Отримання, передача і розподіл електроенергії в народному господарстві.

 

При розробці вугільних сланцевих розсипних, рудних і нерудних родовищ основним видом енергії є електрична енергія, яку підприємства отримують від енергосистем країни, а у віддалених районах - від місцевих електростанцій.
Енергосистемою називають сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, пов'язаних зі спільністю режиму в безперервному процесівиробництва, перетворення і розподілу електричної і теплової енергії при загальному управлінні цим режимом. До електричної частини енергосистеми відносять сукупність електроустановок електричних станцій та електричних мереж.
Електропостачанням називають забезпечення споживачів електричною енергією, а системою електропостачання - сукупність електроустановок, призначених для цієї мети. Електропостачання буває зовнішній і внутрішній.
До зовнішнього електропостачання відносять повітряні і кабельні лінії електропередачі (ЛЕП) від висновків районних підстанцій або відгалужень від енергосистем до вводів на шини головних знижувальних підстанцій (ДПП) підприємств.
До внутрішнього електропостачання відносять поверхневі і підземні підстанції (стаціонарні та пересувні), розподільні пункти вищої та нижчої напруг, повітряні і кабельні ЛЕП та електроприймачі гірничих підприємств.
В даний час при проектуванні електропостачання нових гірничопромислових районів і реконструкції старих передбачають системи глибокого вводу напругою 35 - 220 кВ, тобто електроенергію вищої напруги подають споживачам, зводячи до мінімуму кількість мережевих ланок і ступенів проміжної трансформації.
Конкретне значення напруги, що підводиться визначають на основі техніко-економічних розрахунків, в яких порівнюють початкові витрати набудівництво, витрати на експлуатацію, показники щодо якості електроенергії, перспективність при подальшому розвитку системи електропостачання.
Електропостачання гірничих підприємств повинно проводитися не менше ніж з двох живлячих ЛЕП незалежно від значення напруги. У нормальному режимі всі живлять ЛЕП повинні знаходитися під навантаженням і працювати окремо. Можливе застосування і дволанцюгова повітряних ЛЕП на опорах, розрахованих на підвищені вітрові та ожеледні навантаження (на щабель вище нормативів, встановлених для даного району).
У системі зовнішнього електропостачання гірничих підприємств застосовують такі значення напруги: 220, 110, 35, 10 і 6 кВ. У системі внутрішнього електропостачання для різних потреб підприємства використовують наступні напруги: 6 кВ (10 кВ) - для стаціонарних приймачів електричної енергії, пересувних трансформаторних підстанцій, машин і механізмів, що застосовуються при проходженні стволів, а також для високопродуктивних силових пересувних установок відкритих розробок. Напругу 10 кВ дозволяється застосовувати в окремих випадках для стаціонарних установок вугільних і сланцевих шахт і стаціонарних підземних підстанцій рудних і нерудних шахт тільки з дозволу галузевих міністерств;
· 1140В - для високопродуктивних забійних машин і механізмів у підземних виробках шахт;
· 660В - для мереж, що живлять силові електроприймачі в підземних виробках і на відкритих гірських розробках;
· 330В - для живлення мереж, зазначених для напруги 660В;
· 380/220В - для мереж, що живлять силові й освітлювальні електроприймачі на поверхні гірських підприємств при трьох-або чьотирьох системі від загальних трансформаторів;

                                    41 Електромагнітні коливання.

Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі.

 

Рис. 6.1

Розглянемо електричне коло, що складається з послідовно з’єднаних конденсатора ємністю С, котушки індуктивності L, активного опору R. Таке коло називають коливальним контуром (рис.6.1 ).

Якщо попередньо заряджений конденсатор замкнути на котушку індуктивності, то в контурі виникне струм зумовлений розряджанням конденсатора. Зростаюче магнітне поле цього струму спричинить появу ЕРС самоіндукції, яка протягом першої половини періоду коливань  сповільнює швидкість розряду. Коли конденсатор розрядиться, струм, зумовлений розрядом, повинен впасти до нуля. Проте ЕРС самоіндукції в котушці, змінивши свій напрям  згідно з правилом Ленца, буде підтримувати попередній напрям струму, внаслідок чого конденсатор перезаряджається. Перезаряджання конденсатора здійснюється за рахунок енергії магнітного поля котушки індуктивності. Таким чином відбувається перша половина періоду електромагнітних коливань, після чого процес продовжується у зворотному напрямі і коливальна система приходить у свій початковий стан. Періодичне повторення описаного процесу є коливальним розрядом конденсатора.

       Під час коливань періодично змінюється заряд q на обкладинках конденсатора, напруга U на конденсаторі й сила струму і , що протікає через індуктивність. Ці коливання супроводжуються взаємним перетворенням енергії електричного й магнітного полів. Протікання струму через активний опір спричинюється до його нагрівання, що призводить до втрати початкового запасу енергії. Внаслідок цього амплітуда коливань, напруги й струму в контурі поступово зменшується. При збільшенні активного опору контуру R швидкість згасання коливань збільшується і при достатньо великому ( критичному) опорі R _кр коливання в контурі взагалі не виникають. У цьому випадку відбувається аперіодичний розряд конденсатора.

       Виведемо рівняння, що описує вільні коливання в даному контурі. Нехай у початковий момент часу при  заряд на обкладинках конденсатора дорівнює q ; замикання контуру вимикачем призводить до виникнення струму і, який спричинює появу в котушці ЕРС самоіндукції

.                                                        (6.1)

Заряд q і напруга U на конденсаторі пов’язані співвідношенням q = CU ,  звідки струм у контурі

.                                                                 (6.2)

Згідно з другим правилом Кірхгофа сума спадів напруги у будь-якому замкнутому контурі дорівнює сумі ЕРС, що діють у цьому контурі. Застосувавши це правило для коливального контуру, зображеного на рис. 6.1, отримаємо вираз

.                                                             (6.3)

Підставивши у рівняння (6.3) співвідношення (6.1) і (6.2) і розділивши весь вираз на , одержуємо

                                            (6.4)

Введемо позначення

; .                                                         (6.5)

Рівняння (4) набуде вигляду

                                                        (6.6)

З теорії коливань відомо, що розв’язок рівняння такого вигляду при умові <  тобто

< ,

має вигляд

,                                                     (6.7)

де , - власна частота коливань при , β – коефіцієнт згасання.

Враховуючи рівняння (6.5). знаходимо вираз для :

.                                                     (6.8)

Таким чином, частота згасаючих коливань менша від власної частоти . Період коливань

.                                                  (6.9)

При збільшені коефіцієнта згасання  період коливань Т зростає, прямуючи до безмежності при . Це означає, що коливальний процес переходить в аперіодичний. Для контуру з певними значеннями L і C аперіодичний процес, як видно з останньої формули, здійснюється при .

Значення критичного опору R_кр визначається з умови

,

звідки

.                                                          (6.10)

Згасання коливань прийнято характеризувати логарифмічним декрементом згасання

,                                                  (6.11)

де А₁, А₂ - амплітуди коливань певної величини (q, U або і ) які відповідають моментам часу, що відрізняються на період.

У багатьох випадках коливний процес доцільніше досліджувати, вивчивши безпосередньо залежність U від і . Криву, що зображає цю залеж­ність, називають фазовою кривою. Ця крива є результатом додавання двох взаємно перпендикулярних коливань напруги U і  струму і зміщених за фазою на . При відсутності згасання в контурі фазова крива  має форму еліпса.

При згасанні коливань в контурі їх амплітуда зменшується з часом, що призводить до складнішої форми фазової кривої - спіралі, яка скручується. Цю спіраль можна спостерігати безпосередньо на екрані осцилографа якщо під’єднати його до контуру  ( рис. 6.2 ).

Рис.6.2

Вільні згасаючі коливання досліджують за допомогою пристрою , схема якого показана на рис. 6.2. Конденсатор за допомогою реле автоматично під’єднується або до джерела постійної напруги ε           ( конденсатор заряджається ), або до індуктивності L та опору R                  ( розряд конденсатора через контур ). Таке перемикання відбувається з частотою 50 Гц і досягається тим, що при зміні напряму струму через електромагнітне реле його якір-перемикач притягається по черзі до одного або до другого полюсу, з’єднуючи почергово клему 0 з клемами 1 і 2.

       Спостереження проводять на екрані осцилографа клеми якого, позначені буквами „В”, „Г”, „З”, з’єднані провідниками з відповідними точками контуру, позначеними таким ж буквами.

       Якщо ввімкнути генератор часової розгортки осцилографа й синхронізувати його частоту з частотою перемикання реле, то на екрані спостерігатиметься картина, зображена на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Тут  відповідає 0,02 с, тобто періоду Т коливань струму в мережі, до якої під'єднане реле. Період згасаючих коливань

,       (6.12)

де ,  - інтервали на осцилограмі, показаній на рис.6.3. Для більшої точності слід вимірювати інтервал , що містить n інтервалів  , тоді .

Щоб отримати фазову криву , тобто залежність напруги на конденсаторі від струму в контурі, досить вимкнути генератор розгортки осцилографа. При цьому на вертикально відхиляючі пластини осцилографа подавати­меться, як і раніше, напруга з конденсатора, а на горизонтально відхиляючі-напруга з активного опору R. Оскільки на активному опорі напруга у фазі з струмом, то цим самим дістаємо залежність на­пруги на конденсаторі від струму в контурі ( рис.6.4).

 

 

a                                                                 б    Рис. 6.4

 

Вимушені електромагнітні коливання.

 

Вільні коливання, що виникають у коливальному контурі завжди є згасаючими. Це зумовлено тим, що енергія, яка надається коливальному контуру в початковий момент часу, необоротно витрачається на нагрівання і розсіюється в просторі внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль. Для того, щоб коливання були незгасаючими, необхідно компенсувати втрати енергії в контурі. З цією метою коливальний контур необхідно під’єднати до зовнішнього джерела струму, ЕРС якого періодично змінюється:

.

Коливання, які відбуваються у такому коливальному контурі, називаються вимушеними. Коливальний контур , що складається з послідовно з’єднаних котушки індуктивності L, конденсатора відповідної ємності C й активного опору R , під’єднаних до джерела змінної ЕРС, називають послідовним коливальним конту­ром ( рис. 6.5).

Рис. 6.5

При протіканні змінного струму на ділянці контуру, що містить індуктивність L, виникає ЕРС самоіндукції

,

де і - сила струму в колі.

Повна ЕРС, що діє в контурі, дорівнює

.

 

Щомиті вона повинна дорівнювати сумі спадів напруг вздовж кола, тобто різниці потенціалів на обкладинках конденсатора  та спаду потенціалу і R на омічному опорі R . Отже,

.                                               ( 6.13 )

Підставивши замість  його значення, дістанемо

.                               ( 6.14 )

Напруга на конденсаторі U пов’язана з зарядом q обкладок співвідношенням q = UC . Сила струму , або .

Диференціюючи ( 6.14 ) за часом, отримуємо

.                                        (6.15)

Розв’язок цього рівняння має вигляд:

,

де -   амплітудне значення струму а  - початкова фаза. Ці величини можна визначити за формулами:

,                                              ( 6.16)

 .                                              ( 6.17 )

Величина  ( де  і  ) називається повним опором і залежить від R , L , C , ω. При частоті , що задовольняє співвідношення

,Отримуємо вираз для резонансної частоти

                                               ( 6.18 )

При резонансній частоті  повний опір досягає мінімуму; при цьому амплітуда сили струму досягає максимального значення:

.                                                   (6.19)

При цьому зсув фаз між напругою й струмом з (6.16) .

Явище різкого зростання амплітудного значення струму при наближенні частоти вимушувальної ЕРС до власної частоти контуру називається явищем резонансу напруг.

Відношення напруги на будь-якій з реактивних ділянок до напруги на затискачах ЕРС при резонансі

 

 

.                            (6.20)

Величину Q називають добротністю контуру.

Рис.6.6

Якщо параметри кола вибрані так, що Q > 1 , то при резонансі напруг і  більші за вхідну напругу в Q разів. На рисунку 6.6 показано резонансні криві струму для послідовного контуру при одна­кових  L і C для двох значень добротності Q ₁ і Q ₂ >Q ₁ . З рисунку видно, що інтенсивні коливання струму в контурі ви­никають лише тоді, коли частота ЕРС живлення близька до частоти власних коливань контуру.

 

 Контур пропускає коливання певного діапазону частот. Цю властивість характеризують смугою пропускання контуру  - різниця частот, для яких

Можна довести, що

 

 .                                                            (6.21)

Отже, чим більше значення добротності контуру Q ( чим менший активний опір контуру ), тим вужчою буде резонансна крива і тим менша смуга пропускання контуру ( див.рис.6.6 ).

Знаючи добротність Q , активний опір R і користуючись ( 6.20 ), визначаємо індуктивність

                                                                ( 6,22 )

і ємність

                                                           (6.23 )

                               ЕЛЕКТРИЧНИЙ РЕЗОНАНС

 

Вивчаючи вимушені механічні коливання, ми встанови­ли дуже важливу їх особливість, яка виявляється в явищі резонансу. Чи не спостерігається подібне явище і в електрич­них вимушених коливаннях?

Вивчимо залежність вимушених електричних коливань (змінного електричного струму в колі) від частоти зміни ЕРС генератора. Складемо електричне коло з послідовно увімкну­тих активного опору R, котушки індуктивності L, конденса­тора С і амперметра змінного струму А.Під'єднаємо це коло до звукового генератора (мал. 52). З'ясуємо, як залежить сила струму в колі від зміни його частоти. Замкнемо вими­кач Кі, підтримуючи постійною напругу, яку виробляє гене­ратор, простежимо за силою струму в колі під час зміни частоти коливань у широких межах.

          (мал.52)                                                                  (мал.53)

За найнижчої частоти, яку виробляє ЗГ(близько 20 Гц), сила струму в колі незнач­на. Зі збільшенням частоти вона спочатку дуже повільно, потім швидше зростає. За певної частоти сила струму дося­гає максимуму. Позначимо цю частоту. Далі сила струму починає спочатку швидко, а потім повільніше зменшуватися і за досить великої частоти майже дорівнює нулю. Якщо цю залежність зобразити графічно, відкладаючи вздовж осі ординат силу струму і, а вздовж осі абсцис — частоту со, то дістанемо криву а (мал. 53). Як і для механічних вимушених коливань у даному випадку за деякої частоти ЕРС сила стру­му в колі має найбільше значення Явище різкого зростання сили струму за певної частоти називається електричним резонансом Частота со₀називається резонансною частотою.

З'ясуємо, як впливають на електричний резонанс актив­ний опір R,індуктивність L і ємність С. Збільшимо опір R, залишаючи незмінними L іС. Змінюючи частоту, спостеріга­тимемо за силою струму. Виявимо, що і в цьому випадку має місце резонанс за тієї самої частоти со₀, але виражений він менш чітко, ніж у попередньому випадку, і максимальна сила струму менша. Графічно залежність сили струму від частоти у цьому випадку зображена кривою б (мал. 53).

Цей дослід переконує у тому, що резонансні явища в електричних колах виражені тим чіткіше й сильніше, чим менший активний опір кола. Порівнюючи електричний резо­нанс з механічним, бачимо, що активний опір в електричних колах має таке саме значення, як і тертя в механічних системах.

Замінимо котушку індуктивності, залишаючи незмінни­ми R і С.Візьмемо, наприклад, котушку більшої індуктив­ності L. Резонансна частота в цьому випадку стане меншою. Так само можна показати, що і ємність конденсатора впли­ває на резонансну частоту: із збільшенням ємності в колі резонансна частота зменшується. Отже, резонансна частота електричного кола залежить від індуктивності котушки і ємності конденсатора і не залежить від значення активного опору R.

 

                         42   Електромагнітне поле

 

 

Електромагнітне поле — це поле, яке описує електромагнітну взаємодію між фізичними тілами.

Розділ фізики, який вивчає електромагнітне поле, називається електродинамікою. Постійні електричні поля вивчаються електростатикою, а галузь фізики, яка досліджує постійні магнітні поля називається магнетизмом.

 

Кількісні характеристики

Електромагнітне поле характеризується векторними величинами напруженістю електричного поля , вектором електричної індукції , вектором магнітної індукції йнапруженістю магнітного поля .

У вакуумі ^[1]

,

.

У середовищі ці співвідношення несправедливі через процеси поляризації та намагнічування. В загальному випадку

,

,

де — вектор поляризації, а — вектор намагніченості.

Конкретний зв'язок між цими величинами визначається фізичними процесами, які відбувається в середовищі й описується формулами, які називаються матеріальними співвідношеннями.

Наприклад для однорідних ізотропних середовищ при слабких полях і без врахування запізнення й просторової дисперсії матеріальні співвідношення записуються:

,

,

де ε — діелектрична проникність середовища, μ — магнітна проникність середовища.

У теорії відносності електромагнітне поле описується 4-тензором електромагнітного поля.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: