TRANSPORTUL ENERGIEI ELECTRICE LA DISTANTE MARI

19:07 0 Comments

a. Generatorul de curent alternativ
Generatorul de curent alternativ sau alternatorul reprezintă un dispozitiv care transformă energia mecanică în energie electrică.
Elementele de bază ale oricărui alternator sînt (fig. 2.18, a): 1) sursa de cîmp magnetic (magneţi permanenţi sau electromagneţi), numită inductor; 2) cadrul metalic (o bobină în care se induce t.e.m.), numit indus; 3) inelele metalice de contact şi periuţele alunecătoare pe ele. Partea mobilă a generatorului este numită rotor, iar cea fixă - stator.
Inductorul şi indusul reprezintă nişte miezuri confecţionate din oţel, pe care sînt înfăşurate bobinele cu numărul necesar de spire. Pentru asigurarea unui flux magnetic maxim, indusul şi inductorul se construiesc de o asemenea formă geometrică, incit distanţa dintre ele să fie cit mai mică (fig. 2.18, a). în acest caz, vectorul inducţiei magnetice B este mereu aproximativ perpendicular pe vectorul vitezei liniare v a punctelor de pe suprafaţa indusului, asigurînd, astfel, variaţia sinusoidală a t.e.m. Miezurile de oţel au şi ele o construcţie specială. Pentru micşorarea intensităţii curenţilor turbionari şi, respectiv, a pierderilor de energie, miezurile sînt confecţionate din plăci subţiri (tole) de oţel, izolate între ele.
Frecvenţa t.e.m. generată de alternator depinde de viteza de rotaţie a rotorului. Pentru obţinerea curentului alternativ de frecvenţă industrială (v = 50 Hz), rotorul (un electromagnet cu doi poli) trebuie să efectueze 50 rot/s, adică 3 000 rot/min. Asemenea turaţii mari însă nu pot fi întotdeauna realizate. Această dificultate este înlăturată prin utilizarea electro- magneţilor cu mai mulţi poli magnetici 4, 6, 8,.... (în figura 2.18, b este reprezentat schematic alternatorul cu 4 poli.) Perioada curentului alternativ generat în fiecare caz va fi egală cu timpul necesar pentru rotirea rotorului cu 1/2, 1/3, 1/4, ... din lungimea cercului. Atunci, pentru obţinerea curentului alternativ de aceeaşi frecvenţă, viteza de rotaţie a rotorului va fi de 2, 3,4,... ori mai mică.
38
b. Randamentul liniei de transport. Impactul asupra organismelor vii
Energia electrică este produsă cu ajutorul generatoarelor la centrale electrice mari, amplasate, de obicei, în apropierea resurselor energetice naturale, iar consumatorii se află la anumite distanţe de la ele. Astfel, utilizarea energiei electrice necesită construcţia unor linii de transport al acesteia.
Orice linie de transport este caracterizată de pierderi de energie din cauza efectului termic al curentului electric: Q = I2Rt. Aceste pierderi pot fi reduse prin micşorarea rezistenţei conductoarelor din care este alcătuită linia de transport sau a intensităţii curentului. Dacă l este lungimea liniei, iar S este aria secţiunii transversale a conductoarelor folosite, atunci R = p(2l/S) şi pierderile de putere prin efect termic într-o linie cu două conductoare sînt caracterizate de relaţia:
AP.
t s
unde p este rezistivitatea conductoarelor. Întrucît lungimea liniei de transport este impusă de distanţa dintre consumator şi generator, rezistenţa liniei poate fi micşorată numai datorită măririi ariei secţiunii transversale a conductoarelor, adică majorării masei de metal folosit. Aceasta însă nu este rentabil din punct de vedere tehnic şi economic. Rezultă că unica modalitate de reducere a pierderilor este micşorarea intensităţii curentului.
Puterea curentului electric este egală cu produsul dintre intensitate şi tensiune şi, pentru a menţine constantă puterea curentului electric din linia de transport, este necesar să mărim tensiunea de atîtea ori, de cîte ori micşorăm intensitatea curentului.
Tensiunile înalte, necesare în cazul transportului energiei electrice, nu pot fi obţinute direct la generatoarele de curent alternativ, dar nici nu sînt necesare pentru consumatori, aceştia folosind tensiuni mult mai joase. Din această cauză, un element important al liniei de transport este dispozitivul de ridicare (cobo- rîre) a tensiunii, numit transformator. în figura 2.20 este reprezentată schematic o linie de tensiune înaltă, în fiecare caz tensiunea din linia de transport este determinată de puterea transmisă şi de distanţa la care trebuie transportată energia electrică, dar întotdeauna ea este de ordinul sutelor de mii de volţi.
Deoarece necesităţile consumatorilor sînt diferite, staţiunile de micşorare a tensiunii funcţionează în trepte. Astfel, pentru consumatorii mari se construiesc linii de transport cu tensiuni de ordinul zecilor de mii de volţi, iar consumatorii mici se alimentează de la linii cu tensiunea de 220 V.
E BINE SĂ MAI ŞTIŢI
Generatorul de curent continuu se deosebeşte de alter- nator numai prin construcţia colectorului {fig. 2.79). Cele două inele pe care alunecă periuţelep, şi p2 (fig. 2.7) se înlocuiesc cu două semiinele, numiteîamele {fig. 2.79, a), fiecare dintre ele conectîndu-se la capetele cadrului metalic. Lamelele se rotesc împreună cu cadrul, iar periuţele sînt fixe. După un timp egal cu o jumătate de perioadă, sensul curentului prin laturile active ale cadrului se modifică, dar în acelaşi timp şi semiinelele îşi schimbă locurile. Astfel, la periuţa p, tot timpul va fi un potenţial negativ, iar la periuţa p2 - pozitiv. Cu toate că prin circuitul exterior curentul are permanent acelaşi sens (continuu), după fiecare jumătate de perioadă t.e.m. şi intensitatea curentului au valori nule {fig. 2.19, a). Cu alte cuvinte, variaţia alternativă a t.e.m. şi a intensităţii curentului este transformată de către colector într-o variaţie, numită pulsatorie.
Pentru obţinerea unui curent continuu de pulsaţii mici se iau mai multe bobine (cadre metalice) aşezate sub unghiuri egale una faţă de alta. în acest caz, colectorul reprezintă un inel secţionat, numărul de lamele fiind egal cu numărul bobinelor. în figura 2.19, b este reprezentat colectorul cu patru lamele. Un generator cu asemenea colector, la care se conectează patru bobine, va genera un curent continuu de intensitate minimă diferită de zero şi pulsaţii evident mai mici.
U
YYTYYYXA
l'M/l/l/l/l/l l I W II II II II ll I I .
! i « t t « < 1 L_w
1
2
3T
2
b)
Fig. 2.19
“
Staţiune de
O
coborîre a
h
tensiunii
cn
C
O
Fig. 2.20
39
De rînd cu problemele tehnice analizate mai sus este necesar să menţionăm şi problemele legate de impactul liniilor de transport al energiei electrice asupra mediului înconjurător şi în special asupra organismelor vii. Principalele tipuri de poluări ale mediului înconjurător sînt-.poluarea sonoră (zgomote produse de conductoarele liniei electrice şi în special de transformatoare, de descărcarea în coroană pe liniile de înaltă tensiune); poluarea electromagnetică (perturbaţii radio şi ale emisiunilor de televiziune, influenţa cîmpurilor electric şi magnetic asupra organismelor vii); poluarea ecologică (ocuparea terenurilor, defrişarea pădurilor ş.a.).
Problemele legate de influenţa cîmpurilor electric şi magnetic asupra organismelor vii formează obiectul unor cercetări speciale începute relativ nu de mult. Studiile efectuate în cazul influenţei cîmpurilor electrice intense asupra organismului uman au evidenţiat probleme de oboseală, slăbiciune, scăderea atenţiei, senzaţii de ameţeală şi insomnii. în prezent se consideră că pentru om nu există pericole doar în cazul cîmpurilor electrice cu intensităţi de pînă la 5 kV/m. Acţiunea cîmpului magnetic asupra organismelor vii încă nu este studiată complet, din care cauză nu sînt stabilite nici limitele admise şi nici efectele concrete ale acestuia.
c. Transformatorul
O aplicaţie practică foarte importantă a fenomenului inducţiei electromagnetice este transformatorul, în figura 2.21 sînt reprezentate: a) construcţia transformatorului; b) simbolul lui în schemele electrice. Cel mai simplu transformator constă din două bobine cu numărul de spire diferit N, şi N2, înfăşurate pe acelaşi miez de fier ce formează un circuit magnetic închis. Circuitul format din sursa de alimentare şi una din bobinele transformatorului este numit primar, iar cel format de a doua bobină şi consumator - secundar. în funcţie de necesităţi, pe acelaşi miez pot fi înfăşurate mai multe bobine. în asemenea cazuri
b)
□IC
Fig.2.21
transformatorul conţine un singur circuit primar şi mai multe secundare. Dacă la transformator nu este conectat niciun consumator, adică circuitul secundar este întrerupt, atunci se spune că transformatorul funcţionează în gol.
Să presupunem că bobina cu Nj spire este conectată la o sursă de tensiune alternativă ux şi transformatorul funcţionează în gol. în circuitul primar apare curentul de intensitate zj care generează un flux magnetic variabil O = Om cos toi. Acest flux străbate spirele
ambelor bobine indiferent de existenţa miezului de fier. Rolul acestuia este de a mări valoarea de amplitudine a fluxului magnetic şi, în acelaşi timp, de a concentra liniile de inducţie magnetică ale cîmpului. Astfel, atît bobina circuitului primar, cît şi a celui secundar vor fi străbătute practic de acelaşi flux şi cuplajul magnetic dintre bobine devine mai eficient. Conform legii inducţiei electromagnetice, în bobinele primară şi secundară ale transformatorului apar, respectiv, t.e.m. de autoinducţie e, şi de inducţie e2:
Ar AO •
-Ni— Ş1 e2 A t
■-N.
A® A t ’
unde A® este variaţia fluxului magnetic printr-o spiră, aceeaşi pentru ambele bobine.
Din împărţirea acestor relaţii rezultă că raportul t.e.m. de autoinducţie din bobina primară şi cea de inducţie din bobina secundară este egal cu raportul numerelor corespunzătoare de spire:
(2.45)
N,
@2
La funcţionarea transformatorului în gol, curentul prin bobina secundară z2 = 0 şi de aceea t.e.m. e2 este egală cu tensiunea u2 de la bornele ei. Prin bobina primară însă circulă curentul (numit de funcţionare în gol) de intensitate z\ mică şi întrucît rezistenţa ei R, este, de obicei, foarte mică, căderea de tensiune zjR, = e, + ul ~ 0. Din această cauză, valoarea t.e.m. e, este aproximativ egală cu cea a tensiunii de alimentare uv adică:
e1 ~ -u]. (2.46)
Semnul arată că t.e.m. e, şi tensiunea de alimentare u, sînt în opoziţie de fază. Folosind relaţia (2.45),
obţinem: ^ ^
u2 e2
sau pentru valorile efective:
£Ţl„£JVl
U~%~ AL
N,
= K.
(2.47)
40
I Raportul Kal tensiunilor de la bornele bobinelor transformatorului la funcţionarea lui în gol este numit coeficient de transformare.
Pentru valoarea K < 1 din (2.47) rezultă că U2 > U, şi transformatorul este numit ridicător de tensiune, iar pentru K > 1 rezultă U2 < U, şi este numit cobo- rîtor de tensiune. Transformatoarele caracterizate de raportul K ~ 1 sînt folosite pentru separarea electrică a circuitelor, cuplajul realizîndu-se doar prin inducţie electromagnetică. Asemenea transformatoare, de obicei, sînt folosite pentru acordarea circuitelor în radiotehnică.
Dacă la bornele bobinei secundare se conectează un consumator de rezistenţă R2, prin circuitul secundar apare un curent de intensitate i2, care generează un flux magnetic variabil <£>,. Acest flux modifică valoarea fluxului magnetic total din miezul transformatorului şi egalitatea aproximativă (2.46) nu are loc. Din această cauză valoarea efectivă 7, a intensităţii curentului din circuitul primar creşte, generînd un flux magnetic <D, prin spirele bobinei primare care, conform regulii lui Lentz, este în opoziţie de fază faţă de fluxul ®2. Cu cît rezistenţa R2 a consumatorului este mai mică (curentul I2 este mai mare), cu atît curentul 7, din circuitul primar devine mai mare. în timpul funcţionării transformatorului, în miezul lui se stabileşte o stare de echilibru dintre fluxurile magnetice ®, şi ®2, astfel încît:
®i - <t>2. (2.48)
în conformitate cu (1.21), fluxul magnetic este proporţional cu intensitatea curentului din bobină şi numărul ei de spire, adică ®, ~ N]Il şi ®2 ~ N2I2.
înlocuind aceste relaţii în (2.48) pentru coeficientul de transformare (2.47), obţinem:
= ^ = K.
(2.49)
h n2 U2
Din (2.49) rezultă că dacă U2 « Uu atunci în bobina secundară a transformatorului (coborîtor de tensiune) se obţin curenţi de intensitate foarte mare. Asemenea transformatoare se folosesc în dispozitivele destinate pentru sudură electrică.
Întrucît produsul dintre tensiune şi intensitatea curentului semnifică puterea electrică, din (2.49) mai rezultă că puterea din circuitul primar este aproximativ egală cu puterea din cel secundar P, ~ P2. Rezultă că energia furnizată consumatorului la bornele bobinei secundare este aproximativ egală cu cea din bobina primară. Evident, egalitatea aproximativă a puterilor din circuitele primar şi secundar este determinată de pierderile AP = Pl - P2, care au loc în transformator. Cu cît pierderile îh transformator sînt mai mici, cu atît randamentul lui p este mai mare:
P2 _ 7^-AP ^ P P
J\ M
în scopul reducerii pierderilor descrise mai sus, la construirea transformatoarelor se întreprind anumite măsuri de prevenire a acestora. Bobinele de tensiune joasă prin care circulă curenţi de intensitate înaltă se confecţionează din sîrmă de cupru cu diametru mare, astfel micşorîndu-se pierderile prin efect termic. Miezul transformatorului se construieşte dintr-un aliaj special, numit ferosiliciu, luat sub formă de plăci subţiri (tole) izolate între ele, de obicei, cu lac. Funcţionînd în condiţii nominale, transformatoarele au un randament foarte înalt, atingînd valori de pînă la 98%.
© Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Ce reprezintă generatorul de curent alternativ? Care sînt elementele lui de bază?
2. Cum se poate obţine curent alternativ de frecvenţă industrială la turaţii mici ale rotorului?
3. De ce nu este rentabilă reducerea pierderilor de energie în liniile de transport prin micşorarea rezistenţei conductoarelor?
4. De ce transportul energiei electrice la distanţe mari se realizează la tensiuni înalte?
5. Care sînt elementele de bază ale unei linii de transport a energiei de la centrala electrică pînă la consumator?
6. Ce reprezintă transformatorul şi care este construcţia lui? Care este principiul de funcţionare a transformatorului?
7. Ce se numeşte coeficient de transformare şi cum se clasifică transformatoarele în funcţie de valoarea lui?
8. Cum se defineşte randamentul transformatorului?
9. Bobina primară a unui transformator conţine 1 000 de spire şi este conectată la o sursă de alimentare de 220 V. Determinaţi coeficientul de transformare şi numărul de spire din bobina secundară, dacă la bornele ei tensiunea este de 1,1 kV.
10. Un transformator coborîtor de tensiune este conectat la o sursă de alimentare cu tensiunea de 220 V. Care este intensitatea curentului în circuitul primar, dacă în cel secundar circulă un curent de 22 A la o tensiune de36V?
11. Puterea consumată de un transformator este de 45 W. Determinaţi intensitatea curentului din circuitul bobinei secundare, dacă la bornele ei este o tensiune de 9 V, iar transformatorul funcţionează cu un randament de 95%.