Лекция 2 - Презентация

МГТУ им. Н.Э. БауманаКафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»Электропреобразовательныеустройства радиоэлектронных средствЛекция 2Источники первичнойэлектроэнергииЛекция 22/45ПЛАН ЛЕКЦИИ1.1 Источники первичной электроэнергии1.2 Химические источники тока1.3 Альтернативные источники тока1.4 Электромашинные генераторыЛекция 23/45ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИИсточники первичной электроэнергииЭлектромашинныегенераторыХимическиеисточники токаАльтернативныеисточники токаЛекция 24/45Что такое химическиеисточники тока и какие они бывают?Лекция 25/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАЛекция 26/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАХимический источник тока (ХИТ) – это устройство, в которомхимическая энергия непосредственно превращается в электрическуюэнергию.

Устройство для этого преобразования также называют"гальваническим элементом".1 – катод (окислитель)2 – электролит (ионный проводник)3 – анод (восстановитель)4 – корпус5 – омическая нагрузкаЛекция 27/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАХимические источники токаПервичные(гальваническиеэлементы и батареи)Вторичные(аккумуляторы)Аккумуляторы (от латинского accumulator – "собиратель") – вэлектротехникетакназываютустройства,накапливающиеэлектрическую энергию с целью её дальнейшего применения.Лекция 28/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАХарактеристики ХИТ1. Электродвижущая сила (ЭДС) E2.

Разрядное напряжение UU разр  E    Irвнутргде ∆ – поляризация электродов при разряде3. Конечное разрядное напряжение4. Мощность P и удельная мощность Pуд:P  UI ; Руд Лекция 2UIUI; Руд mV9/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАХарактеристики ХИТ5.

Емкость Q и удельная емкость Qуд :tQ  It; Q   Idt 01RвнешtUdt 0U cpRвнешt ; Qуд ItIt; Qуд mV1 А·ч = 1 А · 3600 сек = 3600 Кл;6. Энергия W и удельная энергия Wуд :tW  I  Udt  U cp It U cpQ; Wуд 0WW; Wуд mV1 Вт·ч = 1 Вт · 3600 сек = 3600 Дж;7. Саморазряд8. Максимально допустимый ток разряда9. Номинальное число зарядно-разрядных цикловЛекция 210/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАМарганцево-цинковые элементыПри беспрерывном разряде средними и повышенными токами щелочныеэлементы обеспечивают ёмкость бо́льшую (до 7-10 раз), чем солевыеэлементы тех же габаритов. Щелочные элементы лучше функционируют ипри низких температурах: при -20°С отдают такую же ёмкость, как солевые врежиме беспрерывного разряда при комнатной температуре. Скоростьсаморазряда щелочных марганцево-цинковых элементов меньше: после 1года хранения при 20°С или 3 месяцев при 50°С потери ёмкости составляютпримерно 10% начальной ёмкости.Лекция 211/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАМарганцево-цинковые элементы1 – стальной никелированный стакан;2 – латунный стержень;3 – анодная паста;4 – сепаратор;5 – графит или сажа;6 – оболочка;7 – предохранительная мембрана;8 – прокладка;9 – стальная тарелка.Лекция 212/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАМарганцево-цинковые элементыЛекция 2Габаритные размеры,мм257x132Масса, кг7,3Напряжение, В1,55Конечноенапряжение приразряде, В0,96Сопротивление, Ом3Емкость, А-ч350Гарантийный срокхранения, мес.12Диапазон рабочихтемператур, С-5…40С13/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАРтутно-цинковые элементыРтутно-цинковые элементы и батареи (система Zn  KOH  HgO)характеризуются постоянством напряжения при разряде.

Напряжениертутно-цинкового элемента равно 1,352 В и мало изменяется при изменениитемпературы. Поэтому эти элементы иногда используют в РЭА в качествеисточников опорного напряжения.Ртутно-цинковые ХИТ (АО "Энергия")Лекция 214/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАСеребряно-цинковые элементыСеребряно-цинковые элементы (система Zn  KOH  AgO) обеспечиваютболее высокое напряжение, чем ртутно-цинковые, при сохранении плоскойкривой разряда. Серебряно-цинковые ХИТ сохраняют работоспособность принизких температурах.

Серебряно-цинковые элементы хорошо сохраняютработоспособность после долгого хранения (обычно сохраняется более 90%ёмкости после одного года хранения при температуре 21°С).Лекция 215/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАЛитиевые элементыЛитиевые элементы и батареи обеспечивают удельную энергию помассе до 330 Вт·ч/кг, что примерно в три раза выше, чем у ртутных исеребряно-цинковых, и в четыре раза выше, чем у щелочных ХИТ. Удельнаяэнергия по объёму у литиевых батарей на 50% выше, чем у ртутных, и на100% выше, чем у щелочных. Другим замечательным свойством литиевыхэлементов и батарей является большой срок сохраняемости, благодаря чемуавтономность некоторых устройств с литиевым ХИТ достигает 5-10 лет иболее, а потеря ёмкости после 3-х лет хранения ничтожно мала.Отечественные литиевые ХИТ (АО "Литий-Элемент")Лекция 216/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАРезервные химические источники токаЛекция 2Габаритные размеры,мм28,5x37,0Масса, кг0,09Напряжение, В7,5Время выхода нарежим, с, не более1Минимальныйрабочий ток, А12,0Время работы, с, неменее1Гарантийный срокхранения, лет, неменее10Диапазон рабочихтемператур, С-50…60С17/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАКислотные аккумуляторыстартерныестационарные5-200 Ач5-5000 Ачтяговые40-1200 АчСвинцовый аккумулятор «Тюмень» (Россия)Лекция 218/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАЩелочные аккумуляторыникель-кадмиевыеCd  KOH  NiOOHЛекция 2никель-железныеFe  KOH  NiOOHникельметаллгидридныеMH  KOH NiOOH19/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАLi-ion и LiPo аккумуляторыЛекция 220/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАLi-ion и LiPo аккумуляторы№п/п1234Лекция 2ПараметрЗначениеРазрядное напряжениеРесурсЕмкостьЭнергия3.8 В500-1000 циклов1440 мА∙ч5,45 Вт∙ч21/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАСеребряно-цинковые аккумуляторы• удельная энергия в несколько раз превышает значения других типоваккумуляторов;• механическая прочность, небольшие размеры и масса;• выдерживают высокие разрядные токи;• небольшой ток саморазряда (до 15% от ёмкости в месяц);• стабильные разрядные характеристики;• устойчивы к недозаряду, перерыву при зарядке и глубокому разряду.• высокая цена;• небольшой срок службы по сравнению с другимитипами (до 100 циклов заряд-разряд);• долго заряжаются (до 20 ч);• плохо переносят перезаряд.Лекция 222/45Что такое альтернативныеисточники тока и какие они бывают?Лекция 223/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАТермобатареиТермобатареи непосредственно преобразуют тепловую энергию вэлектрическую.Ихделятнатермоэлектронныегенераторыитермоэлектронные преобразователи.

Термоэлектронные генераторысостоят из последовательно соединённых термопар, у которых одни концыспаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру,благодаря чему создаётся термо-ЭДС. Термоэлектронные преобразователипредставляют собой вакуумные или газовые приборы с твёрдыминагреваемыми катодами.Термомодуль "Giga Topaz" ("Toshiba")Лекция 224/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАФотоэлектрические источники токаФотоэлектрические источники тока осуществляют преобразованиетепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую.

Как источниктока в РЭА находят применение вентильные фотоэлементы из-засравнительно высокой энергетической эффективности.Лекция 225/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАТопливные источники токаТопливные элементы осуществляют непосредственное преобразованиеэнергии химических реакций в электрическую энергию. В отличие от ХИТ, втопливныхэлементахэлектродыявляютсянерасходуемыми(инеизменяемыми при работе), а реагенты хранятся вне элемента и подаютсяв него в процессе работы. В отличие от горения в топливных элементахокисление топлива и восстановление кислорода происходит на разныхэлектродах.

Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточногопреобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПДпреобразователя.Лекция 226/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАТопливные источники тока• прямой метаноловый топливный элемент(DMFC) – максимальная энергоемкость из всехтопливных элементов, однако дороги, аметанол ядовит;• твердооксидный топливный элемент(SOFC) – температура до 1000°C, мощности отнескольких киловатт до мегаватт;• щелочный топливный элемент (AFC) –самые распространенные и изученные, КПД до70%, теоретически превосходят похарактеристикам Li-ion аккумуляторы в 5 раз.Лекция 227/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАТопливные источники токаDMFC источник тока («Samsung»)3.5 кг, 1800 Вт·чЛекция 228/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКАБиохимические источники токаБиохимические источники тока можно рассматривать как разновидностьтопливных элементов, так как в них протекают подобные окислительновосстановительные процессы.

Отличие биохимических элементов оттопливных состоит в том, что активные вещества (или одно из них)создаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводов иуглеродов.Основные способа конверсиибиомассы в горючий газтермохимическийЛекция 2биохимический29/45ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКААтомные источники токаЛекция 230/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫГенераторыПеременного токаСинхронныеПостоянного токаАсинхронныеВсинхронныхмашинахпроцесспреобразованияэнергиипроисходитприсинхронной частоте, то есть когда частотавращения ротора равна частоте вращениямагнитного поля.

В асинхронных машинахпроцесс преобразования энергии происходит приасинхронной частоте, то есть когда частотавращения ротора отличается от частотывращения магнитного поля.Лекция 231/45Что такое электромашинныегенераторыи зачем они нам нужны?Лекция 232/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ1 – статор (якорь)2 – ротор (индуктор)3 – вал4 – корпус5 – скользящие контактыЛекция 26 – виток7 – электромагнитU-X, V-Y, W-Z – размещённые впазах статора части обмоток трёхфаз33/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫEA  Em sin t2EB  Em sin  t 32EC  Em sin  t 3Лекция 2где Em – амплитудноезначение напряжения фазы,а ω – циклическая частота.34/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «звезда»UЛUФ 3IФ  I ЛU AB  U A  U B ,U BC  U B  U C ,U CA  U C  U A .Лекция 235/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «звезда»Симметричная нагрузка с нейтральным проводом:Z a  Zb  Z c  Ze jI N  I A  I B  IC  0I a  I b  I c  IФ UФZФНесимметричная нагрузка с нейтральным проводом:Z a  Zb  Z cI N  I A  I B  ICU a  U A ;U b  U B ;U с  U CЛекция 236/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «звезда»Симметричная нагрузка без нейтрального провода:Z a  Zb  Z c  Ze jU nN  0I a  I b  I c  IФ UФZФНесимметричная нагрузка без нейтрального провода:Z a  Zb  Z cU a  U A  U nN ;U b  U B  U nN ;U c  U C  U nNIa UaUU; Ib  b ; Ic  cZaZbZcЛекция 237/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «треугольник»UФ  U ЛIФ I ab U abUU; I bc  bc ; I ca  caZ abZbcZ caIЛ3- токи в фазах приёмника;I A  I ab  I ca ; I B  I bc  I ab ; I C  I ca  I bc - линейные токи.Следовательно: I A  I B  I C  0.Лекция 238/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «треугольник»Симметричная нагрузка:Z ab  Zbc  Zca  Ze jЛекция 239/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫСоединение «треугольник»Несимметричная нагрузка:Z ab  Zbc  ZcaЛекция 240/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫРасчет мощностиСоединение «звезда»P  Pa  Pb  PcPa  U a I a cos a ;Pb  U b Ib cos b ;Pc  U c I c cos cQ  Qa  Qb  Qcгде Ua, Ub, Uc, Ia, Ib, Ic – фазные напряжения и токисоответственно; φa, φb, φc – углы сдвига фаз междунапряжениями и токами.S  P2  Q2Qa  U a I a sin a ;Qb  U b Ib sin b ;Qc  U c I c sin cСоединение «треугольник»P  Pab  Pbc  PcaPab  U ab I ab cos ab ; Pbc  U bc Ibc cos bc ; Pca  U ca I ca cos caQ  Qab  Qbc  Qcaгде Uab, Ubc, Uca, Iab, Ibc, Ica – фазные напряжения и токисоответственно; φab, φbc, φca – углы сдвига фаз междунапряжением и током.S  P2  Q2Qab  U ab I ab sin ab ; Qbc  U bc Ibc sin bc ;Qca  U ca I ca sin caВ случае симметричных генератора и нагрузки в обоих случаях:Лекция 2S  3UФ IФ41/45ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫИзмерение мощностиЛекция 242/45ИТАК, ТЕПЕРЬ МЫ ЗНАЕМ…1.1 Что такое химические источники тока и какие онибывают1.2 Что такое альтернативные источники тока и какие онибывают1.3 Что такое электромашинные генераторы и зачем онинам нужныЛекция 243/45СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.

ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011. Источники тока химические. Термины иопределения. – М.: Стандартинформ, 2013.2. Каменев Ю.Б., Чезлов И.Г. Современные химические источники тока.Гальванические элементы, аккумуляторы, конденсаторы. – СПб.:СПбГУКиТ, 2009. – 90 с.3. Коровин Н.В., Скундин А.М. Химические источники тока. – М.: ИздательствоМЭИ, 2003.

– 740 с.4. Солнечная энергетика / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова [идр.]. – М.: Издательство МЭИ, 2008. – 317 с.5. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Издательский центр"Академия", 2013. – 496 с.6. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменноготока. – СПб.: Питер, 2008. – 350 с.Лекция 244/45Спасибоза внимание.