Электрическая энергия. Роль электротехники и электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия в настоящее время более чем любые другие виды энергии используется в различных областях жизни. Этому способствуют следующие преимущества электрической энергии перед другими видами энергии:

1) она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую, химическую и др.);

2) экономично и очень быстро (со скоростью света) передается на дальние расстояния;

3) электрическими устройствами сравнительно просто управлять.

Зарождение электротехники относится к первой половине XIX века, когда были открыты основные закономерности электрических явлений, а во второй половине этого же века были разработаны основные электрические машины и трансформаторы. Это был также период строительства первых электрических станций, без которых сейчас мы не мыслим свое существование. Фактически электрификация является стержнем строительства экономики общества, а степень использования электрической энергии свидетельствует об уровне его развития.

Включение дисциплины ТОЭ в государственный образовательный стандарт объясняется тем, что принцип работы всех рабочих машин, используемых в области машиностроения, и построение устройств управления ими, базируется на основных фундаментальных понятиях данной дисциплины.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Электрическая энергия, её особенности и область применения

Электрическая энергия занимает главные позиции в промышленном оборудовании и бытовой технике благодаря таким свойствам, как возможность быстрого и эффективного преобразования в другие формы (механическую, тепловую, химическую, световую), а также экономичной транспортировки, т.е. передачи на большие расстояния. Указанные свойства привели к широкому использованию электроэнергии в промышленном производстве, электрических и электронных средствах автоматизации, а также в многочисленных бытовых приборах.

На пути от производства до использования электрическая энергия претерпевает ряд преобразований. Совокупность оборудования, осуществляющего превращение энергетических ресурсов в доступную потребителю электроэнергию, называют электроэнергетической системой. В процессе создания и использования электроэнергии можно выделить ряд стадий:

* производство, т.е. преобразование в электрическую других форм энергии (механической, химической, тепловой);

* изменение параметров электроэнергии для обеспечения передачи на расстояние;

* транспорт (передача в пространстве);

* преобразование значений токов и напряжений к уровням пользователей и распределение между потребителями;

* использование в промышленных и бытовых установках и приборах.

Созданы и эксплуатируются различные типы электроэнергетических систем (рис. 1).

В соответствии с организацией производства и обеспечения энергией можно выделить индивидуальные (децентрализованные) и общие (централизованные) электроэнергетические системы.

Индивидуальное электроснабжение предусматривает наличие собственного источника и генератора электроэнергии для каждого потребителя. Оно имеет разное назначение -- от обеспечения электроэнергией отдельного прибора или потребителя до резервных систем электроснабжения важных объектов. Мощности подобных электросетей лежат в весьма широких пределах. Используемые источники энергии также отличаются многообразием. В таких системах нашли применение разные виды возобновляемых источников. Основные трудности создания и эксплуатации индивидуальных электросетей заключаются в обеспечении стабильности и надежности их функционирования при изменении нагрузки и вариации параметров источников.

Рис. 1. Виды электроэнергетических систем

Централизованные энергетические системы предназначены для обеспечения электроэнергией потребителей значительной по площади территориальной зоны. Эти системы могут представлять собой местные (локальные) электросети или строиться по принципу глобального обеспечения электроэнергией огромных территорий.

Основным требованием к системе электроснабжения является высокая надежность постоянного обеспечения электроэнергией потребителей при заданных внешних воздействиях и условиях эксплуатации. Сложности реализации сформулированной цели связаны с одной из главных особенностей электрической энергии, состоящей в совпадении во времени процессов ее производства, передачи и потребления. Это обусловлено отсутствием достаточно мощных накопителей (аккумуляторов) электрической энергии.

Потребление электроэнергии, определяющее характер и значение нагрузки, весьма неравномерно и зависит от времени и местоположения потребителя. Вариант решения проблемы непрерывного снабжения электроэнергией пользователей посредством производства такого количества, которое перекрывает максимальные значения, наряду с явной экономической нецелесообразностью наталкивается на серьезные технические трудности, обусловленные необходимостью расходования излишков производимой энергии в интервалы снижения потребления.

С целью исключения подобных режимов в рамках энергосистемы необходимо осуществлять управление в структуре производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии (рис. 2).

Рис. 2. Общая структура электроэнергетической системы

Процесс генерации, передачи и потребления электроэнергии и в рамках энергосистемы осуществляется с помощью единого управления производством, передачей, распределением и использованием электрической энергии множеством потребителей. Автоматические системы управления энергетическими системами должны обладать высокой точностью и быстродействием.

Получение электроэнергии из энергоносителей осуществляют предприятия, называемые электрическими станциями. Из всех возможных энергетических ресурсов, которые эффективно используются в глобальных системах, преобладают гидроэнергия рек, химическая энергия органического топлива и ядерная энергия.

Наибольшее распространение получили тепловые электрические станции (ТЭС), использующие энергию органических видов топлива: нефти, газа, угля, торфа. В процессе функционирования ТЭС происходит ряд преобразований химической энергии топлива в электрическую энергию. Энергия сжигаемого в котле (парогенераторе) топлива переходит в тепловую энергию водяного пара, который с помощью турбины вращает вал электромеханического генератора. Каждая ступень преобразования энергии вносит свои потери в общий КПД, результирующее значение которого составляет примерно 30%. Прошедший турбину пар обладает тепловой энергией, которая используется потребителем. Таким образом, совместно с электрической ТЭС вырабатывает тепловую энергию. Преимущество тепловых станций заключается в возможности их построения в непосредственной близости к потребителям электрической и тепловой энергии. Очевидно, что для обеспечения работы ТЭС требуется транспортировка топлива к месту выработки электроэнергии.

Высокой технической эффективностью преобразования энергии обладают гидроэлектрические станции (ГЭС), у которых КПД приближается к 90%. Работа ГЭС основана на использовании естественных энергетических ресурсов рек (механической энергии движущихся водных потоков). Для концентрации энергии в месте установления электростанции на реке сооружаются плотина и водохранилище, создающие постоянный напор воды, который обеспечивает вращение вала турбины. Выработанную электроэнергию необходимо преобразовать (трансформировать) в форму, пригодную для доставки потребителю.

На атомных электростанциях (АЭС) в ядерном реакторе происходит цепная реакция деления ядер топлива для осуществления процесса превращение ядерной энергии в тепловую. Тепловая энергия нагревает воду. Вода поступает в парогенератор. Нагретая вода (превращенная в пар) используется для вращения вала паровой турбины, механическую энергию которого генератор преобразует в электрическую.

В качестве окончательного устройства промышленного производства электрической энергии применяют электрические машины, т.е. электромеханические преобразователи механического вращения вала в электрическое напряжение. На станциях электрическая энергия вырабатывается генераторами с номинальным напряжением 10--15 кВ. Выработанную электроэнергию необходимо доставить потребителю. Мощности и расстояния, на которые целесообразно транспортировать энергию с допустимым уровнем потерь, зависят от напряжения в линии электропередачи. Можно показать, что передачу электроэнергии на большие расстояния целесообразно осуществлять при высоких уровнях напряжений.

На режим работы энергетической системы влияют ее структура и характер нагрузки, зависящие от вида потребителей. Промышленное производство непрерывно потребляет значительное количество электроэнергии в технологических процессах (электролиз, электротермия, обработка материалов, электропривод и т.н.). Сельское хозяйство (животноводство, мелиорация) отличается пиковым характером нагрузок при рассредоточенности потребителей на больших площадях. Электрический транспорт и освещение имеют весьма разветвленную систему энергоснабжения с периодическими колебаниями нагрузки в дневные и ночные часы. Телекоммуникационные системы, характеризуемые не слишком большими индивидуальными мощностями, вносят существенный вклад в потребление вследствие большого количества. Бытовые электроприборы, работающие при низких напряжениях (380/220 В), также создают существенные пиковые нагрузки из-за высокой массовости.

Нарушение баланса между генерируемым и потребляемым количеством электрической энергии приводит в первую очередь к снижению ее качества. С целью выравнивания нагрузок во времени и пространстве используют совокупности электрических сетей, объединяющих различных потребителей. Реализуется также принцип выравнивания нагрузки на различные агрегаты системы производства и потребления. Очевидно, что для правильной работы электроэнергетической системы необходимы контроль количества и качества произведенной электроэнергии и контроль расхода и качества потребляемой приемниками энергии. На основе полученных данных осуществляется управление процессами производства и потребления электроэнергии.

Структура энергосистемы зависит от оптимальных условий передачи, распределения и потребления электроэнергии. Отдельные энергосистемы могут быть объединены в единую электроэнергетическую систему страны или ряда стран. В результате образуется единая система потребителей, в которой могут быть сглажены пиковые нагрузки за счет перетоков энергии.

2.2 Роль электротехники и электроники в развитии комплексной автоматизации современных производственных процессов и систем управления

электротехника электрическая энергия

Развитие физической электроники и электротехники, открытие новых физических явлений, установление их качественных и количественных закономерностей стимулирует развитие электронной техники. На базе этих открытий оказывается возможным:

1) создавать принципиально новые приборы (газовые и твердотельные лазеры, полупроводниковые приборы с зарядовой связью, поверхностными акустическими волнами, оптоэлектронные приборы и др.);

2) разрабатывать прогрессивные технологические процессы производства приборов (ионно-плазменное легирование полупроводников, лазерная обработка тонких плёнок, электронолитография, рентгенолитография и др.), позволяющие существенно улучшить параметры приборов и решить коренную задачу современной электронной техники - максимальную микроминиатюризацию и высокую степень интеграции твердотельных приборов;

3) расширять и углублять представление о физических процессах в электронных приборах, что даёт возможность разработчикам электронных устройств и систем обоснованно выбирать элементную базу и режимы работы приборов.

Физическая электроника стимулирует развитие не только собственной материальной базы - электронной техники, но и ряда других технических направлений. В частности, достижения физической электроники открыли принципиально новые пути в области энергетики.

Роль электроники в современной науке и технике огромна. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Без электроники немыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие атомной энергетики и вычислительной техники, ни автоматизация производства, ни радиовещание и телевидение, ни изучение живых организмов. На базе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др.

2.3 Содержание и структура дисциплины

Целью изучения электротехнических дисциплин является теоретическая и практическая подготовка студентов неэлектротехнических специальностей в области электротехники и электроники в такой степени, чтобы они могли выбирать необходимые электротехнические, электронные, электроизмерительные устройства, уметь их правильно эксплуатировать и составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электрических частей автоматизированных установок для управления производственными процессами.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

- формирование у студентов минимально необходимых знаний основных электротехнических законов и методов анализа электрических, магнитных и электронных цепей;

- принципов действия, свойств, областей применения и потенциальных возможностей основных электротехнических, электронных устройств и электроизмерительных приборов;

- основ электробезопасности; умения экспериментальным способом и на основе паспортных и каталожных данных определять параметры и характеристики типовых электротехнических и электронных устройств; использовать современные вычислительные средства для анализа состояния и управления электротехническими элементами, устройствами и системами.

В результате изучения дисциплины студент, освоивший программу первого уровня должен знать:

- основные законы электротехники.

- основные типы электрических машин и трансформаторов и особенности их применения.

- основные типы и области применения электронных приборов и устройств.

Студент должен уметь: правильно выбирать для своих применений необходимые электрические и электронные приборы, машины и аппараты.

Студент должен понимать: принципы работы современных электротехнических и электронных устройств и микропроцессорных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электроника широко используется в различных сферах современной науки и техники. Электронные приборы и устройства, выполненные на их основе, нашли применение в бытовой электронной технике, радиоэлектронике, вычислительной технике, в системах электропитания, защиты и управления электрическими приводами различной мощности и типа.

Синтез электромеханических элементов и устройств силовой электроники позволяет придать новые свойства всей электромеханической системе в целом. С помощью электронных устройств, возможно получение требуемых наперед заданных механических характеристик электродвигателей, обеспечить наиболее благоприятное протекание электромагнитных и электромеханических переходных процессов, регулировать частоту вращения электрических приводов в широких пределах и по заданному закону.

Электронные устройства дают возможность преобразовывать электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида и решать целый ряд задач, которые другими способами не решаются, либо решаются со значительно большими затратами.

Немаловажную роль в современном мире играет роль стабильное электроснабжение потребителей электроэнергии. Без электричества все электротехнические приборы, устройства перестанут выполнить возложенные на них функции.

СПИСОК ЛИТЕРЕТУРЫ

1. Башарин С.А., Федоров В.В. Теоретические основы электротехники. Учебное пособие. М.: ACADEMA. 2004. - 304с.

2. Анчарова, Т.В. Электроснабжение и электрооборудование.: Учебник / Т.В. Анчарова, М.А. Рашевская, Е.Д. Стебунова. - М.: Форум, 2015. - 48 c.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат Ленингр. отд-ние, 1985. - 352 с., ил.

Размещено на Allbest.ru