Pretvaranje jedne energije u drugu. Izravna pretvorba energije

Električna energija se proizvodi u elektranama i prenosi do potrošača uglavnom u obliku trofazne izmjenične struje industrijske frekvencije od 50 Hz. Međutim, iu industriji iu transportu postoje instalacije za koje je izmjenična struja frekvencije 50 Hz neprikladna.
Pitanjima vezanim uz pretvorbu električne energije iz jedne vrste u drugu bavi se područje znanosti i tehnologije koje se naziva pretvaračka tehnika (ili energetska elektronika). Glavne vrste pretvorbe električne energije uključuju:

1. AC ispravljanje je pretvorba izmjenične struje (obično strujne frekvencije) u istosmjernu struju. Ova vrsta pretvorbe doživjela je najveći razvoj budući da neki potrošači električne energije mogu raditi samo na istosmjernu struju (elektrokemijske i elektrometalurške instalacije, istosmjerni dalekovodi, kupke za elektrolizu, punjive baterije, radio uređaji itd.), dok su drugi potrošači DC ima bolje performanse od AC (varijabilni motori).
2. Inverzija struje - pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu. Inverter se koristi u slučajevima kada izvor energije stvara istosmjernu struju (električni strojevi istosmjerni generatori, baterije i drugi kemijski izvori struje, solarni paneli, magnetohidrodinamički generatori itd.), a potrošačima je potrebna energija izmjenične struje. U nekim slučajevima, inverzija struje je potrebna za druge vrste pretvorbe električne energije (pretvorba frekvencije, pretvorba broja faza).
3. Pretvorba frekvencije je pretvorba izmjenične struje jedne frekvencije (obično 50 Hz) u izmjeničnu struju druge frekvencije. Takva pretvorba je neophodna za napajanje pogona izmjenične struje promjenjive brzine, postrojenja za indukcijsko grijanje i taljenje metala, ultrazvučnih uređaja itd.
4. Pretvaranje broja faza. U nizu slučajeva postoji potreba za pretvaranjem trofazne struje u jednofaznu (na primjer, za napajanje elektrolučnih peći) ili, obrnuto, jednofaznu u trofaznu. Tako se u elektrificiranom prometu koristi kontaktna mreža jednofazne izmjenične struje, dok električne lokomotive koriste pomoćne strojeve trofazne struje. U industriji se koriste pretvarači frekvencije trofazno-monofazni s izravnom spregom, kod kojih se uz pretvaranje industrijske frekvencije u nižu pretvara i trofazni napon u jednofazni.

3. Pretvaranje istosmjerne struje jednog napona u istosmjernu struju drugog napona (DC pretvorba). Takva pretvorba je nužna, primjerice, u brojnim pokretnim objektima gdje je izvor električne energije baterija ili drugi izvor istosmjerne struje niskog napona, a za napajanje potrošača potreban je viši istosmjerni napon (primjerice, napajanja za radio inženjerska ili elektronička oprema).
Postoje i neke druge vrste pretvorbe električne energije (na primjer, formiranje specifične krivulje izmjeničnog napona), posebno stvaranje snažnih strujnih impulsa, koji se koriste u posebnim instalacijama, i kontrolirana pretvorba izmjeničnog napona. Sve vrste transformacija provode se pomoću elemenata power key. Glavne vrste poluvodičkih sklopki su diode, bipolarni tranzistori snage, tiristori, tiristori za isključivanje i tranzistori upravljani poljem.
Pretvarači koji se temelje na tiristorima obično se dijele u dvije skupine: podređene i autonomne. U prvom se provodi periodički prijelaz struje s jednog ventila na drugi (prebacivanje struje) pod utjecajem izmjeničnog napona iz nekog vanjskog izvora. Ako je takav izvor mreža izmjenične struje, govorimo o mrežnom pretvaraču. Takvi pretvarači uključuju: ispravljače, mrežno upravljane (ovisne) pretvarače, izravne frekvencijske pretvarače, pretvarače broja faza, pretvarače izmjeničnog napona. Ako je vanjski izvor napona koji osigurava komutaciju izmjenični stroj (na primjer, sinkroni generator ili motor), pretvarač se naziva pogonski stroj.
Autonomni pretvarači obavljaju funkcije pretvorbe oblika ili regulacije napona (struje) mijenjanjem stanja upravljanih ključnih elemenata snage pod utjecajem upravljačkih signala. Autonomni pretvarači uključuju impulsne DC i AC regulatore napona, neke vrste pretvarača napona.
Tradicionalno, pretvarači s ventilima snage koriste se za dobivanje ispravljenog napona iz industrijskih mreža s frekvencijom od 50 Hz i za dobivanje izmjeničnog napona (jednofaznog ili trofaznog) kada se napaja iz izvora istosmjernog napona. Za ove pretvarače (ispravljače i pretvarače) koriste se diode i tiristori, uključeni s mrežnom frekvencijom. Oblik izlaznog napona i struje određen je linearnim dijelom strujnog kruga i faznom modulacijom regulacijskog kuta.
Rektifikacija i inverzija i dalje su vodeće metode pretvorbe električne energije, međutim, metode pretvorbe su doživjele značajne promjene i njihove su varijante postale znatno brojnije.
Pojava novih tipova energetskih poluvodičkih ventila, bliskih idealno upravljanom ključnom elementu, značajno je promijenila pristup konstrukciji ventilskih pretvarača. Tiristori s isključivanjem (GTO - gate turn off thirystor) i bipolarni tranzistori s izoliranim vratima (IGBT - insolated gate bipolar transistor), koji su posljednjih godina postali široko rasprostranjeni, uspješno pokrivaju raspon snage do stotina i tisuća kilovata, njihovu dinamiku svojstva se kontinuirano poboljšavaju, a trošak je rast proizvodnje opada. Stoga su konvencionalne tiristore uspješno zamijenili jedinicama za prisilno uključivanje. Također su proširena područja primjene impulsnih pretvarača napona s novim klasama uređaja. Snažni prekidački regulatori se brzo razvijaju i za podizanje i za snižavanje istosmjernog napona napajanja; impulsni pretvarači se često koriste u sustavima za recikliranje energije iz obnovljivih izvora (vjetar, sunčevo zračenje).

Velika ulaganja ostvaruju se u proizvodnji energije korištenjem energetski štedljivih tehnologija, gdje se obnovljivi primarni izvori koriste ili za vraćanje energije u mrežu ili za punjenje uređaja za pohranjivanje (baterija) u instalacijama s povećanom pouzdanošću opskrbe energijom. Pojavljuju se nove klase pretvarača za elektromotore s reluktantnim motorima (SRD - switched reluctance drive). Ovi pretvarači su višekanalni (broj kanala je obično od tri do osam) sklopke koje omogućuju naizmjeničnu vezu namota statora motora s podesivom frekvencijom i naponom. Pulsni pretvarači postaju široko rasprostranjeni u napajanjima za kućansku opremu, punjačima, uređajima za zavarivanje i brojnim novim primjenama (balasti za rasvjetne instalacije, elektrostatički filteri itd.).
Osim poboljšanja elementne baze sklopova za pretvorbu snage, razvoj mikrokontrolerskih uređaja i metoda digitalne obrade informacija imao je veliki utjecaj na strategiju rješavanja problema sklopova.

Električni strojevi dijele se prema namjeni u dvije glavne vrste: električni generatori i elektromotori. Generatori su namijenjeni za proizvodnju električne energije, a elektromotori za pogon kotača lokomotiva, okretanje osovina ventilatora, kompresora itd.

U električnim strojevima dolazi do procesa pretvorbe energije. Generatori pretvaraju mehaničku energiju u električnu. To znači da za rad generatora njegovu osovinu mora okretati neka vrsta motora. Na dizelskoj lokomotivi, primjerice, generator pokreće dizelski motor, na termoelektrani - parna turbina, na hidroelektrani - vodna turbina. S druge strane, elektromotori pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Dakle, da bi motor radio, mora biti žicama spojen na izvor električne energije, ili, kako se kaže, uključen u električnu mrežu.
Načelo rada bilo kojeg električnog stroja temelji se na korištenju fenomena elektromagnetske indukcije i nastanku elektromagnetskih sila tijekom interakcije vodiča sa strujom i magnetskim poljem. Ovi se fenomeni događaju tijekom rada i generatora i elektromotora. Stoga često govore o generatorski i motorni načini rada električnih strojeva.
U rotirajućim električnim strojevima dva su glavna dijela uključena u proces pretvorbe energije: armatura i induktor sa svojim namotima, koji se međusobno pomiču. Induktor stvara magnetsko polje u automobilu; e inducira se u kotvnom namotu. d.s. i nastaje struja. Kada struja u namotu armature djeluje u interakciji s magnetskim poljem, stvaraju se elektromagnetske sile, preko kojih se ostvaruje proces pretvorbe energije u stroju.

Princip rada električnog generatora. Najjednostavniji električni generator je zavojnica koja rotira u magnetskom polju (slika 67, a). Kod ovog generatora zavoj 1 predstavlja namot armature. Induktor su stalni magneti 2, između kojih se okreće kotva 3. Kada se zavojnica okreće određenom frekvencijom vrtnje, njegove strane (vodiči) sijeku silnice magnetskog toka i na svakom vodiču se inducira e. d.s. e. Kada se prihvati na Sl. 67, a smjer vrtnje armature je e. d.s. u vodiču koji se nalazi ispod južnog pola, prema pravilu desne ruke, usmjeren je od nas, a e.m.f. u vodiču koji se nalazi ispod sjevernog pola – nama. Ako spojite prijemnik električne energije 4 na namot armature, tada će električna struja i teći kroz zatvoreni krug. U vodičima armaturnog namota struja I bit će usmjerena na isti način kao e. d.s. e.

Otkrijmo zašto je za rotaciju armature u magnetskom polju potrebno utrošiti mehaničku energiju dobivenu iz dizelskog motora ili turbine (primarni motor). Kao što je utvrđeno u poglavlju II, kada struja I prolazi kroz vodiče koji se nalaze u magnetskom polju, elektromagnetska sila F djeluje na svaki vodič. 67, au smjeru struje prema pravilu lijeve ruke sila F usmjerena ulijevo djelovat će na vodič koji se nalazi ispod južnog pola, a sila F usmjerena udesno djelovat će na vodič koji se nalazi ispod Sjeverni pol. Te sile zajedno stvaraju elektromagnetski moment M usmjeren u smjeru kazaljke na satu.
Iz razmatranja Sl. 67, ali je jasno da elektromagnetski moment M, koji nastaje kada generator oslobađa električnu energiju, usmjeren je u smjeru suprotnom od vrtnje vodiča, stoga je to moment kočenja, nastojeći usporiti rotaciju armature generatora. Kako bi se spriječilo zaustavljanje sidra, potrebno je primijeniti vanjski moment M izvan osovine armature, suprotan momentu M i jednak mu po veličini. Uzimajući u obzir trenje i druge unutarnje gubitke u stroju, vanjski moment bi trebao biti veći od električnog

magnetski moment M koji stvara struja opterećenja generatora. Slijedom toga, da bi nastavio normalan rad generatora, potrebno mu je dopremiti mehaničku energiju izvana - rotirati njegovu armaturu pomoću neke vrste motora 5.

Kada nema opterećenja (s otvorenim vanjskim krugom generatora), generator radi u praznom hodu. U ovom slučaju, potrebna je samo količina mehaničke energije potrebna od dizelskog motora ili turbine za prevladavanje trenja i kompenzaciju ostalih unutarnjih gubitaka energije u generatoru. S povećanjem opterećenja generatora, tj. električne snage P el koju on proizvodi, struja i koja prolazi kroz vodiče armaturnog namota i kočni moment M koji stvara, posljedično, povećavaju se mehanička snaga P mx, koja generator mora primiti od dizela ili turbine da nastavi s normalnim radom.

Dakle, što više električne energije troše, na primjer, elektromotori dizel lokomotive iz generatora lokomotive, to više mehaničke energije uzima od dizel motora koji ga okreće i više goriva mora biti dovedeno u dizel motor.

Iz gore razmotrenih radnih uvjeta električnog generatora slijedi da ga karakteriziraju:

podudarnost u smjeru struje i i e. d. s e u vodičima armaturnog namota; to znači da stroj isporučuje električnu energiju;

pojava elektromagnetskog momenta kočenja M usmjerenog protiv rotacije armature; Iz toga proizlazi potreba da stroj dobiva mehaničku energiju izvana.

Princip rada elektromotora. U principu, elektromotor je konstruiran na isti način kao i generator. Najjednostavniji elektromotor je zavojnica 1 (sl. 67.6), smještena na kotvi 3, koja se okreće u magnetskom polju polova 2. Vodiči zavojnice čine namot armature. Ako zavojnicu spojite na izvor električne energije, na primjer na električnu mrežu 6, tada će kroz svaki njezin vodič teći električna struja i. Ova struja, u interakciji s magnetskim poljem polova, stvara elektromagnetske sile F. Kada je naznačeno na sl. 67, b u smjeru struje, sila F usmjerena udesno djelovat će na vodič koji se nalazi ispod južnog pola, a sila F usmjerena ulijevo će djelovati na vodič koji leži ispod sjevernog pola. Kao rezultat zajedničkog djelovanja ovih sila stvara se elektromagnetski moment M, usmjeren suprotno od kazaljke na satu, uzrokujući rotaciju kotve i vodiča određenom frekvencijom n dizel ili električna lokomotiva, alatni stroj i sl.), tada će elektromotor pokrenuti ovaj uređaj, odnosno dati mu mehaničku energiju. U ovom slučaju, vanjski moment M ext koji stvara ovaj uređaj bit će usmjeren protiv elektromagnetskog momenta M.

Otkrijmo zašto se električna energija troši kada se armatura elektromotora koji radi pod opterećenjem okreće. Kako je utvrđeno, kada se vodiči armature okreću u magnetskom polju, u svakom vodiču se inducira e. d. s, čiji je smjer određen pravilom desne ruke; dakle, s vrijednošću prikazanom na sl. 67, b smjer rotacije e. d.s. e induciran u vodiču koji se nalazi ispod južnog pola bit će usmjeren od nas, a e. d.s. e, induciran u vodiču koji se nalazi ispod sjevernog pola, bit će usmjeren prema nama. Od sl. 67, b jasno je da e. d.s. e, inducirane u svakom vodiču, usmjerene su protiv struje i, tj. sprječavaju njezin prolaz kroz vodiče.

Da bi struja i nastavila teći kroz armaturne vodiče u istom smjeru, odnosno da bi elektromotor nastavio normalno raditi i razvijao potreban moment, potrebno je na te vodiče dovesti vanjski napon U, usmjeren prema e. d.s. i veći po veličini od ukupnog e. d.s. E induciran u svim serijski spojenim vodičima armaturnog namota. Stoga je potrebno električnu energiju elektromotora dovoditi iz mreže.

U nedostatku opterećenja (vanjski moment kočenja na osovini motora), elektromotor troši malu količinu električne energije iz vanjskog izvora (mreže) i kroz njega prolazi mala struja praznog hoda. Ta se energija troši za pokrivanje unutarnjih gubitaka snage u stroju.

Kako se opterećenje povećava, struja koju troši elektromotor i elektromagnetski moment koji razvija rastu. Posljedično, povećanje mehaničke energije koju daje elektromotor kako raste opterećenje automatski uzrokuje povećanje električne energije koju uzima iz izvora.

Iz gore razmotrenih radnih uvjeta elektromotora slijedi da ga karakterizira:

podudarnost smjera elektromagnetskog momenta M i brzine vrtnje n; ovo karakterizira izlaznu mehaničku energiju stroja;

pojava e. u vodičima armaturnog namota. d.s. e, usmjeren protiv struje i i vanjskog napona U. To implicira potrebu da stroj prima električnu energiju izvana.

Princip reverzibilnosti električnih strojeva. Razmatrajući princip rada generatora i elektromotora, ustanovili smo da su konstruirani na isti način i da rad ovih strojeva ima mnogo toga zajedničkog. Proces pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju u generatoru i električne energije u mehaničku energiju u motoru povezan je s indukcijom e. d.s. u vodičima namota armature koji rotiraju u magnetskom polju i nastanku elektromagnetskih sila kao rezultat međudjelovanja magnetskog polja i vodiča sa strujom. Razlika između generatora i elektromotora je samo u relativnom smjeru e. d.s, struja, elektromagnetski moment i brzina vrtnje.

Sumirajući razmatrane procese rada generatora i elektromotora, moguće je utvrditi princip reverzibilnosti električnih strojeva. Prema ovom načelu Svaki električni stroj može raditi i kao generator i kao elektromotor i prebacivati ​​se iz generatorskog u motorni način i obrnuto.

Da pojasnimo ovu situaciju, razmotrimo rad istosmjernog električnog stroja u različitim uvjetima. Ako je vanjski napon U veći od ukupnog e. d.s. G. u svim serijski spojenim vodičima armaturnog namota, tada će struja I teći u smjeru prikazanom na sl. 68, au smjeru će stroj raditi kao elektromotor, trošeći električnu energiju iz mreže i oslobađajući mehaničku energiju. Međutim, ako iz bilo kojeg razloga e. d.s. E postaje veći od vanjskog napona U, tada će struja I u namotu armature promijeniti smjer (slika 68, b) i podudarat će se s e. d.s. E. U tom slučaju će se promijeniti i smjer elektromagnetskog momenta M koji će biti usmjeren protiv brzine rotacije n. d.s. E i struja I znači da je stroj počeo isporučivati ​​električnu energiju mreži, a pojava kočionog elektromagnetskog momenta M ukazuje da mora trošiti mehaničku energiju izvana. Stoga, kada e. d.s. E, induciran u vodičima armaturnog namota, postaje veći od mrežnog napona U, stroj prelazi iz načina rada motora u način rada generatora, tj. kod E< U машина работает двигателем, при Е >U - generator.

Prijelaz električnog stroja iz motornog u generatorski način rada može se izvršiti na razne načine: smanjenjem napona U izvora na koji je spojen armaturni namot ili povećanjem e. d.s. E u namotu armature.

Domaća zadaća c. 15-17, 83-97. c. 308-310 (prikaz, ostalo).

Energija, od grčke riječi energeia - djelatnost ili djelovanje, opća je mjera raznih vrsta kretanja i međudjelovanja.

U prirodnoj znanosti razlikuju se sljedeće vrste energije: mehanička, toplinska, električna, kemijska, magnetska, elektromagnetska, nuklearna, gravitacijska. Moderna znanost ne isključuje postojanje drugih vrsta energije.

Energija je plod ljudske misli, stvorena da opiše razne prirodne pojave.

Energija se mjeri u džulima (J). Za mjerenje toplinske energije koriste se kalorije, 1 cal = 4,18 J, električna energija se mjeri u kW * sat = 3,6 * 10 6 J = 3,6 MJ, mehanička energija se mjeri u kg * m, 1 kg * m = 9,8 J.

Postoje energija makrokozmosa, mikrokozmosa i unutarnja energija.

Kinetička energija– rezultat promjene stanja gibanja materijalnih tijela.

Potencijalna energija– rezultat promjene položaja dijelova danog sustava.

Metode pretvorbe energije:

Zakon održanja energije - energija se ne stvara niti nestaje, ona prelazi iz jednog oblika u drugi. Razlikuju se energija uređenog gibanja (slobodna - mehanička, kemijska, električna, elektromagnetska, nuklearna) i energija kaotičnog gibanja - toplina.

Trenutačno ne postoje načini za izravnu pretvorbu nuklearne energije u električnu i mehaničku; prvo se mora proći kroz fazu pretvaranja energije u toplinsku, a zatim u mehaničku i električnu energiju.

Moderna znanost identificira 4 sile koje određuju cjelokupnu raznolikost svijeta: gravitacijsku, elektromagnetsku i nuklearnu - jaku i slabu. Svaku od ovih sila karakterizira svjetska konstanta:

Sila teže je  g =6*10 -39.

Elektromagnetske sile -  e =1/137.

Jake nuklearne interakcije -  S =1.

Slabe nuklearne interakcije -  w =3*10 -12.

Iz ovih konstanti se dobivaju sve ostale fizikalne konstante.

Prije više od 20 milijardi godina formiran je Svemir, energija “velikog praska” je “rodila” energiju koja je osnova našeg života, “rodila” je Sunce i Zemlju. Energija Sunca dovela je do stvaranja rezervi goriva na Zemlji, zbog čega se vodene i zračne mase na Zemlji stalno kreću. Toplinska energija vruće jezgre Zemlje također je uključena u kruženje tvari i pretvorbu energije.

Od početka svoje povijesti čovječanstvo je nastojalo ovladati energijom za vlastitu korist. Faze "ovladavanja" energijom:

1. snaga životinjskih mišića,

   snaga vjetra, vode,

   energija pare

   struja

   nuklearna elektrana.

U svemiru se procesi pretvorbe energije iz jedne vrste u drugu odvijaju u ogromnim razmjerima. Čovječanstvo je na samom početku puta razumijevanja ovih procesa.

Mehanička energija se pretvara u toplinsku - trenjem, u kemijsku - razaranjem strukture tvari, kompresijom, u električnu energiju - promjenom elektromagnetskog polja generatora.

Toplinska energija se pretvara u kemijsku energiju, u kinetičku energiju gibanja, a ova u mehaničku energiju (turbina), električnu energiju (termo emf)

Kemijska energija može se pretvoriti u mehaničku (eksplozija), toplinsku (toplina reakcije) ili električnu (baterije).

Električna energija se može pretvoriti u mehaničku (elektromotor), kemijsku (elektroliza) i elektromagnetsku (elektromagnet).

Elektromagnetska energija - energija Sunca - u toplinsku (grijanje vode), u električnu (fotoelektrični efekt → solarna energija), u mehaničku (zvonja telefona).

Nuklearna energija → kemijska, toplinska, mehanička (eksplozija), kontrolirana fisija (reaktor) → kemijska + toplinska.

Termodinamička pretvorba energije, s učinkovitošću blizu 100%, je stvarna

V. Mikhailyuk

U procesu pretvaranja kemijske energije goriva u mehaničku energiju strojeva, zagrijavanje radnog fluida (RT), drugim riječima, pumpanje molekula RT. kinetička energija, proizvodi se kako bi se povećao RT tlak. u radnim cilindrima i komorama za izgaranje. Samo razlika tlaka podijeljena klipom (u drugim tipovima motora između komore za izgaranje i ispušne točke ispušnog zraka) dovodi do pojave rezultantnog tlaka usmjerenog prema niskom tlaku. Temperaturne razlike nisu nužan uvjet za rad motora. Sasvim je moguće da motor radi u uvjetima kada je temperatura okolne atmosfere viša od temperature u radnom cilindru. Tijekom radnog ciklusa nema izmjene topline. Sam pojam topline naslijeđe je kalorijske teorije i ne odgovara molekularnoj teoriji plinovitog stanja agregatnog stanja. U radnom ciklusu nikad nije bilo hladnjaka. Hladnjak je samostalni stroj koji služi za regeneraciju i pripremu radne tekućine. Pripremite zalihu radnog fluida dobivenog uz njegovu pomoć i slobodno ga isključite, stroj će raditi. Ali reanimatori "drugog principa" tvrde da hladnija atmosfera igra ulogu hladnjaka. Da biste provjerili besmislenost ove tvrdnje, usmjerite ispušne plinove motora (možete imati vlastiti automobil), redom, u plamen vatre i u Dewarovu tikvicu, na površinu tekućeg dušika. Pobrinuli smo se da nema ovisnosti o temperaturi i potrebe za hladnjakom. Ali, ako zatvorite izlazni kanal (ispušni plin), tada će zbog nestanka pada tlaka doći do gotovo trenutnog zaustavljanja motora; dekompresija dovodi do sličnih posljedica. RT grijanje je metoda oduzimanja energije dobivene kao rezultat kemijske (nuklearne) reakcije goriva, kako bi se dobio visoki RT tlak, te njezino daljnje pretvaranje u mehaničku energiju. Povećavamo RT temperaturu koristeći energiju goriva kako bismo povećali njegov tlak na standardnu ​​razinu. Točno. Na temperaturi od RT 8000K postižemo tlak u radnim cilindrima od 25 MPa. Možemo dobiti RT temperaturu od 8000 K čak i pri tlaku od 0,1 MPa, ali turbine se neće pomaknuti. Gdje je prijenos topline, temelj Carnotovog razmišljanja, na temelju kojeg je zaključio da su termodinamičke transformacije s učinkovitošću nemoguće. blizu 100%? Gdje su hladnjaci bez kojih je pretvorba energije nemoguća? Carnot je slijedio put srednjovjekovnih filozofa, koristeći samo riječ toplina umjesto "kalorijski". Ostalo je sve isto kao i kod njih: termalni rezervoari, toplinski tokovi…. Energetsko stanje molekula koje čine fizički objekt određeno je kinetičkom energijom translacijskih, rotacijskih i vibracijskih gibanja tih molekula. Kvantitativna mjera prosječne kinetičke energije molekula koje čine objekt je njegova temperatura. Jedinstveno određuje energetsko stanje objekata predstavljenih u tekućim i čvrstim fazama materije, koji imaju konstantan volumen. U plinovitom stanju objekt zauzima predviđeni volumen prostora. Stoga se energetsko stanje objekta ne može jednoznačno odrediti samo temperaturom. U ovom slučaju, ukupna unutarnja energija objekta, u kvantitativnom smislu, prvenstveno je određena gustoćom energije ili specifičnom energijom, tj. količina unutarnje energije po jedinici volumena. Temperatura, u ovom slučaju, stječe svojstva kvalitativne karakteristike.

Razmotrimo Clapeyron-Mendelejevu jednadžbu:

PV = m/μ R T, zapišite u obliku: i/2 PV = i/2 m/μ RT;

desna strana ove jednadžbe je unutarnja energija idealnog plina W;

Stoga je W = i/2 PV, odnosno W/V = i/2 P,

ali W/V nije ništa više od unutarnje gustoće energije plina, koju označavamo s W0, tada:

W0 = i/2 P, tj. Unutarnja gustoća energije plina jednaka je tlaku plina pomnoženom s polovicom broja stupnjeva slobode plina i, J/m3 (imajte na umu da kada skratimo s m dobivamo n/m2 ili pascal). Ne može se izravno mjeriti, ali se lako izračunava pomoću tlaka plina. Zato je odlučujući, odnosno jedini čimbenik koji određuje energetsku intenzivnost radnog volumena tlak plina.

Za sve danas poznate toplinske strojeve od lokomotive do rakete (odružit ćemo ih pod nazivom termodinamički pretvarači 1. vrste) karakteristično je da radni fluid tijekom radnog ciklusa prolazi kroz sljedeća 3 stupnja:

R.T. pumpanje unutarnju energiju ili njezino zagrijavanje, kako bi se povećala gustoća energije, tj. povećanje pritiska.

Adijabatsko širenje r.t. uz transformaciju unutarnje energije R.T. u mehaničku energiju strojeva. Klip (ili drugo radno tijelo) koji se kreće sa strane prevladavajućeg tlaka, povećavajući svoju kinetičku energiju od svakog prevladavajućeg sudara RT molekula, sa strane radnog cilindra, znak je transformacije koja se odvija. Tijekom takvih sudara s klipom, molekule H.T dajte mu dio brzine, zamaha, energije, kao rezultat toga oni i sve što radi R.T., naravno, se hlade. Smanjenje sobne temperature a pripadno smanjenje njegove unutarnje energije znak je isto toliko izvršenja mehaničkog rada.

Ispuštanje istrošenog RT provodi se u trenutku koji je proračunao projektant motora, kada, po njegovom mišljenju, daljnja pretvorba energije postaje neisplativa za ovaj dizajn. Do ove točke, gubici energije svih poznatih motora su blizu 0, tj. učinkovitost oko 100%. Tek u trenutku pražnjenja potrošene H.R.T., uz nju se iskorištava energija jednaka razlici energije ispražnjene H.R.T. i njegovu energiju prije početka zagrijavanja.

Nema hladnjaka. Za ponavljanje ciklusa uzimaju se novi dijelovi RT i s njima se izvode iste radnje. I samo ako odlučimo da bi bilo racionalnije regenerirati istrošenu živu u svrhu ponovne uporabe, ispuštamo istrošenu rt. u hladnjaku. Hladnjak je zaseban stroj koji nije izravno povezan s radom motora; njegova je zadaća pripremati temperaturu zraka. za ponovnu upotrebu. Kao što vidimo, logika Carnotovog istraživanja izgrađena je na srednjovjekovnom konceptu prirode fenomena, konceptu topline (kalorične). Dakle, rezultat je da nije ni razumio da se zagrijavanje provodi radi povećanja tlaka. Zaključak o nemogućnosti potpunog pretvaranja energije u koristan rad je nedokazan i apsurdan, ali upravo je ta zabrana etiketa “izumitelja perpetuum mobile stroja”, doduše druge vrste. Unazadio je tehnološki napredak čovječanstva za mnogo godina. S entuzijazmom smo se prihvatili rješavanja problema kontrolirane termonuklearne fuzije, jer je energetski intenzitet termonuklearnog goriva 5 puta veći od nuklearnog goriva, uz istu masu. No zanemarili smo činjenicu da nuklearno gorivo, koje je više od milijun puta energetski intenzivnije od najboljeg kemijskog goriva, nije pobijedilo u konkurenciji, bez ijednog pokušaja da shvatimo razloge za ovaj slučaj koji nije uobičajen. U ultramodernim nuklearnim elektranama iskorištava se 60% energije raspada goriva, a samo 40% se pretvara u električnu energiju, tj. kako je predviđeno. Idući krivim putem koji je naznačio Carnot, optimisti s nadom i ljubavlju gledaju na gejzire i druge tople izvore kao alternativu termoelektranama (naravno, postoji temperaturna razlika koju je Carnot ostavio u nasljeđe). Ali kad bi izmjerili temperaturu pare koja izlazi iz turbina u takozvanoj hladnjači... Mislim da bi krenula potraga za štetočinama. Nuklearne elektrane kod građana izazivaju osjećaj potencijalne opasnosti, unatoč tome što u njima nije moguća nuklearna eksplozija. Njihova stvarna opasnost je u tome što su u slučajevima tehničkih nezgoda moguća istjecanja radioaktivnih tvari, toplinska eksplozija, au slučajevima ispuštanja produkata raspada u atmosferu to može dovesti do radioaktivne kontaminacije područja. Odatle zaključak: nuklearne elektrane moraju biti smještene duboko pod zemljom, u stijenama. Ali to je ometeno potrebom za rashladnim spremnicima, koji apsorbiraju 60% energije izgorjelog goriva.

Suština navedenog je negiranje 2. zakona termodinamike, neprihvatljivost njegovih odredbi i afirmacija drugih zakona koji se javljaju pri termodinamičkoj transformaciji energije. Drugi početak je neprihvatljiv, jer u tvrdnjama navedenim u 2. početku koristi se pojam “toplina”, što je u suprotnosti s općeprihvaćenim modelom molekularne strukture tvari. Energetsko stanje plinovitog tijela određuju dva parametra: temperatura i tlak (gustoća energije). Nositelji te energije su skup molekula koje čine predmet.

Percepcija unutarnje energije kao samostalnog objekta, a ne kao parametara čestica koje ga čine, dovela je do stvaranja pogrešnih teorija s “kalorijskim” i njegovim analogom “toplinom”. S druge strane, “toplina” kao objekt zahtijeva pravilo o mogućim smjerovima kretanja. Za one koji svijet vide kao molekularni, nije potrebno dodatno objašnjenje o tome kamo će težiti višak kinetičke energije molekula u slučajevima njegove neravnomjerne raspodjele u prostoru.

Drugi početak je neprihvatljiv, jer izjavljuje nemogućnost potpunog pretvaranja "topline" u rad zbog obvezne prisutnosti hladnjaka i neizbježnih gubitaka u njemu. Ali elementarni eksperimenti negiraju potrebu za njima u svim fazama radnog ciklusa. Potpunost pretvorbe energije goriva (kemijske, nuklearne) u mehaničku energiju strojeva nema objektivnih ograničenja i ovisi samo o stupnju savršenstva mehanizma pretvorbe.

Najparadoksalnija kontradikcija drugog principa je da je Carnot, pokušavajući potkrijepiti nemogućnost potpune transformacije topline u mehaničku energiju, predstavio svoju poznatu formulu η = (Tn - To) / Tn, koja izravno dokazuje suprotno.

Da bismo to učinili, uzimamo temperaturu grijača jednaku Tn = 8000K (5270C),

a temperatura hladnjaka jednaka je T0 = 40K (temperatura tekućeg helija).

Tada dobivamo η = 0,995.

Hlađenje dostupnijim tekućim dušikom,

dobivamo η = (800 – 77)/800 = 0,904.

U drugom slučaju, učinkovitost je malo dalje od 100%, ali priznajte, 90,4% bi bila senzacija. Dakle, Carnot je taj koji je "otac perpetuum mobile druge vrste". Ali ne biste se trebali zavaravati. Nikada nećete dobiti ovaj rezultat, jer je drugi početak splet kontinuiranih pogrešaka. Da budem iskren, ja sam mnogo ranije razvio teoriju termodinamičkog pretvarača 2. vrste, s učinkovitošću. pretvorbe blizu 100%, temeljene na principima molekularne kinetičke teorije plinova i moderne fizike. Ali to je bilo izvanbračno dijete. Dugo sam uzalud pokušavao dokazati da je drugi princip legalan samo za “lokomotivsku tehniku”, dok nisam otkrio razlog koji me šokirao…. Pokazalo se da se drugi princip temelji na pogrešnim pretpostavkama i izjavama, kao što je gore navedeno. Carnot je čak analizu rada motora zamijenio analizom gibanja klipa u cilindru pod utjecajem zagrijane pare, a zatim ga hlađenjem pare u cilindru vratio u prvobitni položaj, što je u suprotnosti čak i s njim samim. Takvi motori nikada nisu postojali. R.t. ne može se hladiti izvana, u radnom ciklusu.

Bibliografija

Za pripremu ovog rada korišteni su materijali sa stranice http://sciteclibrary.ru/

Energija dobavljena dalekovodima ne koristi se uvijek u svom čistom obliku. Za obavljanje određenih zadataka transformira se električnim uređajima koji mijenjaju jedan ili više parametara - vrstu napona, frekvenciju i druge.

Pretvarači električne energije: podjela

Ovi uređaji su klasificirani prema nekoliko kriterija:

1. Vrsta transformacije.
2. Vrsta konstrukcije.
3. Upravljivost.

Parametri koji se mijenjaju

Sljedeći parametri podložni su transformaciji:

1. Vrsta napona - od izmjeničnog do izravnog i obrnuto.
2. Amplitudne vrijednosti struje i napona.
3. Frekvencija.

Vrste struktura

Ovi uređaji se dijele na električne i poluvodičke uređaje.

Električni stroj (rotacijski) strojevi sastoje se od dva stroja, jedan je pogonski, a drugi pokretački. Na primjer, za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu struju koriste se AC indukcijski motor (pokretač) i DC generator (izvođač). Nedostatak su im velike dimenzije i težina. Osim toga, ukupna učinkovitost tehnološke kombinacije niža je od učinkovitosti jednog električnog stroja.

Poluvodički (statički) pretvarači izgrađeni su na temelju električnih krugova koji se sastoje od poluvodičkih ili lampskih elemenata. Njihova učinkovitost je veća, veličina i težina su im male, ali je kvaliteta izlazne električne energije niska.

Upravljani i neupravljani

Ako je veličina promjene parametra električne energije fiksna, tada se koristi nekontrolirani pretvarač. Takvi se uređaji koriste u prvim fazama napajanja. Primjer je energetski transformator koji smanjuje mrežni napon s 220 na 12 volti.

Pretvarači s promjenjivim parametrima su aktuatori u upravljanim električnim krugovima. Na primjer, promjenom frekvencije napona napajanja, kontrolira se brzina vrtnje asinkronih motora.

Pretvarači električne energije: primjeri uređaja

Pretvarači mogu obavljati jednu ili više funkcija.

Promjena vrste napona

Oni uređaji koji pretvaraju izmjeničnu struju u istosmjernu nazivaju se ispravljači. Oni koji djeluju obrnuto su inverteri.

Ako se radi o uređaju električnog stroja, tada se ispravljač sastoji od asinkronog motora izmjenične struje koji okreće rotor istosmjernog generatora. Ulazni i izlazni vodovi nemaju električni kontakt.

Najčešći tip kruga statičkog ispravljača je diodni most. Sadrži četiri elementa (diode) s jednosmjernom vodljivošću, međusobno spojena. Nakon toga mora se ugraditi elektrolitički kondenzator koji izglađuje pulsirajući napon.

Postoji hibridni dizajn koji kombinira električni stroj i statičke ispravljače. Ovo je automobilski generator, koji je stroj izmjenične struje, čiji su namoti statora spojeni na ispravljački most s kondenzatorom.

Inverterski krugovi koriste se za pokretanje generatora kontinuiranih oscilacija (multivibratora), izgrađenog na tiristorima ili tranzistorima. Oni su osnova pretvarača frekvencije.

Promjena vrijednosti amplitude

To su sve vrste transformatora - step-down, step-up, balast.

Upravljani transformatori nazivaju se reostati. Ako su spojeni paralelno s izvorom električne energije, mijenjaju napon. U seriji - struja.

Za apsorbiranje topline koja nastaje tijekom rada snažnih visokonaponskih mrežnih transformatora koriste se sustavi tekućeg (uljnog) hlađenja.

Promjena frekvencije

Frekvencijski pretvarači mogu biti električni (rotacijski) ili statički.

Pokretač rotacijskih pretvarača frekvencije je visokofrekventni asinkroni trofazni generator. Njegov rotor vrti elektromotor istosmjerne ili izmjenične struje. Poput rotacijskog ispravljača, njegovi ulazni i izlazni vodovi nemaju električni kontakt.

Inverterski krugovi koji se koriste u statičkim pretvaračima frekvencije su kontrolirani ili nekontrolirani. Povećanje frekvencije omogućuje smanjenje veličine uređaja. Transformator s radnom frekvencijom od 400 Hz osam je puta manji od onog koji radi na 50 Hz. Ovo se svojstvo koristi za izradu kompaktnih pretvarača za zavarivanje.