Физическими источниками электрической энергии называют устройства. Источники электрической энергии. Внешняя характеристика. Физические источники тока
В цепях переменного тока, также как в цепях постоянного, должны действовать источники электрической энергии. Отличие этих источников заключается лишь в том, что создаваемые ими ЭДС или токи являются синусоидальными функциями времени.
Источники делятся на идеальные и реальные . У идеальных источников отсутствует внутреннее сопротивление или проводимость. Создаваемые ими ЭДС или ток определяются только параметрами источника. В электрической цепи с идеальными источниками величина тока через источник ЭДС или напряжение на источнике тока определяются нагрузкой .
Ветер очень изменчив, как географически, так и временно, под влиянием различных аспектов, которые влияют на его интенсивность, направление и направление, такие как условия почвы и рельефа, наличие препятствий и другие. Есть много разных климатических регионов по всему миру, некоторые с большим присутствием ветра, чем другие. Эти различия во многом определяются широтой, которая влияет на количество солнечного света. В любом климатическом регионе существуют большие различия в меньших масштабах, определяемые физической географией - например, отношение земли к морю, размер земельных массивов и наличие гор или равнин.
На электрических схемах они изображаются точно также как источники постоянного тока, но стрелки в условном обозначении указывают направление принятое за положительное.
Реальные источники электрической энергии имеют внутреннее сопротивление Z или проводимость Y (рис. 1). Однако на переменном токе эти величины в общем случае являются комплексными .
Вегетационный тип также может оказывать существенное влияние на его влияние на поглощение и отражение солнечной радиации, что влияет на температуру поверхности. Локально топография оказывает большое влияние на климат ветра. Холмы и горы приводят к местным регионам с повышенной скоростью ветра. Это отчасти является результатом высоты, поскольку скорость ветра обычно увеличивается с высоты над землей, а горы и холмы могут прогнозировать скорость ветра до более высоких слоев. А также, частично, результат ускорения ветрового потока на и вокруг холмов и гор, и направляется через проходы или вдоль долин, выровненных с потоком.
Также как на постоянном токе, реальный источник может быть представлен двумя эквивалентными схемами с источником ЭДС или с источником тока. Внутреннее сопротивление, проводимость и параметры источников связаны между собой отношениями
формально идентичными соответствующим выражениям для источников постоянного тока. ЭДС и ток внутренних источников соответствуют напряжению на выходе в режиме холостого хода и току в режиме короткого замыкания.
Точно так же топография может также создавать участки со сниженной скоростью ветра, например, в долинах, или уменьшаться с помощью таких барьеров, как деревья или здания. Поток воздуха на земную поверхность моделируется рельефом и наличием препятствия, которое также создает турбулентность в потоке. Шероховатость поверхности - это физическое свойство, которое описывает действие земной поверхности в уменьшении импульса и поглощении воздействия ветров.
Нарушение движения воздуха будет больше в зависимости от сложности рельефа и высоты его компонентов. В результате скорость ветра не будет равномерно вертикальной, создавая профиль с меньшими значениями, близкими к земле, которые увеличиваются, поскольку они считаются более крупными.
Для источников переменного тока невозможно построить вольтамперную характеристику. Ее роль играет внешняя характеристика , т.е зависимость действующего значения напряжения на выходе источника от величины действующего значения тока в нагрузке, при постоянном значении угла сдвига фаз в нагрузке j н .
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из реального источника и нагрузки общего вида (рис. 2). Ток в нагрузке по закону Ома можно определить из выражения
Ветер в нескольких километрах от поверхности, на который теоретически не влияет поверхностное трение, называется геострофическим ветром. А представляет собой вертикальный профиль скорости ветра от поверхности до высоты геострофического ветра. В поверхностном слое, представляющем интерес для ветряных турбин, топография местности и шероховатость почвы сильно обусловливают профиль скорости ветра, который может быть представлен логарифмическим законом Прандтля, представленным в уравнении.
Физические источники тока
Его следует рассматривать как временный параметр, поскольку он напрямую связан с естественными изменениями ландшафта. Энергия ветра для выработки электроэнергии. Энергия, содержащаяся в ветре, может быть использована для выработки электроэнергии. Система ветра может использоваться в изолированных системах, гибридных системах или системах, подключенных к сетке. Гибридные системы представляют собой, помимо прочего, использование более чем одного источника, связанного с генерацией электрической энергии, таких как ветряные турбины и фотоэлектрические модули, дизельные генераторы.
Отсюда, падение напряжения в нагрузке
где 
- комплексное относительное сопротивление нагрузки
.
Падение напряжения в нагрузке можно представить в относительных единицах, если выбрать в качестве базовой величины ЭДС источника. Тогда комплексное относительное напряжение в нагрузке из выражения (3) будет -
Изолированные системы имеют небольшие размеры, используемые для обеспечения определенных регионов, в сельских районах, на фермах или в жилых домах. Системы, подключенные к сетке, такие как ветряные электростанции, соответствуют системам, где все поколение доставляется непосредственно в сеть.
Кроме того, ветровые генераторы могут быть расположены в море, где их называют оффшорными. Устройство для получения электричества от ветра называется ветряной турбиной. Согласно аспектам, связанным с проектом строительства, ветровые турбины можно классифицировать в соответствии с положением оси вращения ветрового ротора. На фиг. 3 показаны ветровые устройства, имеющие вертикальную ось вращения и оси с горизонтальной осью вращения.
Ток в цепи также можно представить в относительных единицах, если в качестве базовой величины выбрать ток короткого замыкания источника I кз =E /Z s . Отсюда комплексный относительный ток -
Модуль комплексного относительного тока или просто относительный ток можно получить, определив модуль знаменателя выражения (5) из выражения для комплексного относительного сопротивления, в виде
Преобразователи мощности ветра, которые имеют свои оси вращения в горизонтальном положении, соответствуют основному принципу проектирования в ветроэнергетической технологии сегодня. Показаны основные компоненты этого оборудования. Преимущества этой конструкции связаны с тем, что использование моделей пропеллеров, скорости ротора и выходной мощности можно контролировать с помощью системы лопастей ротора на ее продольной оси. Кроме того, форма лопасти ротора может быть оптимизирована аэродинамически для большей эффективности.
Роторные лопасти в идеале должны иметь низкий вес, высокую прочность и хорошую аэродинамику. Эти компоненты прикреплены к ступице, которая передает аэродинамические силы, падающие на лопасти в форме крутящего момента на вал ротора. Подавляющее большинство действующих в настоящее время турбин состоит из трех лопастей. Энергия, поглощенная ветром, примерно на 3-5% выше при движении от двух до трех лопастей, но этот процент уменьшается по мере увеличения числа лопастей. Это связано с большей стабильностью и аэродинамикой, обеспечиваемой трехлопастной конструкцией.
Из выражения (2) с учетом (6) относительное напряжение в нагрузке будет
Выражения (6) и (7) позволяют построить внешнюю характеристику источника электрической энергии в относительных единицах, если в них принять в качестве переменной модуль комплексного относительного сопротивления нагрузки z , при условии постоянства его аргумента d .
Коробка умножителя используется, когда необходимо увеличить полученную частоту, которая должна быть передана на электрический генератор. Электрический генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Башня необходима для подъема других компонентов ветровой турбины до высоты, достаточной для получения ветра с наивысшим потенциалом. Современные башни могут достигать десятков метров. Структура должна выдерживать значительные нагрузки и выдерживать постоянное воздействие естественных условий участка на протяжении всего срока службы, который, по оценкам, составляет около двадцати лет.
Внешние характеристики для относительного сопротивления нагрузки, изменяющегося в пределах 0 < z <µ , при четырех значениях разности углов j нагрузки и внутреннего сопротивления источника построены на рис. 3. Использование относительных единиц позволяет анализировать закономерности функций безотносительно конкретных значений параметров. Любой источник электрической энергии в режиме холостого хода имеет выходное напряжение равное ЭДС внутреннего источника, а в режиме короткого замыкания, ток на выходе равен току внутреннего источника тока. Любой реальный источник обладает также конечным значением внутреннего сопротивления, что позволяет соотнести его с сопротивлением нагрузки и получить для нагрузочного сопротивления, изменяющегося в диапазоне от нуля до бесконечности, изменение относительного сопротивления z в том же диапазоне. Поэтому выбор указанных значений в качестве базовых для относительных единиц позволяет распространить выводы из анализа внешних характеристик на любой реальный источник при всех возможных вариантах нагрузки.
Согласно принципу энергосбережения, учитывая некоторые потери между процессами, в основном ветряная турбина преобразует энергию из двух процессов. Первоначально кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию, а затем в электрическую энергию, которая будет распределена по электрической сети. Эти процессы показаны на рис.
Ветер поражает лопасти ротора, которые двигаются. Это движение переносится в систему передач, которые умножают частоту вращения ротора. Эта скорость передается на электрический генератор, ответственный за производство электричества через явление электромагнитной индукции. В зависимости от технологии, используемой ветряной турбиной, механический множитель и электронный преобразователь не требуются.
Из выражений (6) и (7) следует, что при определенных условиях относительное напряжение нагрузки и ток могут иметь значение больше единицы. Это означает, что в нагрузке может протекать ток больше тока короткого замыкания источника и существовать напряжение больше ЭДС источника . Определим эти условия.
Для относительного тока i условие i > 1.0 сводится к условию 
, а для относительного напряжения u - к условию - 
. Отсюда для тока и напряжения получим соответственно условия
Трансмиссия и коробка передач. Передача, которая включает в себя коробку передач, предназначена для передачи механической энергии, подаваемой валом ротора в генератор. Коробка передач предназначена для адаптации между низкой частотой ротора и высокой частотой генератора. Следовательно, частотный ящик обычно размещается в таких случаях между осью ротора и осью генератора.
Источник тока и его основные характеристики
Коробка передач состоит из осей, подшипников, трансмиссионных передач и муфт. Коробка мультипликатора, как описано, представляет собой более сложную систему, однако простота системы иллюстрирует существующее частотное соотношение между передачами разных диаметров. Объединяя шестерни с различными характеристиками, можно передавать движения, увеличивать или уменьшать силы.
Так как 0 < z <µ , то соотношения (8) и (9) будут выполняться только для |d | >p /2 , если же это условие выполнено, то всегда найдутся такие значения z , при которых эти выражения будут справедливыми . Это означает, что внешняя характеристика будет иметь участки, на которых напряжение в нагрузке превышает ЭДС источника и ток в нагрузке превышает ток короткого замыкания.
Основываясь на формуле, делается вывод, что для увеличения частоты шкива и, следовательно, угловой скорости необходимо, чтобы перемещенный шкив, который обеспечивает движение, имеет радиус больше, чем моторный шкив, который принимает движение. Передачи, соединенные цепью, вращаются в одном направлении и при прямом контакте вращаются в противоположных направлениях.
В ветряных турбинах этот принцип используется в больших масштабах, создавая шестерни различных размеров и форм в соответствии с требуемой мощностью, как показано на рис. Основной принцип работы генератора состоит из турбины, которая производит вращательное движение в повороте. Эта петля вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению силовых линий магнитного поля, которые могут генерироваться магнитами или катушками. Это приводит к тому, что поток магнитного поля через петлю изменяется со временем, а затем создается электродвижущая сила, вызванная ЭДС.
Аргумент комплексного относительного сопротивления d представляет разность j н -j s Но т.к. обе величины по абсолютному значению меньше p /2, то условие |d | > p /2 может быть выполнено только, если реактивные составляющие комплексных сопротивлений нагрузки и источника имеют противоположные знаки.
Таким образом, из выражений (8) и (9) можно определить диапазоны относительных сопротивлений, при которых относительный ток и напряжение будут больше единицы в виде
Как устроен обычный генератор?
Таким образом, электродвижущая сила возникает в результате относительного движения между контуром и магнитным полем. А представляет собой основной принцип этого оборудования. В зависимости от положения петли интенсивность тока изменяется, когда направление тока меняется на противоположное, что приводит к переменному току.
Анализируя уравнение, можно сделать вывод, что магнитный поток будет максимальным, если косинус угла равен 0º, а петля находится в горизонтальном положении, где линии магнитного поля не пересекают ее, и будет минимальным, если косинус угла равен 90º, в случае, если петля является вертикальной, где полевые линии пересекают всю ее площадь. Предполагая, что магнитный поток через замкнутый контур претерпел изменение Δφ за временной интервал, это вызовет индуцированный ток в этой цепи.
Если z одновременно находится в диапазонах, определяемых выражениями (10) и (11), то внешняя характеристика имеет участок, на котором обе относительные величины (ток и напряжение) больше единицы. Для этого границы обоих диапазонов должны перекрываться. Определим значение d, для предельного состояния, когда границы диапазонов совпадают, т.е. 2cosd = 1/(2cosd). Отсюда d = 3p /2.
Наведенная э.д.с. прямо пропорциональна скорости изменения потока, поэтому для увеличения своего «пика» необходимо увеличить эту вариацию. Это будет возможно за счет увеличения скорости вращения петли. Кроме того, согласно закону Фарадея-Неймана-Ленца, направление индуцированного электрического тока таково, что создаваемый им эффект противодействует эффекту, который его породил.
Величина тока, индуцированного в петле, зависит от относительной скорости между магнитным полем и проводником. Отсюда можно сделать вывод, что мощность, создаваемая ветряной турбиной, в дополнение к другим факторам зависит от вращения этой обмотки. Увеличение вращения приводит к увеличению мощности, но только в определенной степени. Это происходит потому, что если вращение очень интенсивное, существует трудность прохождения ветра через турбину, подразумевая, что даже увеличение вращения, мощность уменьшается после определенной скорости.
Рассмотрим вопрос о полной или кажущейся мощности в нагрузке. Эта величина не имеет такого физического смысла как активная и реактивная мощность, но с ее помощью можно оценить предельно возможную мощность устройства. Полная мощность представляет собой произведение тока и напряжения, поэтому из выражений (6) и(7) ее можно записать в относительных единицах в виде
Поведение системы генератор-турбина будет определяться соотношением между скоростью ветра и мощностью, подаваемой ветровой турбиной, которая известна как характеристическая кривая мощности или характеристикой ветра, и теоретически может быть получена точками пересечения ветровой турбины. А представляет собой характеристическую кривую электрического генератора для разных частот и характеристических кривых ветряной турбины при разных скоростях ветра, действующих для некоторых ветротурбинных топологий.
Энергия и энергия, извлеченные из ветра. Из уравнения видно, что мощность, доступная на ветру, пропорциональна кубу скорости ветра. Эта информация говорит нам, что мощность сильно зависит от скорости ветра. Если эта величина удваивается, это приведет к восьмикратному увеличению мощности. Поэтому для использования энергии ветра необходимо, чтобы существовал постоянный и достаточно сильный поток ветра.
Проверим выражение (12) на наличие экстремума. Для этого возьмем производную ds /dz и приравняем ее нулю. Экстремум существует, является максимумом и соответствует z = 1.0 . Подставив это значение относительного сопротивления в (7), получим уравнение геометрического места точек экстремума на плоскости внешней характеристики - u = i , т.е. все точки максимальной полной мощности располагаются на линии, проходящей через начало координат под углом 45° .
Значение максимальной полной мощности из (12) получается подстановкой z = 1.0 -
Из выражения (13) следует, что максимальная полная мощность минимальна и равна 1/4, когда аргументы комплексных сопротивлений нагрузки и источника одинаковы. По мере роста разности j н -js мощность быстро растет и стремится к бесконечности, когда j н = -js = ± p /2. Физически это объясняется тем, что в этих условиях Z s +Z н = 0 и ток возрастает до бесконечно большого значения (см. выражение (2)). Реально такой режим в системе источник-нагрузка невозможен, однако на практике относительная полная мощность может быть существенно больше единицы.
Из проведенного анализа внешних характеристик реальных источников электрической энергии можно сделать следующие выводы:
- внешние характеристики источника переменного тока в общем случае нелинейны ; исключением является характеристика, соответствующая равенству аргументов комплексного сопротивления нагрузки j н и внутреннего комплексного сопротивления источника j s (d =0);
- если реактивные составляющие комплексного сопротивления нагрузки и комплексного сопротивления источника питания различны по характеру, то в системе источник-нагрузка возможны режимы, когда напряжение на нагрузке превышает ЭДС источника и ток нагрузки превышает ток короткого замыкания ;
- если |j н - j s | > p /2, то существуют диапазоны нагрузок, в пределах которых падение напряжения на нагрузке превышает ЭДС источника или ток в нагрузке превышает ток короткого замыкания ;
- если |j н -js | > 3p /2, то существует диапазон нагрузок, в пределах которого одновременно падение напряжения на нагрузке превышает ЭДС источника и ток в нагрузке превышает ток короткого замыкания ;
- максимальная полная мощность в нагрузке соответствует условию равенства модуля ее комплексного сопротивления модулю внутреннего сопротивления источника;
- значение максимальной полной мощности определяется только разностью |j н -js |.
Источники электрической энергии.
Одной из основных характеристик источников электрической энергии является ЭДС. Количественно ЭДС характеризуется работой А, которая совершается при перемещении заряда в 1 Кл в пределах источника
(1.1)
Графически ЭДС изображают стрелкой в кружке. Направление стрелки совпадает с направлением ЭДС.
Перемещение заряда определяет ток источника. Прохождение тока сопровождается потерями на нагрев источника. Количественно потери удобно определять внутренним сопротивлением Rвн. Поэтому условное графическое обозначение источника ЭДС представляет последовательное включение ЭДС Е и внутреннего сопротивления Rвн (рис. 1.4).
|
Символами 1 - 1’ обозначены зажимы источника. Разность потенциалов на зажимах источника называется напряжением U[B]. Стрелками показаны положительные направления тока и напряжения. Когда ключ К разомкнут, ток в цепи равен нулю и напряжение на зажимах источника равно ЭДС. Замкнем ключ К. В цепи возникнет ток
(1.2)
При этом напряжение на зажимах источника будет равно
(1.3)
Зависимость напряжения U на зажимах источника от тока I изображена на рис. 1.5а.
г Рис.1.5
Если у источника ЭДС Rвн = 0, то вольтамперная характеристика его будет в виде прямой рис. 1.5б. Такой источник называют идеальным. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока.
Если у некоторого источника увеличивать Е и Rвн до бесконечности, то его вольтамперная характеристика примет вид рис. 1.5в. Такой источник питания называют источником тока. Ток источника
(1.4)
е зависит от сопротивления нагрузки. Реальный источник тока имеет конечные значения Е и Rвн, а его условное графическое обозначение приведено на рис. 1.5г.
При расчете электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечными Е и Rвн заменяют источником ЭДС или источником тока (рис. 1.6а,б).
Рис.1.6
Ток в нагрузке Rн одинаков и равен
Для схемы рис. 1.6а это очевидно и следует из того, что Rвн и Rн включены последовательно. Для схемы рис. 1.6 б известно, что ток Iт = Е/Rвн, распределяется обратно пропорционально параллельно включенным Rвн и Rн, т.е.
=
Каким из двух источников воспользоваться выбирает инженер.
Пример: В схеме рис.16а источник ЭДС имеет параметры Е = 100В, Rвн = 26м. Определить параметры эквивалентного источника тока в схеме рис. 1.6б.
Решение:
Следовательно параметры эквивалентной схемы рис. 1.6б имеют значение:
Iт = 50А; Rвн = 20 м.
Источники питания могут иметь постоянную ЭДС - Е или переменную е(t) , изменяющуюся во времени по заданному закону. В первом случае в цепи протекает постоянный ток и она называется цепью постоянного тока. Во втором случае ток i(t) и напряжение u(t) переменные, поэтому цепь называется цепью переменного тока. В электротехнике чаще других применяется синусоидальные ток и напряжение.