Закон электромагнитной индукции.

Непрерывно движущиеся заряженные частицы материи окружены электромагнитным полем, которое является особы видом материи и имеет две составляющие: электрическое и магнитное поля. Количественная взаимосвязь этих составляющих была найдена в 1831 г М.Фарадеем в результате серии опытов. Согласно закона электромагнитной индукции в контуре электрической цепи (рисунок 1.2), пронизанном магнитными силовыми линиями потока Ф наводится э.д.с., определяемая скоростью изменения потока

/

 

Рисунок 1.2. Е.д.с. в контуре

Однако приведенное выражение можно применить и к отрезку контура. Рассмотрим прямолинейный отрезок проводника длиною L, который перемещается со скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В (рисунок 1.3). За время dt проводник пересечет площадку, равную Lvdt, определяющую изменение потока на величину

.

Рисунок 1.3. Правило правой руки

Направление э.д.с., которая равна е=ВLv, можноопределить по правилу правой руки, расположив ладонь так, чтобы в нее входили силовые линии, а отогнутый большой палец направить по направлению движения проводника. При этом вытянутые пальцы ладони покажут направление э.д.с., которая стремится вызвать ток, препятствующий изменению магнитного потока.

1.3. Развитие электроэнергетического образования в России

Началом истории электроэнергетического образования в России условно можно считать выход в 1897 году первой книги «Электричество, получение его и применение в промышленности и ремёслах» в виде Т-2 Общедоступной промышленной энциклопедии (перевод с немецкого). В начале прошлого века подготовка инженеров-энергетиков проводилась в нескольких вузах России в небольшом количестве. Например, в Московском высшем техническом училище с момента открытия в 1905 году электротехнической специальности до 1917 года было подготовлено всего 74 инженера-электрика. В 1905 г в МВТУ впервые был подготовлен и прочитан Карлом Адольфовичем Кругом курс лекций «Теория переменных токов». В 1909 г. в Петербургском политехническом институте Владимир Фёдорович Миткевич подготовил курс «Теория электрических и магнитных явлений». Эти два курса послужили основой будущих теоретических основ электротехники и двух электротехнических школ: Московской и Петербургской. В 1918 году в МВТУ был организован электротехнический факультет.

После принятия в декабре 1920 года плана ГОЭЛРО значительно возрастает потребность в специалистах для развивающейся энергетики страны. Подготовка инженеров-энергетиков начинается в Политехническом и Электротехническом институтах Петрограда и на открывшихся электротехнических факультетах в Томском, Харьковском, Киевском и Новочеркасском институтах.

В 1930 году в Москве на базе электротехнического факультета МВТУ и электропромышленного факультета института народного хозяйства открывается Московский энергетический институт. Одной из первых в МЭИ формируется кафедра Теоретических основ электротехники (ТОЭ), которой с 1930 по 1952 г. заведует К.А. Круг. В 1932 г. в МЭИ создаётся электроэнергетический факультет с кафедрами «Электрические станции», «Электрические сети и системы», «Техника высоких напряжений». В 1943 г. на факультете открывается кафедра «Релейная защита и автоматизация энергетических систем».

В последствии были созданы Ивановский и Новосибирский энергетические институты, а в 1975 году энергетический институт в г. Алма-Ата.

В послевоенные годы электроэнергетические специальности открываются в ряде новых высших учебных заведений Советского Союза, в том числе и в Челябинском политехническом институте, который возник в 1951 г. в результате преобразования механико-машиностроительного института, образованного в декабре 1943 года.

Первый набор на энергетический факультет был проведен в августе 1951 г. по специальностям: «Электрические станции сети и системы» и «Электрификация промышленности». В начале 1954 года на факультете открывается кафедра «Электрические станции, сети и системы», а в июне 1956 года состоялся первый выпуск инженеров-электриков по специальности «Электрические станции, сети и системы».

С 2011 года высшая школа России перешла на трехуровневую систему образования. В соответствии с постановлением правительства определены направления подготовки и разработаны Федеральные Государственные Образовательные Стандарты. Эти документы направлены на революционные изменениям целевой установки всей системы образования - переход от знаний к компетентности. В качестве результата рассматривается не сума усвоенной информации, а способность выпускника действовать в различных ситуациях при выполнении профессиональных функций, решении жизненных проблем и социальных задач.

По мнению реформаторов существующая система образования, ориентированная на инструкции и предметные знания, в некоторой степени показала свою неспособность в подготовке студентов к самостоятельным действиям, к проявлению их интеллектуальных и практических компетенций.

Компетенция рассматривается как возможность установления связи между знанием и ситуацией, как способность найти процедуру, подходящую для решения проблем. Компетенция является характеристикой, которую можно извлечь на основе полученных знаний из наблюдений за действием или из совершения этих действий. Компетенция – интегральная характеристика обучающегося, т.е. динамичная совокупность знаний, умений, навыков, способностей и личностных качеств, которую студент обязан продемонстрировать после завершения части или всей образовательной программы.

Подготовка бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» со специализаций по профилям «Системы генерации электрической энергии», «Интеллектуальные электроэнергетические системы и сети» и «Интегрированные системы релейной защиты и автоматики» осуществляется на кафедре ЭССиС. Энергетические системы сегодня это сложнейшие технические системы, созданные человеком. Понять суть процессов, которые происходят в этих системах и их объектах, и использовать эти понятия при проектировании и эксплуатации можно только путем изучения различных дисциплин, объединяемых в энергетическую науку.

Энергетическая наука – это система знаний о свойствах и взаимодействии энергетических потоков, влиянии их на человеческое общество и окружающую среду. Энергетическая наука занимается изучением закономерностей в процессах и явлениях, связанных с получением энергоресурсов и созданием установок для выработки, преобразования, передачи и распределения энергии. Она тесно связана с электро-, тепло-, гидротехническими дисциплинами и требует глубоких знаний в области математики, физики, автоматики и кибернетики, а также экономики.

Освоение энергетической науки – главная цель подготовки бакалавров и магистров в высшем учебном заведении. Основные требования к объему знаний, умений и навыков по специальности определяются государственным образовательным стандартом. В соответствии с ФГОС формируются учебные планы и список дисциплин, которые должны быть освоены за время обучения в вузе.

Большое место в учебных планах отводится специальным дисциплинам, среди которых: Релейная защита и автоматизация, Энергетическая электроника, Переходные процессы в электроэнергетических системах, Микропроцессорные средства управления, Экономика и организация энергетического производства, Системы с силовыми полупроводниковыми преобразователями, Надежность электроэнергетических систем, САПР и модели оптимального развития, Изоляция и перенапряжения и др.

Среди дисциплин специализации изучаются: Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения, Электроэнергетические сети и системы, Эксплуатация электрических сетей, АСДУ и оптимизация режимов энергосистем, Алгоритмизация задач электроэнергетики и др.

Кафедра располагает современным учебным оборудованием и развитой лабораторной базой.

 

В лаборатории диспетчерского управления

Энергия, единицы измерения

С понятием энергия человек сталкивается постоянно и подчас не задумывается о глубоком смысле и широте его. Энергия определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В соответствии с разнообразием форм движения и различают механическую, тепловую, электрическую, ядерную, химическую и другие виды энергии.

В соответствии с законом сохранения, открытым М.В. Ломоносовым, энергия не теряется, а сохраняется и преобразуется в другие виды энергии.

Поэтому энергия является тем стержнем, который связывает воедино все процессы и явления материального мира. Для объектов энергетики энергетический анализ является основным инструментом исследования процессов преобразования энергии с проверкой на каждом этапе технологического процесса выполнения условия баланса энергии. В процессе преобразования часть энергии может изменять свой вид, что часто усложняет количественный учет и проверку баланса.

Именно потребности измерений энергии на заре развития электротехники стимулировали активное обсуждение на международных выставках 1851 года в Лондоне и 1855 года в Париже необходимости введения единой системы мер и весов. На I Международном конгрессе электриков, состоявшемся в 1881 году, был предложен проект полной системы единиц СГС, в основу которой были положены сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Но применение этой системы в инженерных расчетах создавало определенные трудности из-за малости основных единиц. В 1918 году во Франции, а в 1927 году и в СССР была принята система единиц МТС на основе метра, тонны и секунды. Однако и она оказалась неудобной, но уже из-за другой крайности.

В октябре 1960 года XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект единой системы единиц, над которым специальная комиссия работала с 1954 года. Эта система стала известна под наименованием Международная система единиц СИ. В 1961 году в СССР был утвержден ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех областях науки, техники, образования и народного хозяйства.

Основными единицами СИ являются семь следующих единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, температуры – кельвин, количества вещества – моль, силы света – кандела.

Кроме основных единиц в состав СИ вводится большое число производных величин, определяемых по отраслям науки и техники. Ниже в табл. 3 приведены производные единицы СИ, которые применяются в электротехнике.

Таким образом, несмотря на разнообразие видов энергии все они измеряются в джоулях. Для механической работы, например, один джоуль определяется работой, выполненной единицей силы на пути в один метр, т.е. 1Дж=1Н·1м.

 

Производные единицы системы СИ Таблица 3

Величина	Наименование единицы	Обозначение единицы	Выражение через удобные единицы	Выражение через основные единицы
Частота	герц	Гц	–	с-1
Сила	ньютон	Н	–	м кг с-2
Давление	паскаль	Па	Н/м2	м-1 кг с-2
Энергия, работа	джоуль	Дж	Н м	м2 кг с-2
Мощность	ватт	Вт	Дж/с	м2 кг с-3
Количество электричества	кулон	Кл	–	с А
Электрическое напряжение	вольт	В	Вт/А	м2 кг с-3А-1
Электрическая емкость	фарада	Ф	Кл/В	м-2 кг-1 с4 А2
Электрическое сопротивление	ом	Ом	В/А	м2 кг с-3 А-2
Электрическая проводимость	сименс	См	А/В	м-2 кг-1 с3 А2
Поток магнитной индукции	вебер	Вб	В · с	м2 кг с-2 А-1
Магнитная индукция	тесла	Тл	Вб/м2	кг с-2 А-1
Индуктивность	генри	Гн	Вб/А	м2 кг с-2 А-2

 

Наряду с единицами системы СИ и их производными в специальных областях, в том числе и в энергетике, допускается применение единиц измерения из других систем и даже внесистемных единиц. Так, например, в энергетике для измерения тепловой энергии часто используется калория, имеющая простой физический смысл: за 1 калорию принимается такое количество теплоты, которое повышает температуру 1 грамма воды на 1 градус. Эта единица может рассматриваться как теплоемкость воды, равная 1 кал/(г · град). Из физики известно соотношение калории и джоуля

1 кал=4,187 Дж.

Для измерения электрической энергии повсеместно используется внесистемная единица кВт · ч. Соотношение между кВт·ч и джоулем можно получить используя системную единицу мощности – 1 Ватт:

1 кВт·ч = 10³ Вт ·3600 с =3,6 ·10⁶ Дж.

Учитывая предыдущее соотношение можно определить связь между единицами измерения электрической и тепловой энергии

1 кВт·ч = 3,6·10⁶/4187=860 ккал.

Для измерения больших объемов энергии, имеющих промышленное значение, а также больших и малых значений других физических величин используются приставки кратных и дольных единиц, основные из которых с шагом 1000 перечислены в табл. 4.

 

Приставки кратных и дольных единиц Таблица 4

Приставка	Множитель	Сокращение
русское	международное
тера	1012	Т	T
гига	109	Г	G
мега	106	М	M
кило	103	к	k
милли	10-3	м	m
микро	10-6	мк	µ
нано	10-9	н	n
пико	10-12	п	p

 

Применение полученных представлений об энергии и единицах измерения позволяет решать некоторые практические задачи по оценке важнейших технико-экономических показателей, которые характеризуют процессы получения и преобразования энергии с использованием в качестве первичных энергоресурсов органического топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.

При решении задач будет использоваться понятие коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной энергии к полной затраченной, и удельного расхода топлива, т.е. расходуемого на единицу полезно отпущенной энергии.

Задача № 2.1.

Сколько воды можно нагреть от температуры t_o=20 ⁰C до кипения на электроплите при расходе электроэнергии W= 1 кВт·ч, если установка работает с КПД 0=50 %.

Решение

Определим общую энергию в ккал, которая поступает в систему нагрева воды из электрической сети

Q=1кВт·ч´860 ккал/ кВт·ч=860 ккал.

Энергия, которая используется для нагрева воды

.

Из условия нагрева воды при

.

Найдём массу воды

.

 

Задача № 2.2

Сколько мазута расходуется на ТЭС, работающей с КПД=40%, на выработку 1 кВт·ч электроэнергии, если теплота сгорания с=10000 ккал/кг.

Решение

Определим необходимое количество тепловой энергии, которая должна поступить для выработки 1 кВт·ч при известном КПД

.

Определим массу топлива

.

 

Задача № 2.3

Сколько воды можно нагреть от 20⁰С до кипения в бытовом котле, работающем с при сжигании 0,215 кг мазута, имеющего с= 10000 ккал/кг.

Решение

Количество тепла, выделяемого при сжигании мазута,

.

Объём теплоты, идущий на нагрев воды,

.

Найдём массу воды .

 

Рассмотренные задачи позволяют оценить эффективность двух технологий нагрева воды по критерию расхода первичного энергоресурса – топлива.. Сравнение их показывает, что вторая технология существенно рациональней первой и является энергосберегающей, поскольку здесь первичный энергоресурс (топливо) используется для нагрева воды без промежуточного преобразования энергии, и общий относительный КПД технологии .

В первой же технологии первичная энергия преобразуется в электрическую с КПД , а затем в тепловую, идущую на нагрев с .

Общий КПД определяется как произведение относительных КПД этапов

.

Таким образом, для оценки эффективности различных технологий необходимо составить чёткую схему последовательного преобразования энергии, оценить КПД каждого звена этой схемы и найти общий КПД как их произведение

.

 

Задача № 2.4

Тепловая электростанция работает с мощностью и удельным расходом топлива в =400 г у.т./кВт·ч.

Определить суточный расход условного топлива и натурального, если теплота сгорания его с=3500 ккал/кг.

Решение

Определим выработку электроэнергии за сутки

.

Найдём расход условного топлива

Определим расход натурального топлива

.

 

Задача № 2.5

Определить КПД тепловой электростанции, если удельный расход топлива в =312 г у.т./кВт·ч.

Решение

Полезно отпущенная электроэнергия в 1 кВт·ч эквивалентна .

На выработку её расходуется 0,312 кг условного топлива, или в тепловом эквиваленте

Определим относительный КПД ТЭС

.

Задача № 2.6

Определить общий КПД преобразования энергии на ТЭС, если процесс сжигания топлива в котле с образованием пара имеет , преобразование энергии пара в кинетическую энергию в турбине имеет , а КПД преобразования в электрическую энергию имеет .

Решение

Все три звена в схеме преобразования энергии расположены последовательно, поэтому общий КПД

.

Задача № 2.7

На электростанции работают два блока, имеющие расходные характеристики

определяющие расход топлива в т у.т. как функции от часовой нагрузки блока в МВт. Общая нагрузка электростанции .

Найти оптимальную нагрузку каждого блока.

Решение

Критерием оптимальности является минимальный часовой расход топлива

при выполнении условия баланса .

Для определения оптимального режима воспользуемся методом направленного перебора по следующему алгоритму:

1) принимаем произвольное значение мощности первого блока ;

2) по расходной характеристике определяем ;

3) определяем нагрузку второго блока ;

4) находим расход топлива ;

5) определяем общий расход ;

6) изменяем мощность с шагом =20 МВт и повторяем расчёт.

Результаты расчета приведены в табл.

 

P1, МВт	P2, МВт	B1, т у.т.	B2, т у.т.	B, т у.т.
		14,4	109,2	123,6
		19,6	92,0	111,6
		25,6	76,4	102,0
		32,4	62,4	94,8
		40,0	50,0	90,0
		48,4	39,2	87,6
		57,6		87,6
		52,9	34,4	87,3

 

Как следует из таблицы, оптимальная мощность блоков равна Р₁=130 МВт, Р₂=70 МВт, минимальный расход топлива на ТЭС В=87,3 т у.т. в час.