ОПЭвЭС лекции

При вышеперечисленных достоинствах МН обладают рядом недостатков:

– наличие компенсационных потерь некоторой части накопленной энергии в режимах хранения и

разряда;

–сложность реализации плавного регулирования силы тяги в соответствии с условиями движения;

–превышение массы кожуха в МН над массой маховика, по условиям безопасности работы, что приводит

кзначительному увеличению общей массы НЭ;

–наличие опасности механического разрыва накопителя при выходе его из строя, поскольку допустимые скорости вращения достигают 104…105 об/мин;

–нестабильность размеров накопителя, возможно частичное изменение диаметра на скоростях свыше 5 –7 тыс. об/мин, которое не будет компенсированно после его остановки;

–использование энергоемкости маховика, как правило, на одну треть из соображений прочности и безопасности, что приводит к значительному снижению его энергоемкости, поскольку частота вращения связана с величиной накапливаемой энергии квадратической зависимостью;

–высокая стоимость высокопрочных материалов;

–возможность появления гироскопического эффекта при движении на высоких скоростях ЭПС, особенно сильно проявляющего себя в момент изменения направления движения транспортного средства в пространстве.

К недостаткам данного вида накопителя также можно отнести дополнительные аэродинамические потери и потери в подшипниковых узлах, возникающие в связи с высокой скоростью вращения МНЭ. Снижение данного вида потерь требует создания вакуумного кожуха в сочетании с подшипниками, имеющими сверхмалый коэффициент трения, что ведет к дополнительному удорожанию системы.

Для изготовления супермаховика для реально работающей машины необходимо сложное и дорогое оборудование].

Однако наибольшая сложность осуществления рекуперативного торможения в системе с маховиком заключается в создании надежного и эффективного привода, работающего во всем диапазоне скоростей с высоким КПД. Для этого необходимо поддерживать регулирование привода таким образом, чтобы суммарная кинетическая энергия ТС и маховика поддерживались на постоянном уровне.

Ёмкостной накопитель энергии

Ёмкостные накопители (ЕН) запасают энергию электрического поля в виде заряда на обкладках. В

процессе заряда напряжение на конденсаторе с емкостью С возрастает от нуля до значения Umax с накоплением энергии W, равной величине

Кдостоинствам данного вида накопителя энергии можно отнести:

–простота в техническом обслуживании;

–надежность в работе;

–высокая эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку;

–возможность изменения в широких пределах параметров импульса;

–работа в широком диапазоне температур;

–длительный эксплуатационный срок.

Существенное ограничение применения ЕН на электрическом транспорте обусловлено тем, что накопителем электрической энергии может быть конденсатор, обладающий емкостью не менее десятков или даже сотен фарад. Реализовать конденсатор подобной емкости, используя обычные технологии изготовления конденсаторов с использованием металлических обкладок, разделенных лентой диэлектрика, невозможно. Электролитические оксидные конденсаторы на основе алюминия и титана, в которых тонкий оксидный слой является диэлектриком, обладают неприемлемыми габаритами, хотя и находят ограниченное применение в качестве накопителей малой емкости.

Наиболее пригодными для накопления большого количества электрической энергии, являются молекулярные конденсаторы, электрическая удельная емкость которых в 300 – 2000 раз выше емкости традиционных конденсаторов. Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) или электрохимические конденсаторы (ЭХК). Сегодня ЭХК – новый, динамично разрабатываемый тип источников тока, занимает промежуточное положение между аккумуляторами и традиционными конденсаторами.

Функционально КДЭС представляют собой класс устройств для накопления - выделения энергии, в которых используются электролиты и электроды различного вида. При этом в отличие от аккумуляторных батарей, в которых энергия накапливается в форме внутренней энергии вещества активной массы электродов, электрохимические конденсаторы используют накопление заряда на поверхности раздела сред: электрод (электронный проводник) – электролит (ионный проводник).

Величину отдаваемой ЭХК энергии при различной мощности разряда характеризует график Рагони, представленный на рис. 70. Запасенная удельная энергия, представленная на графике Рагони, рассчитывается по формуле, применяемой для любых типов конденсаторов:

Еуд макс=CU2/2m ,

51

где Eуд – удельная энергия на единицу массы, Дж/кг; C – емкость конденсатора, Ф; U – рабочее напряжение, В; m – масса, кг.

Максимальная (пиковая) удельная мощность КДЭС определяется соотношением:

Руд макс=U2/4mRi , ,

где Ri – эквивалентное внутреннее сопротивление конденсатора, Ом.

Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника, изготовленного из высокопористого материала (например, активированного угля), достигает

1500...3000 м2/г (см. рис. 71), емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100...500 Ф. В соответствии со схемой: С1 – емкость ДЭС отрицательного электрода; Rэкв –эквивалентное последовательное сопротивление электролита и материалов проводников; С2 – емкость ДЭС положительного электрода

Ключевая особенность КДЭС заключается в способности хранения противоположных электрических зарядов в статическом равновесии на молекулярных расстояниях.

Скорость отдачи энергии КДЭС мало зависит от температуры конденсатора и остается теоретически неизменной в диапазоне от -100 до +160 0С. Это объясняется тем, что накопление электроэнергии в КДЭС не связано с протеканием в нем химических реакций.

Конкретный состав электролита принципиальной роли не играет. В частности, он может быть как кислотным или щелочным, так и солевым (нейтральным), или с электролитом в виде твердого раствора. Принципиальное значение имеет лишь концентрация ионов. Ионы скапливаются на поверхности электродов, образуя так называемый двойной электрический слой, если приложенный потенциал не

превышает энергию гидратации ионов, как правило, несколько вольт. В случае дальнейшего увеличения напряжения начинается электролиз, поэтому рабочее напряжение ограничено потенциалом гидратации ионов.

Конструктивно КДЭС представляет собой систему (рис. 72), состоящую из двух электродов, помещенных в электролит, где двойной электрический слой на поверхности каждого электрода является отдельным конденсатором, соединенными между собой последовательно через проводник с ионной проводимостью (электролит) и разделенные сепаратором – слоем ионопроводящего, но электрононепроводящего материала.

В октябре 2003 года были спроектированы улучшенные КДЭС, названные конденсаторами на нанозатворах или наноуглеродными конденсаторами.

52

существующих КДЭС.

Лекция 12

1. Информационный сигнал как основа для передачи сведений о состоянии объекта и способ реализации воздействия на него.

2. Принципы и способы получения и передачи информации о состоянии элементов электротехнических устройств.

свинца, цирконат свинца и т.д.

На рис. 78а показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три полярных направления, проходящих через центр и положительные ионы, которые получили названия электрических осей (Х) и по ним направлены

Рис. 78. Форма кристаллической структуры кварца а) и поляризация кристалла при деформации сжатия б), растяжения в) и сдвига г)

векторы поляризации Р1, Р2, и Р3.

При воздействии на кристалл усилия Fx, сжимающего его по оси Х, электрическая нейтральность ячейки нарушается. При этом вследствие деформации сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х становится меньше вектора Р1 и на гранях, перпендикулярных оси появляются заряды с полярностью, показанной на рис. 78б. При изменении направления силы Fx или воздействии усилия Fу, как показано на рис. 78в, знак поляризации кристалла изменяется на противоположный.

55

При возникновении деформации сдвига поляризация граней кристалла, параллельных оси Х, приведена на рис. 78г.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения силы, давления, ускорения и генерирования электрических сигналов высокой частоты (пьезорезонансные преобразователи).

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают соответствующую реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающую под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнить пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съёма электрического сигнала. Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нём стоячих ультразвуковых волн.

Электростатические преобразователи – преобразователи, основанные на эффекте изменения величины ёмкости конденсатора при изменении расстояния между электродами либо диэлектрической проницаемости пространства между ними.

Принцип работы преобразователя был рассмотрен ранее на примере генератора. Здесь же следует отметить взаимосвязь механической и электрической характеристик преобразователя, отражающихся уравнениями:

dF = wx + E0C0u и dq = E0C0x + C0u ,

где F- сила притяжения пластин конденсатора; w- жёсткость подвеса подвижной пластины конденсатора; х- перемещение подвижной пластины конденсатора; Е0 – напряжённость электрического поля; С0 – величина ёмкости конденсатора; и- напряжение между обкладками конденсатора; q- заряд конденсатора.

Из приведённых уравнений видно, что любое механическое воздействие на конденсатор меняет электрические параметры преобразователя и наоборот – изменение электрического поля влечёт за собой изменение механических его характеристик.

Электромагнитный преобразователь – преобразователь, представляющий собой устройство, содержащее один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, создаваемом токами, протекающими по контурам, либо внешним источником.

Область применения преобразователей:

-преобразователи масштаба тока и напряжения (измерительные трансформаторы тока и напряжения и индуктивные делители напряжения);

-электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу (амперметры, вольт- и ваттметры, частотомеры, фазометры и т.д.);

-индукционные преобразователи, основанные на законе электромагнитной индукции е= -dΨ/dt и используемые для измерения индукции постоянного и переменного магнитных полей;

-индуктивные и взаимоиндуктивные преобразователи для измерения неэлектрических величин, влияющих на изменение положения отдельных частей преобразователя;

-магнитоупругие преобразователи, в которых используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от механических напряжений в материале (для измерения усилий и давлений);

-манитомодуляционные преобразователи, в которых используются свойства нелинейности магнитной цепи;

-преобразователи на основе эффекта Баркгаузена (немагнитные включения в сердечниках). Гальваномагнитные преобразователи – преобразователи, основанные на физических эффектах,

возникающих в находящихся в магнитном поле твёрдых телах при движении в них заряженных частиц: эффект Холла (возникновение поперечной разности потенциалов на боковых гранях пластины), эффект Гаусса (магниторезистивный эффект – изменение резистивного сопротивления пластины).

Преобразователь Холла представляет собой четырёхполюсник, обычно выполненный в виде тонкой пластинки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 (см. рис. 79) крепятся по всей длине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение тока по сечению преобразователя. Потенциальные (Холловые) электроды 3 и 4 расположены

вцентральной части продольных граней.

Вмагнитном поле носители заряда под действием силы Лоренца F = evB изменяют свою траекторию,

вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, а на

противоположной – уменьшается.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и полупроводниках ІІІ и V групп периодической таблицы элементов.

Электрохимические преобразователи состоят из заполненных электролитами ячеек и электродной системы из двух или нескольких электродов, включаемых в измерительную цепь.

56

Тепловые преобразователи. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, в соответствии с которым

57