В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Их много - около 20. Вряд ли есть необходимость их все здесь перечислять и определять.

Приведем только те виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях.

1. Ядерная энергия - энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной.

2. Химическая (логичнее - атомная) энергия - энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях. Когда мы говорим - АЭС (атомная электростанция), это вряд ли правильно. Точнее было бы ЯЭС (ядерная электростанция).

3. Электростатическая энергия - потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

4. Магнитостатическая энергия - потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.

5. Упругостная энергия - потенциальная энергия механически упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

6. Тепловая энергия - часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

7. Механическая энергия - кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.

8. Электрическая (электродинамическая) энергия - энергия электрического тока во всех его формах.

9. Электромагнитная (фотонная) энергия - энергия движения фотонов электромагнитного поля.

Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы - это особая группа физико-химических процессов, но в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.

Есть еще психическая энергия. Действительно, ни один акт человеческой деятельности не может произойти без мотивационного, а значит, и «психоэнергетического» обеспечения, источником которого служит физико-химическая энергия организма. Но это предмет отдельного разговора.

Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая, (около 70 - 75 %), механическая (около 20 - 22 %), электрическая - около 3 - 5 %, электромагнитная - световая (менее 1 %). Причем широко вырабатываемая, подводимая по проводам в дома, к станкам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, вряд ли могут быть бесконечными (т. е. возобновляемыми).

В декабре 1942 г. был введен в работу первый ядерный реактор и появилось ядерное топливо. В настоящее время в ряде стран все шире используются возобновляемые источники энергии (ветровая, речной воды и др.).

Практически в любом технологическом процессе используется несколько видов энергии. Топливно-энергетические балансы при этом составляются обычно по видам используемых топлив, видам энергии для каждого технологического цикла (передела) отдельно. Это не позволяет провести объективное сравнение различных технологических процессов для производства одного и того же вида продукции.

Для сквозных расчетов энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать по трем группам:

1. Первичная энергия Э1 - химическая энергия ископаемого первичного топлива, с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку и т.д.

2. Производная энергия Э2 - энергия преобразованных энергоносителей, например: пар, горячая вода, электроэнергия, сжатый воздух, кислород, вода и др., с учетом затрат на их преобразование.

3. Скрытая энергия Э3 - энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и т.п. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т.д.; к этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри- и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций [5].

7. Каковы единицы измерения различных видов энергии связи между ними

Электричество и магнетизм. Все общепринятые электрические и магнитные единицы измерения основаны на метрической системе. В согласии с современными определениями электрических и магнитных единиц все они являются производными единицами, выводимыми по определенным физическим формулам из метрических единиц длины, массы и времени. Поскольку же большинство электрических и магнитных величин не так-то просто измерять, пользуясь упомянутыми эталонами, было сочтено, что удобнее установить путем соответствующих экспериментов производные эталоны для некоторых из указанных величин, а другие измерять, пользуясь такими эталонами.

Единицы системы СИ. Ниже дается перечень электрических и магнитных единиц системы СИ. Ампер, единица силы электрического тока, - одна из шести основных единиц системы СИ. Ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по

двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины с ничтожно малой площадью кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2*10-7 Н.

Вольт, единица разности потенциалов и электродвижущей силы. Вольт - электрическое напряжение на участке электрической цепи с постоянным током силой 1 А при затрачиваемой мощности 1 Вт. Кулон, единица количества электричества (электрического заряда). Кулон - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при постоянном токе силой 1 А за время 1 с. Фарада, единица электрической емкости. Фарада - емкость конденсатора, на обкладках которого при заряде 1 Кл возникает электрическое напряжение 1 В. Генри, единица индуктивности. Генри равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с. Вебер, единица магнитного потока. Вебер - магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре, имеющем сопротивление 1 Ом, протекает электрический заряд, равный 1 Кл. Тесла, единица магнитной индукции. Тесла - магнитная индукция однородного магнитного поля, в котором магнитный поток через плоскую площадку площадью 1 м2, перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.

Практические эталоны. На практике величина ампера воспроизводится путем фактического измерения силы взаимодействия витков провода, несущих ток. Поскольку электрический ток есть процесс, протекающий во времени, эталон тока невозможно сохранять. Точно так же величину вольта невозможно фиксировать в прямом соответствии с его определением, так как трудно воспроизвести с необходимой точностью механическими средствами ватт (единицу мощности). Поэтому вольт на практике воспроизводится с помощью группы нормальных элементов. В США с 1 июля 1972 законодательством принято определение вольта, основанное на эффекте Джозефсона на переменном токе (частота переменного тока между двумя сверхпроводящими пластинами пропорциональна внешнему напряжению).

Свет и освещенность. Единицы силы света и освещенности нельзя определить на основе только механических единиц. Можно выразить поток энергии в световой волне в Вт/м2, а интенсивность световой волны - в В/м, как в случае радиоволн. Но восприятие освещенности есть психофизическое явление, в котором существенна не только интенсивность источника света, но и чувствительность человеческого глаза к спектральному распределению этой интенсивности. Международным соглашением за единицу силы света принята кандела (ранее называвшаяся свечой), равная силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540Ч1012 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Это примерно соответствует силе света спермацетовой свечи, которая когда-то служила эталоном. Если сила света источника равна одной канделе во всех направлениях, то полный световой поток равен 4p люменов. Таким образом, если этот источник находится в центре сферы радиусом 1 м, то освещенность внутренней поверхности сферы равна одному люмену на квадратный метр, т.е. одному люксу.

Рентгеновское и гамма-излучение, радиоактивность. Рентген (Р) - это устаревшая единица экспозиционной дозы рентгеновского, гамма- и фотонного излучений, равная количеству излучения, которое с учетом вторичноэлектронного излучения образует в 0,001 293 г воздуха ионы, несущие заряд, равный одной единице заряда СГС каждого знака. В системе СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй, равный 1 Дж/кг. Эталоном поглощенной дозы излучения служит установка с ионизационными камерами, которые измеряют ионизацию, производимую излучением. Кюри (Ки) - устаревшая единица активности нуклида в радиоактивном источнике. Кюри равен активности радиоактивного вещества (препарата), в котором за 1 с происходит 3,700Ч1010 актов распада. В системе СИ единицей активности изотопа является беккерель, равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит один акт распада. Эталоны радиоактивности получают, измеряя периоды полураспада малых количеств радиоактивных материалов. Затем по таким эталонам градуируют и поверяют ионизационные камеры, счетчики Гейгера, сцинтилляционные счетчики и другие приборы для регистрации проникающих излучений.

8. Какова роль энергии в развитии человеческого общества

Источником всей энергии на Земле является Солнце. В процессе фотосинтеза, являющегося основой жизни многих видов растений, живая природа потребляет лишь незначительную часть (около 40 ТВт) от общего количества исходящей от Солнца энергии (около 200000 ТВт). Большее количество солнечной энергии расходуется на согревание атмосферы

Земли (50 %), освещение планеты (30 и на осуществление процессов кругооборота веществ на Земле (20 %). Использование энергии человечеством растет в геометрической профессии. В 1990 году оно составило около 12 ТВт, т. е. 30 % от ее общего количества, поглощаемого в процессе фотосинтеза.

Энергия является основой жизни на Земле. Растения поглощают солнечную энергию в процессе фотосинтеза; животные потребляют эту энергию косвенным путем, поедая растения и других животных. Человек потребляет солнечную энергию различными путями, в том числе и с пищей. Еще в глубокой древности человек научился перерабатывать энергию Солнца путем сжигания биологической материи (например, древесины или навоза).

История энергетики насчитывает тысячелетия. Процесс потребления энергии на нашей планете исторически протекал крайне неравномерно.

Человечество за всю историю своего существования израсходовало около 900-950 тыс. ТВт •ч энергии всех видов, причем почти 2/3 этого количества приходится на последние 40-50 лет.На каждом новом этапе исторического развития усложнение хозяйственной деятельности человека неизбежно приводило к нехватке энергии, к противоречию между желаемым и возможным. Для преодоления противоречия необходимо было находить новые источники сил и энергии. Проблема энергии - одна из важнейших глобальных проблем, в решении которой заинтересованы все народы, все страны мира. Первый в истории человечества энергетический кризис разразился во II тысячелетии до нашей эры. Тогда единственными источниками энергии были собственная сила человека и сила животных. Выход из этого кризиса был найден в использовании мускульной силы рабов. Развивались ремесла, техника: появились приспособления для увеличения «силовых» возможностей человека - блоки, рычаги, катки и т. п.

Встречались в те давние времена и с энергетическими проблемами, похожими на современные. Исследования археологов в древнем горнопромышленном и металлургическом центре Востока - Древнем Египте установили, что выплавка меди там внезапно прекратилась примерно за 1000 лет до нашей эры. Хотя до этого в течение 1000 лет не менее 1000 печей плавили металл, причем в качестве топлива использовали древесный уголь из стволов пальм, там произраставших. Когда пальмовые леса близ месторождения были вырублены, топлива стало не хватать - «локальный энергетический кризис» привел к прекращению производства металла.

С крахом рабовладельческого строя кончилась эпоха «живой энергетики», и человечество должно было искать новые источники энергии. Прежде всего, люди обратили свои поиски к источникам, которые всегда были перед их глазами - к текущей воде и к ветру. Парусные суда, водяные колеса, мельницы, ветряные мельницы нашли применение уже в Древней Греции и в период Римской империи. Новый, феодальный строй вызвал к жизни и новую технику, основными энергетическими источниками становятся сила воды и ветра, более продуктивно используется сила животных, меняется энергетическая база производства: для приведения в движение самых разнообразных станков и механизмов широко используются водяные колеса. К середине XVIII в. водяные колеса распространились по всей Европе, вокруг них строятся фабрики, возникают города. Развивающаяся промышленность (ткацкая, металлургическая, горное дело, металлообрабатывающая) требовала все больше и больше энергии.

В поисках возможных источников энергии люди настойчиво пытались создать машины, которые работали бы сами по себе - вечные двигатели. Навязчивая идея не умерла и до настоящего времени, хотя и развенчана наукой.

Великим изобретением, предоставившим человечеству необходимую энергию и возможность дальнейшего прогресса, стало изобретение паровой машины и ее распространение в XVIII в. Здесь нельзя не отметить заслуги нашего соотечественника - И. И. Ползунова. С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу теплоту, запасенную в угле, дереве, торфе. Однако серьезные недостатки паровых машин: низкий коэффициент полезного действия, большие размеры машины, необходимость подвоза топлива, сложный привод станков (передача движения от машины к станкам), большое количество выделяемой сажи - требовали искать другие, новые источники энергии, новые способы ее получения и преобразования.

Наступает век электричества. Открытие вольтовой дуги, электрического освещения русским электротехником В.В. Петровым положило начало практическому использованию электричества. В 1831 г. Майкл Фарадей изобрел электрогенератор, а за 10 лет до этого - электродвигатель. Электрические машины совершенствовались. Резкий рывок в их развитии - изобретение русским ученым М. О. Доливо-Добровольским нового типа машины - трехфазного асинхронного двигателя, работающего на переменном токе.

В начале - середине XX в. электрификация стала основным фактором увеличения производительности труда и условием повышения уровня благосостояния народа.

Современные энергосистемы являются неотъемлемым компонентом инфраструктуры общества, в особенности промышленно развитых стран, которые расходуют примерно 4/5 энергоносителей и в которых живет лишь 1/4 населения планеты. На страны третьего мира, где живет 3/4 населения Земли, приходится около 1/5 мирового потребления энергии.

Учитывая, что энергия является важнейшим элементом устойчивого развития любого государства, каждое из них стремится разработать такие способы энергоснабжения, которые наилучшим образом обеспечивали бы развитие и повышение качества жизни людей, особенно в развивающихся странах, при одновременном сведении к минимуму воздействия человеческом деятельности на здоровье людей и окружающую среду.

В последние 25 лет все развитые страны мира перестали наращивать потребление первичной энергии на душу населения, обеспечив достаточно высокий уровень жизни своих граждан.

Существует тесная взаимосвязь между энергообеспечением, богатством государства и благосостоянием народа. Уровень развития общества определяется способом его энергообеспечения. По подсчетам академика А. Берга еще 100 лет назад 98 % потребляемой на

Земле энергии приходилось на мускульную силу человека и животных. Энергия, вырабатываемая ветровыми мельницами, водяными колесами, паровыми и электрическими машинами, составляла лишь малую долю.

В настоящее время в результате научно-технического прогресса почти всю тяжелую работу выполняют машины, а на мускульную силу людей приходится меньше 1 % энергии.

Пользование даровыми природными энергоресурсами (ветром и солнечным теплом) способствовало зарождению и становлению цивилизации. Последовательно сменяющиеся виды все более калорийных энергоносителей - дрова, уголь, нефть, газ и, наконец, ядерное топливо - это этапы прогресса, который, создавая блага для человечества, вместе с тем ухудшает экологическую среду, уменьшает предел экологической емкости среды обитания, что является глобальной энергетической проблемой.

9. Каково суточное потребление энергии человеческим организмом

Суточный расход энергии человеком, ккал

Вид деятельности	Расход энергии
Работник умственного труда	2 200-2 400
14-15-летний учащийся	2 400-2 500
Швея, врач	2 600-2 800
Студент	2 800-3 000
Тракторист	2 900-3 000
Слесарь	3 300
Литейщик	3 200-4 000
Работник на сенокосилке	3 600
Штукатур	3 900
Каменщик	4 000
С/х рабочий, спортсмен	4 000-4 500
Косец	7 200

Вычисление суточного расхода и потребления энергии организмом. Цель: изучить основной принцип рационального питания - баланс энергии в организме, основные пути его энергозатрат. Овладеть методом контроля полноценности питания в количественном отношении.

Рациональное питание обеспечивает правильный рост и развитие организма, возмещает все энергетические и вещественные затраты, увеличивает сопротивляемость организма по отношению к вредным влияниям внешней среды, способствует развитию функциональных способностей и повышает трудоспособность. Одним из основных принципов рационального питания является баланс энергии в организме. Величина энергетической потребности организма в пище в сутки зависит от количества энергии, расходуемой организмом за тот же период времени. Важнейшим фактором, определяющим величину расхода энергии, является мышечная деятельность.

Энергозатраты и энергетическая ценность пищи выражаются в килокалориях (ккал). При расщеплении в организме 1 г. белка освобождается 4,1 ккал., 1 г. углеводов - 4,1 ккал., 1 г. жира - 9,3 ккал. (калорические коэффициенты).

Калорийность суточного рациона должна полностью покрывать весь расход энергии организмом за сутки. В противном случае энергетический баланс становится отрицательным, вес тела падает, и возникает ряд других патологических явлений, характеризующих недостаточность питания.

Для учета баланса в обмене энергии необходимо определить, с одной стороны, величину расхода энергии за сутки, а с другой - калорийность суточного рациона и полученные результаты сопоставить между собой.

Так определяется полноценность питания в количественном отношении.

Пути расхода энергии:

основной обмен - это расход энергии у человека в состоянии полного покоя, спустя 12-14 часов после приема пищи и достаточного отдыха после работы, при нормальных метеоусловиях окружающей среды. Основной обмен указывает на количество энергии, расходуемой на поддержание основных жизненных функций: дыхания, работы сердца, почек и т.д. Величина его зависит от состояния ВНД, от пола, возраста, величины поверхности тела, от активности действия эндокринных желез, географических условий и т.д. У женщин основной обмен несколько ниже чем у мужчин; у детей - выше, чем у взрослых (при расчете на единицу массы тела); в старческом возрасте ниже чем в более молодом. Понижение температуры внешней среды вызывает повышение обмена, длительное ограниченное питание снижает его и т.д. В среднем величина основного обмена у взрослого человека составляет 1ккал. на 1кг./в час.

повышение обмена при приеме пищи возникает в результате повышения деятельности пищеварительных органов и работы скелетных мышц, связанных с приемом пищи. Причем, наибольшее увеличение обмена наблюдается при приеме белков, меньшее - при приеме углеводов и еще меньшее - жиров. В среднем установлено, что при обычной смешанной пище с нормальным соотношением белков, жиров и углеводов обмен энергии повышается после приёма пищи на 10-15% по сравнению с уровнем основного обмена.

повышение обмена в результате работы наступает при любом физическом напряжении и в значительно меньшей степени при умственной деятельности. Установлено, что потребность организма в количестве пищи (калориях) зависит главным образом от вида и интенсивности труда.

10. Каково суточное потребление энергии жителей города

Если вам скажут, что надо считать, исходя из 1 кВт на человека, -- усомнитесь, сядьте за калькулятор и пересчитайте.

Начнём с освещения

Допустим, вы имеете дом с тремя спальнями. В добавление к этому -- прихожая, гостиная, кухня, две лестницы и подвал.

Помните, как горит 100 Вт лампочка? Её вполне хватает для освещения одной комнаты. Для гостиной -- прибавим ещё одну, а на лестницы и подвалы возьмем по 60 Вт.

По потреблению электроэнергии 100 Вт-ой лампочке соответствует 30 Вт-ая, а 60 Вт-ой -- 15 Вт-ая. Значит, всего потребляемой мощности у вас набирается 255 Вт. Т. е., если вы включите их все одновременно, энергопотребление составит 255 Вт/час.

Но вы же не будете так делать! Если у вас в семье четыре человека и все сидят вечером по разным комнатам, то должно гореть максимум 5 ламп, т. е., по максимуму -- 150 Вт/ч.

Освещение вы используете лишь вечером, т. е., 5-6 часов в сутки. Таким образом, в сутки вы потратите на него всего лишь 900 Вт/ч, прибавим к этому 100 Вт на походы в подвал и другие неожиданные включения, получим 1 кВт/ч в сутки.

Стирка и глажение белья

Автоматическая стиральная машина, без электронагревателя воды, потребляет около 600 Вт в час. Полный цикл редко превышает 1 час.

Если считать, что вы будете стирать трижды в неделю (обычно, хватает и двух), то за месяц вы потратите на стирку 7200 Вт/ч. Отведём на глажение белья 20 минут в день -- добавим ещё 300 Вт/ч.

Результат:

· полный постирочный день -- 900 Вт/ч;

· средний суточный расход -- 360 Вт/ч (из расчёта среднего за месяц).

Подкачка воды

Мощность насосов для воды обычно составляет 250-500 Вт. Возьмём 400 Вт насос. Воспользуемся нормой водопотребления -- 40 л на человека в сутки. Для четверых членов семьи -- 160 л/сут.

Такой насос может подавать воду -- до 1.5 куб.м/ч, т. е., для обеспечения водой всех членов семьи, он должен работать чуть больше часа (можно приобрести более мощный насос и качать воду за 10 минут).

Результат: 500 Вт/ч в сутки.

Итого, по первой группе энергопотребления:

· среднесуточный расход -- 1860 Вт/ч;

· максимальный расход в сутки -- 2400 Вт/ч (светим, стираем, гладим и льём воду);

· минимальный расход в сутки -- 1500 Вт/ч (не гладим, не стираем).

Остальные группы энергопотребления вы можете рассчитать сами, далее в этой статье будем использовать только 1-ю группу и по самому худшему дню, а именно -- 2400 Вт/ч в сутки.

Аккумуляторные батареи

Аккумуляторы -- очень хозяйственные приборы. Они сохранят каждый ватт электроэнергии, который вы не успели растранжирить.

Вы спите и в доме ничего не работает -- энергия накапливается, вы ушли на работу и в доме никого нет -- энергия накапливается, вы пользуетесь всего двумя лампочками -- остальная энергия накапливается.

Но, вот выдался плохой день -- ни ветра, ни солнца, т. е., аккумулятор не заряжается. Энергетики, в таком случае, считают по принципу: на сколько времени хватит энергии аккумулятора, если подключить всю имеющуюся нагрузку?

Надо понимать так, что если вы вдруг замечаете темноту и полный штиль, то тут же включаете все электроприборы и сидите с секундомером, злорадно потирая руки: «Вот я сейчас посмотрю, когда ты сдохнешь…», думая об аккумуляторе. Это же -- бред!

Но, всё равно, -- посчитаем. Пусть ваша совесть не позволила вам включить утюг и три лампочки, т. е., вы решили умертвить ваши аккумуляторы нагрузкой в 2000 Вт.

По данным сайта www.invertors.ru четыре аккумулятора, каждый ёмкостью по 190 А/ч, перестанут снабжать вас энергией через 4 часа.

Но, если у вас хватит ума, в таком случае использовать только 10 ламп одновременно на освещение, то батарея будет работать 26 часов.

А если учесть, что освещение нам надо только 6 часов в сутки, то, при полном штиле и абсолютной темноте, мы сможем жить при электрическом свете аж 4 с лишним суток! При этом, солнце может не всходить…

Для того, чтобы узнать, сколько времени Т (ч) понадобится батарее ёмкостью С (А/ч), чтобы разрядиться под воздействием нагрузки мощностью Р (Вт) используйте следующую формулу:

Т = (С х 8.5) / Р.

11. Дайте классификацию преобразователей энергии

Основные типы и классификация электрических машин

Электрические машины -- это электромеханические преобразователи, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Основное отличие электрических машин от других преобразователей в том, что они обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую, и в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую.

По виду создаваемого в машинах поля, в котором происходит преобразование энергии, электрические машины подразделяются на индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные. Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства электрические машины -- индуктивные. Преобразование энергии в них осуществляется в магнитном поле. Емкостные электрические машины, хотя и были изобретены задолго до индуктивных, до сих пор не нашли практического применения из-за сложности создания достаточно мощного электрического поля, в котором происходит преобразование энергии. Индуктивно-емкостные машины появились лишь в последние годы. Преобразование энергии в них происходит в электромагнитном поле, и они объединяют свойства индуктивных и емкостных электрических машин. В практике эти машины еще не применяются, поэтому в данном Справочнике рассматриваются только индуктивные электрические машины, которые в дальнейшем будем называть просто электрическими машинами.

Для того чтобы электрическая машина работала, в ней должно быть создано вращающееся магнитное поле. Принцип образования вращающегося поля у всех машин один и тот же.

Простейшей электрической машиной является идеальная обобщенная электрическая машина, т. е. машина симметричная, ненасыщенная, имеющая гладкий воздушный зазор. На статоре и роторе такой машины расположены по две обмотки: w^s_б и w^s_в на статоре, w^r_a и w^r_в на роторе, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на электрический угол, равный 90°. Если к обмоткам статора или ротора такой машины подвести токи, сдвинутые во времени на электрический угол 90°, то в воздушном зазоре машины будет вращающееся круговое поле. При симметричном синусоидальном напряжении поле будет синусоидальное, так как идеальная машина не вносит в зазор пространственных гармоник. Все реальные электрические машины в той или иной степени отличаются от идеальной машины, так как в воздушном зазоре реальной машины нельзя получить синусоидальное поле.

Для того чтобы МДС, необходимая для создания магнитного поля, не была чрезмерно велика, статор и ротор электрической машины выполняют из ферромагнитного материала, магнитная проводимость которого во много раз больше, чем проводимость неферромагнитной среды (µ_ст» µ₀). При этом магнитные силовые линии поля замыкаются по магнитопроводу машины и практически не выходят за пределы ее активных частей.

Обобщенная электрическая машина

Участки магнитопровода, в которых поток переменный, для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис выполняют шихтованными из тонких листов электротехнической стали. Участки магнитопровода машин, в которых поток постоянный (например, полюсы и станины машин постоянного тока), могут быть выполнены массивными из конструкционной стали.

Непременным условием преобразования энергии является изменение потокосцепления обмоток в зависимости от взаимного положения ее частей -- статора и ротора. Это условие может быть выполнено при различных вариантах конструктивных форм магнитопровода и при различных конструкциях и расположении обмоток. Тот или иной вариант выбирается в зависимости от рода питающего (или генерируемого) тока, наиболее удобного способа создания поля и типа машины. Для преобразования энергии в подавляющем большинстве электрических машин используется вращательное движение.

Электрические машины обычно выполняются с одной вращающейся частью -- цилиндрическим ротором и неподвижной частью -- статором. Такие машины называются одномерными. Они имеют одну степень свободы. Почти все выпускаемые промышленностью машины -- одномерные с цилиндрическим вращающимся ротором и внешним неподвижным статором.

Электромагнитный момент в электрических машинах приложен и к ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машин, в которых вращаются и ротор, и статор, две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается относительно двух статоров, расположенных под углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике встречаются шестимерные электромеханические системы, в которых и ротор, и статор имеют по три степени свободы.

Находят применение также электрические машины, в которых ротор (или и ротор, и статор) имеет форму диска. Такие машины называют торцевыми.

Электрические машины помимо вращательного могут иметь и возвратно-поступательное движение (линейные машины). В таких машинах статор и ротор разомкнуты и магнитное поле отражается от краев, что приводит к искажению поля в воздушном зазоре. Краевой эффект в линейных электрических машинах ухудшает их энергетические показатели. Низкие энергетические показатели ограничивают применение электрических машин с возвратно-поступательным движением. Из обычной машины с цилиндрическим статором и ротором получаются машины с сегментным статором и линейные. Если увеличить диаметр ротора сегментной машины до бесконечности, получим линейный двигатель. Линейные двигатели постоянного и переменного тока находят применение в промышленности для получения линейных перемещений. В генераторном режиме линейные машины практически не применяются.

В большинстве типов электрических машин магнитное поле создается переменными токами обмоток статора и ротора. Однако существует класс машин, в которых поле создается постоянными токами обмоток, расположенных только на статоре. Преобразование энергии в них происходит за счет изменения магнитного потока в воздушном зазоре из-за изменения его проводимости при вращении poтора.

Основные конструктивные исполнения электрических машин: а -- асинхронная; б -- синхронная; в -- коллекторная; г -- индукторная

Модификация конструктивного исполнения электрических машин: а -- машина с сегментным статором; 6 -- линейный двигатель; 1 -- статор; 2 -- ротор

Ротор в таких машинах имеет ярко выраженные зубцы, перемещение которых относительно статора вызывает изменение магнитного сопротивления на участках зазора и потокосцепления обмотки статора. Такие машины называют параметрическими или индукторными. Конструктивные исполнения индукторных машин весьма разнообразны. Наибольшее распространение получила конструкция индукторной машины с двумя роторами 1 и статорами 2 (рис.). Если роторы сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 90°, общее магнитное сопротивление машины во время вращения роторов не изменяется и в обмотке возбуждения 3, питающейся постоянным током, не наводится переменная составляющая напряжения. Обмотки на роторах отсутствуют. При работе машины с обмоток переменного тока 4, расположенных в пазах каждого статора, снимается напряжение. Поток возбуждения замыкается по корпусу статора и втулке ротора 5, насаженной на вал.

В зависимости от рода потребляемого или отдаваемого в сеть тока электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся на синхронные, асинхронные и коллекторные.

В синхронных машинах поле возбуждения создается обмоткой, расположенной на роторе, которая питается постоянным током. Обмотка статора соединена с сетью переменного тока. В обычном исполнении машин вращающийся ротор с обмоткой возбуждения располагается внутри статора, а статор неподвижен. Обращенная конструкция, при которой ротор с обмоткой возбуждения неподвижен, а вращается статор, в синхронных машинах встречается редко из-за сложности подвода тока к вращающейся обмотке переменного тока.

Ротор синхронной машины может быть явнополюсным, т. е. с явно выраженными полюсами, имеющими ферромагнитные сердечники с насаженными на них многовитковыми катушками возбуждения. Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об/мин и выше, обычно выполняются неявнополюсными. При этом обмотка возбуждения укладывается в профрезерованные в роторе пазы. Обмотка переменного тока синхронных машин, как правило, распределенная, т. е. расположена равномерно по окружности внутреннего диаметра статора в пазах его магнитопровода.

В асинхронных машинах специальная обмотка возбуждения отсутствует, рабочий поток создается реактивной составляющей тока обмотки статора. Этим объясняется простота конструкции и обслуживания асинхронных двигателей, так как отсутствуют скользящие контакты для подвода тока к вращающейся обмотке возбуждения и отпадает необходимость в дополнительном источнике постоянного тока для возбуждения машины. Обмотки статоров и роторов асинхронных машин распределенные и размещены в пазах их магнитопроводов.

На роторах асинхронных машин располагается либо фазная, т. е. имеющая обычно столько же фаз, сколько и обмотка статора, изолированная от корпуса обмотка, либо короткозамкнутая. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из расположенных в пазах ротора замкнутых между собой по обоим торцам ротора неизолированных стержней из проводникового материала. Она может быть также выполнена заливкой пазов алюминием. В зависимости от типа обмотки ротора различают асинхронные двигатели с фазными роторами или асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами.

Индукторная машина с двумя роторами

Нормальное исполнение асинхронных машин -- с ротором, расположенным внутри статора. Однако для некоторых приводов, например привода транспортера, оказывается выгоднее расположить вращающийся ротор снаружи статора. Такие машины называют обращенными или машинами с внешним ротором. Они выполняются обычно с короткозамкнутыми роторами.

Среди коллекторных машин переменного тока получили распространение в основном однофазные двигатели малой мощности. Они находят применение в приводах, к которым подвод трехфазного или постоянного тока затруднен или нецелесообразен (в электрифицированном инструменте, бытовой технике и т. п.). В машинах средней и тем более большой мощности коллекторные машины переменного тока в настоящее время в СССР не применяются. Исключение составляют отдельные специальные машины, например машины типа двигателя Шраге -- Рихтера.

Большинство машин постоянного тока -- это коллекторные машины. Они выпускаются мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Обмотки возбуждения машин постоянного тока располагаются на главных полюсах, закрепленных на станине. Выводы секций обмотки ротора (якоря) впаяны в пластины коллектора. Коллектор, вращающийся на одном валу с якорем, и неподвижный щеточный аппарат служат для преобразования постоянного тока сети в переменный ток якоря (в двигателях) или переменного многофазного тока якоря в постоянный ток сети (в генераторах постоянного тока).

Конструкция машин постоянного тока более сложная, стоимость выше и эксплуатация более дорогая, чем асинхронных, поэтому двигатели постоянного тока применяются в приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты вращения, или в автономных установках при питании двигателей от аккумуляторных батарей.

Подавляющее число машин постоянного тока выполняется с коллектором -- механическим преобразователем частоты. Но существует несколько типов и бесколлекторных машин, например униполярные генераторы, которые используются для получения больших токов (до 100 кА) при низких напряжениях.

Униполярная электрическая машина

В таких машинах коллектор отсутствует, но они могут работать только при наличии скользящего контакта, который состоит из щеток 1 и колец 2. Постоянный магнитный поток, созданный токами обмотки возбуждения 5, замыкается по станине 3, массивному ротору 4 и двум зазорам. Постоянные токи наводятся в массивном роторе и снимаются щетками. Чтобы уменьшить электрические потери в роторе, в нем делают пазы, в которые укладывают медные стержни 6. Стержни, приваренные к контактным кольцам, образуют на роторе короткозамкнутую обмотку.

В последние годы получили распространение также бесколлекторные машины постоянного тока с вентильным управлением, в которых механический преобразователь частоты заменен преобразователем частоты на полупроводниковых элементах [12, 23].

Более детальное описание конструктивных видоизменений электрических машин дается в последующих разделах справочника.

Несмотря на большое число различных типов электрических машин и независимо от их конструктивного исполнения, рода и числа фаз питающего тока и способов создания магнитных полей преобразование энергии в машинах происходит только при следующем условии: во всех электрических машинах в установившихся режимах поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ротора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением

ѓ₂= ѓ₁s (1.1)

где ѓ₁, ѓ₂ -- частоты тока и напряжения статора и ротора; s -- относительная частота вращения ротора или скольжение, определяемое частотой вращения поля статора п₁ и частотой вращения ротора машины n₂ :

s = (n_l±n₂)/n₁. (1.2)

В синхронных машинах обмотка возбуждения ротора питается постоянным током (ѓ₂ = 0), и, следовательно, из (1.1) s = 0, откуда по (1.2) п =п₁ т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, созданным токами обмотки статора.

Жесткая связь частоты тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически единственными мощными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы промышленных установок, длительно работающих при постоянной частоте вращения и не требующих частых пусков, например как приводные двигатели воздуходувок, компрессоров и т. п.

В асинхронных машинах ток в обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в проводниках обмотки магнитным полем статора.

Наведение ЭДС происходит только при пересечении проводниками магнитных силовых линий поля, что возможно лишь при неравенстве частот вращения ротора и поля статора (п₂? п₁). Частота тока в роторе равна ѓ₂= ѓ₁s , что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна п₂ = п₁ (1 -- s). При скольжении s = 1 ротор неподвижен( ѓ₂ = ѓ₁ ), преобразования механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим работы машины.

При питании обмотки ротора постоянным током машина переходит в синхронный режим работы. При питании ротора переменным током асинхронный двигатель может вращаться с частотой большей, чем частота поля статора. Такие режимы используются редко из-за сложности пуска машины: необходим разгонный двигатель либо преобразователь частоты. Примером двигателя этого типа являются двигатели Шраге -- Рихтера, в которых для преобразования частоты тока ротора используется коллектор, соединенный с добавочной обмоткой ротора. Регулирование частоты вращения двигателя производится изменением добавочной ЭДС, вводимой в обмотку ротора, m путем изменения положения щеток на коллекторе.

В машинах постоянного тока поле возбуждения создается постоянным током, а поле якоря -- переменным. Преобразование постоянного тока сети в многофазный переменный ток якоря происходит с помощью механического преобразователя -- коллектора. Частота переменного тока якоря определяется частотой его вращения, и магнитное поле, создаваемое током якоря, неподвижно относительно поля возбуждения машины.

Бесколлекторные (вентильные) машины постоянного тока, как правило, обращенные, т. е. их обмотки возбуждения, питаемые постоянным током, расположены на вращающемся роторе, а якорные обмотки -- на неподвижном статоре. Частота питания якорных обмоток задается статическим преобразователем частоты. Условие взаимной неподвижности полей статора и ротора приводит к возможности регулирования частоты вращения вала двигателя изменением частоты питания его якорных обмоток. С этой точки зрения вентильные машины постоянного тока могут рассматриваться как синхронные, обмотки переменного тока которых питаются от преобразователя частоты.

В однофазных коллекторных машинах обмотки возбуждения питаются переменным током и создают пульсирующее поле. Коллектор преобразует однофазный ток питания в многофазный переменный ток с частотой, зависящей от частоты вращения ротора, при которой магнитные поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Из-за затрудненной коммутации коллекторные машины переменного тока выполняются лишь небольшой мощности.

Классификация электромеханических преобразователей.

12. Дайте классификацию энергоресурсов

На практике чаще всего выделяют несколько более или менее однородных форм энергии: механическую, химическую, тепловую, ядерную, световую (или лучистую) и электрическую.

Механическая кинетическая энергия присуща движущимся предметам. Ею обладают такие природные явления, как течение рек, ветер, морские приливы.

Механической потенциальной энергией обладают предметы и объекты, расположенные выше уровня поверхности (т.e. такие, которым есть, куда падать). К этому виду можно отнести водные массивы, расположенные в горах или накопленные в водохранилищах.

· Химическая энергия содержится в топливе и пище и предназначена для превращения в другие формы.

· Тепловой энергией обладают хорошо нагретые предметы. Этот вид, энергии широко используется в производстве и в быту. Источники тепла могут быть найдены и в природе - это термальные источники, использовавшиеся еще древними римлянами.

· Ядерная энергия, или энергия атома, - это то, что удерживает ядра атомов, оставляя их такими, как они есть.

· Лучистая энергия, называемая также электромагнитным излучением, не только "оживляет" наши приемники и телевизоры, делает возможным бес-проволочную связь, но и, в виде солнечного излучения, является главным источником энергии, движения и жизни на Земле.

Электроэнергия как правило генерируется на электрических станциях (хотя ее можно получить при помощи аккумуляторов, электрических батареек, разряда молнии или удара электрического ската). Ее роль в экономике и обществе трудно переоценить. Именно она представляет собой основу всей современной жизни.

Энергия, обеспечивающая конечные процессы производства нематериальной сферы представляет собой конечную энергию. Все такие процессы можно разделить на несколько агрегированных групп, так как:

- освещение и передача информации;

- электрофизические процессы;

- механические процессы, как стационарного (например, кузнечный пресс, металлорежущий станок и пр.), так и мобильного (например, транспорт) характера;

- тепловые процессы высокого, среднего и низкого потенциала.

Если количество конечной энергии нельзя непосредственно измерить можно лишь вычислить, используя теоретические данные об энергоемкости отдельных процессов, то количество так называемой подведенной энергии можно определить, используя, например, счетные устройства. Подведенная энергия - это та энергия, которая обеспечивает работу конечных энергетических установок и содержится в энергоносителях - физических субстанциях, содержащих потенциальную энергию и достаточно легко преобразуемых в конечные виды. В качестве таких энергоносителей могут выступать разные факторы - различные виды топлива и электроэнергия.

Основой энергетического хозяйства общества, источником и энергоносителей, и следовательно собственно энергии являются энергоресурсы, что, очевидно означает краткое название энергетических ресурсов. Все энергоресурсы делятся на первичные и вторичные. Первичные ресурсы есть результат природных процессов. К ним относится природное топливо, а также энергия солнца, ветра, водных ресурсов, биомассы и др. К вторичным энергетическим ресурсам относятся все переработанные иные или преобразованные виды топлива, а также побочная энергия производственных процессов или процессов в сфере потребления может быть утилизирована и использована вторично. Эта категория включает продукты нефтепереработки, облагороженное топливо, а также отработанный пар, отходы тепла, горячие газы. Следуя этой логике, ко вторичным энергоресурсам следует отнести также сберегаемую энергию.

Энергоресурсы можно разделить на топливные и нетопливные. Первичные энергоресурсы могут быть возобновляемые и невозобновляемые. Возобновляемые природные ресурсы это такие объекты, о восстановлении запаса которых заботится сама природа. Многие из них практически не зависят от того, в какой мере общество вовлекает их в хозяйственный оборот: солнечная энергия, гидроресурсы, ветер. Есть и другие - такие, использование которых ведет к уменьшению их запаса в краткосрочном и даже достаточно длительном времени. Пример - биомасса. Они, однако, могут рассматриваться как возобновляемые в длительной перспективе. Невозобновляемые энергоресурсы это такие ресурсы, запас которых принципиально исчерпаем, - минеральное топливо, уран.

Будучи разнообразными по качеству, энергоресурсы обладают определенной взаимозаменяемостью; вместо угля может быть использован мазут или газ, вместо урана - солнечная энергия и т.д. Как правило, обществу не безразлично, какие виды ресурсов или энергоносителей применить для достижения поставленных целей. При выработке решений об их наилучшем использовании все энергоресурсы важно сопоставить количественно. Наиболее удобным принципом такого соизмерения оказалось сравнение их теплотворных способностей, т.е. потенциального объема теплоты, выделяемой при сжигании единицы данного топлива. Для нетопливных энергоресурсов сначала, как правило, оценивается возможность выработки с их помощью электрической энергии, которая гм также сводится к единицам теплотворной способности.

Теплотворная способность может измеряться Джоулях (Дж), калориях (кал) или англо-американских единицах (Btu), т у.т. Энергоресурсы и энергоносители можно измерять в натуральных физических единицах и неких условных единицах. В отечественной системе в качестве натуральных измерителей используются весовые единицы тонны (а также соответственно килограммы, граммы), а для измерения количества газообразного топлива - метрические - кубические (м3).

Условное топливо играет ту же роль, что и единицы способности: позволяет соизмерять разные виды топлива. Отечественная система берет за основу так называемый "угольный эквивалент" - такое топливо, тонна которого при сжигании выделяет 7000 килокалорий тепла, т.е. как высококачественный уголь. Любое количество топлива можно свести к условному топливу, зная его теплотворную способность. Например, тонна сырой нефти выделяет примерно 10000 ккал. Это означает, что для перевода нефти в угольный эквивалент следует указанные объемы умножить на коэффициент 1,43. Другие виды топлива имеют другие перерасчетные коэффициенты.

Качество используемых видов топлива, очевидно, зависит от их теплотворной способности, хотя это и не единственный фактор, его определяющий. Наивысшая из всех первичных видов топлива теплотворная способность - у нефти, обладающей коэффициентом перевода в условное топливо более 1,4. Высококачественным энергоресурсом является природный газ с коэффициентом перевода 1000 м3 на уровне 1,15- 1,2. Газ к тому же сгорает полнее других топлив и более экологичен. Каменные угли, как правило, имеют коэффициенты пересчета ниже 1, бурые угли, или лигниты, - порядка 0,5. Сланцы, торф - еще ниже.

Как уже утверждалось, при различном качестве энергоресурсов большинство из них обладают, по крайней мере, частичной взаимозаменяемостью. Это значит, что они конкурируют друг с другом, если такая конкуренция допускается, т.е. если конкурентными являются рынки. В таких условиях цены на более качественные ресурсы должны чаще всего устанавливаться выше, чем на менее качественные. Вместе с тем на достаточно коротких отрезках времени, когда воздействие чисто конъюнктурных факторов ощутимо, возможно всякое. Действительно, на мировых рынках, как и в большинстве стран, наиболее дорогим из первичных видов топлива постоянно является нефть. На втором месте - газ, цена на сопоставимое количество которого не менее постоянно отстает от нефти на 15-20%. Наибольший разброс в ценах наблюдается наугольных рынках, что вызвано не только большими различиями в качестве отдельных марок и сортов, но и тем, что правительства некоторых стран, например Германии, проводят политику субсидирования добычи или использования отечественных углей. Однако в целом имеется очень жесткая взаимосвязь между теплотворной способностью ресурса и его ценой, которая не меняется, если рассматривать не только первичные виды топлива, но и вторичные.

...