этого свойства существенно зависит КПД ветроколеса. Теоретические КПД равны: для первого типа – 0,22, для второго – 0,59 (согласно
теории Жуковского – Беца).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]