1. WIADOMOŚCI OGÓLNE 1

Transkrypt

1 1. Wiadomości ogóln 9 1. WADOMOŚC OGÓLNE ENERGA ELEKTRYCZNA A NNE POSTACE ENERG Konicznym arunkim funkcjonoania urządzń chnicznych - odobni jak życia ludzi, zirzą i roślin - są rzmiany nrgii. Z zasady nizniszczalności nrgii ynika zasada bilansoania różnych jj osaci rocsach rzarzania, akumulacji i ymiany. Urządznia chniczn oraz ży organizmy ni sanoią odosobnionych układó nrgycznych, muszą ięc rzyjmoać i oddaać nrgię (od i do oocznia). Organizmy ludzi i zirzą ykorzysują nrgię chmiczną zaarą okarmach i rzarzają ją na racę mchaniczną oraz ciło. T di formy ożykoania nrgii sanoią róniż isoę działania organizmó gosodarczych. Lisę ę uzułniają: śiało ninauraln (yarzan chniczni), nizbędn do życia i racy ludzi odoidnich arunkach, oraz nrgia ydakoana rocsach omiaroych, rgulacyjnych i informaycznych. Enrgia ysęuj rzyrodzi i chnic różnych osaciach. Z unku idznia rocsó ozyskiania i ksloaacji, można yróżnić nasęując osaci nrgii: iron (niodnaialn i odnaialn), rzsyło (nośniki nrgii), magazyno i użyko. Pironą osacią nrgii js ym rzyadku rzd szyskim nrgia chmiczna oraz jądroa ali koalnych (konncjonalnych i jądroych). Orócz ali koalnych, okrślanych mianm źródł niodnaialnych, nrgia ysęuj rzyrodzi osaci: sił ód i iaró, ciła nęrza Zimi, rominioania słonczngo i - oczyiści - nrgii biochmicznj, orzących gruę z. źródł odnaialnych. Zasadnicz znaczni globalnj oliyc nrgycznj odgrya sraność rzmian nrgii chmicznj ali koalnych na ciło, racę mchaniczną lub nrgię lkryczną, oraz ły ubocznych rodukó ych rzmian (subsancji szkodliych i ciła odadogo) na środoisko nauraln. Sraność rzarzania nrgii układzi (odoidnio: sraność rzmiany, sraność nrgyczna urządznia) js o sosunk nrgii odbiranj na yjściu układu do nrgii dosarczanj na jgo jści okrślonym rzdzial czasu - sani usalonym (quasiusalonym), rzy zroym fkci akumulacji nrgii ym rzdzial czasu. Sraność nrgyczna yraża się ięc sosunkim śrdnich mocy (śrdnich arości mocy chiloych okrślonym rzdzial czasu) - oddaanj P do obiranj P 1 ( obodach rzminnorądoych są o moc czynn): η = P P 1 P1 Ps = P 1 P = P + P s, (1.1) gdzi P s - sray mocy osał układzi (urządzniu), odoiadając rozraszanmu ciłu. 1 Liraura do go rozdziału: [1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 0, 1, 5].

2 10 Zasady nrgolkryki Ciło uzyskian rzy salaniu ali js ykorzysyan bz zmiany osaci nrgii lub rzarzan rocsach rmodynamicznych (z sosunkoo niską sranością) na racę mchaniczną. Użykoani nrgii osaci ciła lub racy mchanicznj musi się jdnak odbyać sosunkoo blisko mijsca ich yarzania. Przsyłani nrgii na iększ odlgłości, ych osaciach, js niołacaln bądź niykonaln chniczni. W rzsyłaniu nrgii ośrdniczą z. nośniki nrgii. Ciło można rzsyłać co najyżj na rni zakładu rzmysłogo lub miasa, za ośrdnicm gorącj ody lub rzgrzanj ary odnj. Dużo łaij js rzsyłać na dużą odlgłość nrgię lkryczną (liniami lkronrgycznymi) albo nrgię chmiczną zmagazynoaną alii (rurociągami). Koszy ransoru ali cikłych czy gazoych są niższ od koszó rzsyłania nrgii lkrycznj. Z zględu na ygodę użykoania, nrgia lkryczna ma jdnak rzagę nad innymi nośnikami nrgii. Wynika o głóni z łaości doroadznia jj do doolngo mijsca oraz dużj sraności rzarzania na najażnijsz użyko osaci nrgii (mchaniczną, cilną, chmiczną). Jako argumn rzmaiający za nrgią lkryczną roli nośnika nrgii odaj się ż częso zględy kologiczn, rzba jdnak zaznaczyć, ż osiągana n sosób ochrona środoiska js roblmayczna, doyczy boim kosysmó lokalnych (obszary zurbanizoan), a ni konynnó czy całj Zimi (kosysm globalny). Enrgia lkryczna odgrya szczgólną rolę chnic i życiu codzinnym. Łao ją rzorzyć na ciło lub racę mchaniczną. Wyręcza człoika racach ciężkich, nużących i nibzicznych. Służy jako nośnik informacji układach lkronicznych (do zarządzania rocsami nrgia ż js orzbna - analogia: mózg człoika). Bz nrgii lkrycznj byłoby ręcz nimożli funkcjonoani nooczsnych urządzń chnologicznych, lchnicznych i informaycznych. Enrgia lkryczna ni odlga konsumcji bzośrdnio - js yłączni nośnikim nrgii. Przyroda ni dosarcza nrgii lkrycznj osaci i ilości możlij do ykorzysania. Prakyczni ni można ż nrgii lkrycznj magazynoać na iększą skalę sosób bzośrdni (bz rzorznia na inny rodzaj nrgii). Wyładoania ioruno sanoią rzyadk rozbrojnia bardzo krókim czasi sosunkoo małj nrgii lkrosaycznj. Układ chmura-zimia o nauralny kondnsaor, można zam sirdzić, ż magazynoani dużj ilości nrgii olu lkrosaycznym zykłych kondnsaoró ni ma racji byu. Większ orcj nrgii lkrosaycznj udaj się naomias gromadzić zasobnikach zbudoanych z surkondnsaoró - urządzń osałych dzięki nadzyczajnmu osęoi dzidzini nanochnologii. Pojmności surkondnsaoró są dzisiąki ysięcy razy iększ niż ojmności konncjonalnych kondnsaoró lkroliycznych o ych samych ymiarach. Enrgia gromadzona zasobnikach zbudoanych z surkondnsaoró ni ysarcza do okrycia dficyu nrgii szczyci obciążnia sysmu lkronrgyczngo, ysarcza jdnak, by rzcidziałać załamaniom (zaadom) naięcia oodoanym nagłymi zmianami obciążnia siciach lkronrgycznych. Pobór nrgii (ładoani surkondnsaora) z sici i ydaani nrgii (rozładoani surkondnsaora) do sici odbya się auomayczni, za ośrdnicm rzkszałnika nrgolkroniczngo. Podobną rolę, jak zasobnik surkondnsaoroy, moż łnić układ magazynoania nrgii olu magnycznym, złożony z cki indukcyjnj o dużj indukcyjności i rzkszałnika nrgolkroniczngo. Budoa akigo układu o jdnak rzdsięzięci bardzo koszon oraz skomlikoan od zględm chnicznym i kologicznym. Podczas

3 1. Wiadomości ogóln 11 racy go układu nalży urzymyać ckę sani nadrzodnica (dla uniknięcia sra nrgii). Koniczn js ż zanini odoidnij yrzymałości zojó cki na siły rozryając, yołan łynącym nij dużym rądm. Wymaga o budoy unli, odzimnych lub ydrążonych skałach, miszczących ckę. Rola rzkszałnika olga na ym, ż kiruj on orcj nrgii z sici lkronrgycznj do cki albo z cki do sici, urzymując rzy ym ciągły rzły rądu cc ( obodzi zamknięym). Enrgia gromadzona zasobnikach zbudoanych z surkondnsaoró lub ck nadrzodnikoych ni służy do yrónania obciążnia dobogo, ylko do zaninia sabilnj racy sysmu lkronrgyczngo arunkach zakłócnioych. Enrgia lkryczna musi być zam yarzana ym czasi, kidy js orzbna, i akij ilości, jakij łaśni js jj orzba (do sożykoania odoidnio rzorzonj formi). soną rzszkodę oszchnym sosoaniu nrgii lkrycznj, orócz niskij sraności yarzania jj z nrgii ironj, znacznych sra rzy rzsyl i nimożności magazynoania, sanoią duż koszy budoy sysmó lkronrgycznych. W sosunku do ozosałych nośnikó nrgii, udział nrgii lkrycznj zasokajaniu orzb nrgycznych krajó js zazyczaj niilki: Polsc około 10%, USA około 13%, śrdnio na śici około 15% zużycia nrgii dosarczanj odbiorcom (zaarj nośnikach nrgii). Poodm go są duż sray rzy rzmiani nrgii ali na nrgię lkryczną. Za o - jak już somniano - sray rzy rzmianach nrgii lkrycznj na użyczn osaci nrgii są niilki. Jśli ięc udział nrgii lkrycznj zasokajaniu orzb nrgycznych gosodark yrażono by ni jako sosunk nrgii lkrycznj do całkoij nrgii nośnikó, lcz jako sosunk nrgii ironj - zużyj na yorzni nrgii lkrycznj - do całkoij nrgii ironj, o uzyskano by dużo iększą arość. Mianoici: nrgia lkryczna sanoi śrdnio 15% nrgii nośnikó, sraność jj yarzania z nrgii ironj ynosi śrdnio 40%, ięc łao obliczyć, ż na yorzni całj nrgii lkrycznj zużya się około 30% całj nrgii ironj ( ym sożykoan js 1% i sracon 18%). Transor drogoy i loniczy js konsumnm około 0% nrgii zaarj szyskich nośnikach, rzy czym dominuj zużyci rodukó rooochodnych. Enrgia lkryczna yorzona Polsc (sanoiąca 10% nrgii szyskich nośnikó) js zużyana na cl ransoro ( rzmyśl i oza nim) 15 0%, ym na cl rakcji PKP - około 5%. 1.. UKŁADY URZĄDZENA ENERGOELEKTRYCZNE Wyarzani i użykoani nrgii lkrycznj moż się ralizoać srukurach odosobnionych albo rozroszonych. W irszym rzyadku ysęują lokaln, auonomiczn źródła i rzyłączon do nich bzośrdnio odbiorniki nrgii lkrycznj. W drugim naomias rzyadku układ js złożony, a yarzani, dysrybucja i użykoani nrgii lkrycznj odlgają konroli i koordynacji. Gdy o doyczy znaczngo obszaru i dużych mocy, mói się o racy sysmi lkronrgycznym. Każdmu z okrślonych n sosób układó, bz zględu na srukurę, rzysługuj miano układu nrgolkryczngo, z nualnym zaznacznim, czy o układ rosy (auonomiczny), czy rozbudoany (sysmoy). Układ nrgolkryczny składa się z części: zasilającj i odbiorczj. Urządznia chodząc skład ych odukładó o, odoidnio, urządznia: zasilając i odbiorcz.

4 1 Zasady nrgolkryki Wśród urządzń zasilających yróżnia się: źródło, rzsyło i rozdzilcz. Nauralni, rosym układzi, kóry składa się n. z jdngo ylko urządznia źródłogo i co najyżj z kilku, ołożonych blisko nigo, urządzń odbiorczych, ni ysęują urządznia rzsyło, a rola urządzń rozdzilczych js ograniczona. Wśród urządzń odbiorczych rozróżnia się: naędo, ośilnio, grzjn, lkroliyczn oraz aki, kór orzbują nrgii lkrycznj do ralizacji zadań omiaroych, konrolnych, sroniczych, informaycznych i. (obirana rzy ym nrgia zaminia się całości na ciło i śiało). Trmin urządznia źródło objmuj źródła nrgii lkrycznj, czyli rzorniki różnych osaci nrgii (orócz lkrycznj) na nrgię lkryczną, i źródło urządznia omocnicz, zn. urządznia somagając racę ych rzornikó. Enrgia lkryczna moż być yarzana, ściślj - rzarzana, z nasęujących osaci nrgii ( naiasach odan są nazy ażnijszych rzornikó nrgii): mchanicznj (rądnic naędzan urbinami aroymi, gazoymi oraz odnymi lub silnikami aroymi, salinoymi i iaroymi), cilnj (rmolmny, gnraory rmomisyjn - TEM, gnraory magnohydrodynamiczn - MHD), śilnj (fooognia), chmicznj (ognia galaniczn: iron, órn i alio). Tylko nikór z odanych rzmian (rzornikó) mają ison znaczni nrgyczn. Na iększą skalę - dla rzmysłu, ransoru, na orzby komunaln i byo - yarza się nrgię lkryczną lkroniach cilnych (konncjonalnych), jądroych i odnych. Posę dokonujący się budoi ogni alioych budzi nadzij na oszchnijsz ich sosoani nidalkij rzyszłości, rzd szyskim - mooryzacji. Trmin urządznia rzsyło oznacza urządznia chodząc skład sici rzsyłoych, a rmin urządznia rozdzilcz oznacza urządznia chodząc skład sici rozdzilczych. Przsyłani i rozdział nrgii lkrycznj ( siciach rzsyłoych i rozdzilczych) musi odoiadać okrślonym kryriom chniczno-konomicznym. Chodzi głóni o o, by ograniczyć sray mocy oraz dososoać aramry nrgii do orzb odbiorcó. Z go zględu sosuj się ransformaory, umiszczając j różnych mijscach sici rądu rzminngo, oraz sicio rzkszałniki nrgolkroniczn: rosoniki i faloniki - na ocząku i na końcu linii rzsyłoych rądu sałgo (rzadko soykanych), rosoniki - unkach zasilania sici rakcyjnych rądu sałgo z rójfazoj sici lkronrgycznj. Trmin urządznia odbiorcz objmuj odbiorniki nrgii lkrycznj, czyli rzorniki nrgii lkrycznj na użyczn osaci nrgii, i odbiorniko urządznia omocnicz, zn. urządznia rgulacyjno-sronicz, kór łyają na racę rzornikó nrgii orzz kszałoani naięć lub rądó zasilających oraz ymuszają okrślon zmiany innych ilkości (odbiorniko rzkszałniki nrgolkroniczn i sroniki). Przorniki nrgii i urządznia omocnicz są z sobą ziązan funkcjonalni, oż częso monuj się j sólnj obudoi.

5 1. Wiadomości ogóln 13 Przkszałniki nrgolkroniczn są lmnami nilinioymi, oż razm z nimi rzba zykl insaloać odoidnigo rodzaju filry. Enrgia lkryczna moż być rzarzana na nasęując użyko osaci nrgii ( naiasach odan są nazy ażnijszych rzornikó nrgii): mchaniczną (silniki lkryczn, siłoniki lkromagnyczn), cilną (urządznia grzjn ooro, lkrodo, łuko, indukcyjn, ojmnościo, rominniko, lkrono, lazmo, mikrofalo i lasro), śilną (żaróki, śilóki, ręcióki, lamy sodo nisko- i ysokorężn, lamy ksnono, rury jarznio i lamy ląc), chmiczną (akumulaory rakci ładoania, urządznia do lkrolizy). Uzyskani odoidnio dużj sraności urządzń odbiorczych ymaga ograniczania sra nrgii ydzilającj się mariałach konsrukcyjnych ( midzi i żlazi) oraz budoy sysmó umożliiających odzysk nrgii (rzd szyskim - rzy zarzymyaniu mchanizmó i ojazdó). W użyanym yżj fizykalnym snsi, źródło lkryczn js rzornikim okrślongo rodzaju nrgii (orócz lkrycznj) na nrgię lkryczną, a odbiornik lkryczny js rzornikim nrgii lkrycznj na okrślongo rodzaju nrgię użyczną. Rodzaj rzornika okrślony js na odsai zachodzącj nim odsaoj rzmiany nrgii, kórj oarzyszą rocsy uboczn (rzmiany, zjaiska). Podsao rocsy rzmiany nrgii naoykają na ogranicznia ydajności, ziązan ros z ymi rocsami lub yołan rzz zjaiska uboczn. Rakcjom układu i ynikającym z nich ograniczniom ydajności rocsu (mocy ydaanj), nizalżni od rzyczyn ich osania, mogą oarzyszyć - albo ni - sray nrgii (ni chodzi o sray nrgii ogól, bo całkoia nrgia musi się bilansoać, ylko o sray nrgii dla odsaoj rzmiany). Przykładoo, ogranicznia ydajności rocsó z sraami nrgii mogą ynikać: z samj naury (rmodynamicznj, lkromagnycznj) odsaogo rocsu rzarzania nrgii, z zjaisk oodujących sray ciln części nrgii rzorzonj. Ogranicznia ydajności rocsó bz sra nrgii mogą ynikać: z olaryzacji lkrod ogniach galanicznych, z rocsó komuacji zaoró rzkszałnikach nrgolkronicznych, z rozmagnsoującgo oddziałyania ornika rądnicach. W rakyc ni ma orzby dokładngo zajmoania się szyskimi rocsami, kór zachodzą lmnach fizycznych dango obiku nrgolkryczngo (źródłogo, odbiornikogo, rzsyłogo czy rzkszałnikogo), dobrz js jdnak idzić, co kóry z rocsó ooduj. Procsy można dy odzoroać za omocą odoidnij liczby idalnych lmnó obodoych (idalnych źródł, rzysancji, indukcyjności, ojmności), odoidni sosób z sobą ołączonych. Parząc z szrszj rskyy: obód lkryczny, jak ż szyski jgo lmny, o modl obikó fizycznych działających okrślonym ooczniu, orzących odsysmy i sysmy. W orii obodó osługujmy się miarę rosymi modlami obikó fizycznych.

6 14 Zasady nrgolkryki Jśli dany obik nrgolkryczny sanoi odrębną część iększgo układu, o js zazyczaj rakoany całościoo. nrsują nas ylko jgo łaściości, kór mogą mić ły na zachoania jgo i innych obikó jako lmnó układu (dokonujmy dkomozycji sysmu złożongo na ros modlo odsysmy) MODELE ŹRÓDEŁ ODBORNKÓW ENERGOELEKTRYCZNYCH W ujęciu obodoym źródła i odbiorniki lkryczn są lmnami obodó lkrycznych o okrślonj liczbi zaciskó i okrślonj oologii. Są o modl rzczyisych obikó źródłoych i odbiornikoych, oisując ich działani z unku idznia zalżności między ilkościami zaciskoymi. W skład rozumianych n sosób źródł i odbiornikó lkrycznych moż chodzić il, zsolonych jdną całość, obikó źródłoych i odbiornikoych. Z rocsó, zachodzących nąrz obikó, rozaża się ylko, kór mogą łyać na arości rądu i naięcia obodzi znęrznym. Rys Schmay zasęcz rzczyisych naięcioych i rądoych źródł nrgii lkrycznj: a) źródła sałorądo obciążon rzysancją R, b) źródła rzminnorądo obciążon imdancją Z Źródła nrgii lkrycznj rzdsaian są obodzi lkrycznym jako idaln bądź z. rzczyis źródła naięcio lub rądo (rys. 1.1). Mói się o rónoażności ych źródł odnisiniu do ilkości zaciskoych (naięcia i rądu: U i - rzy rądzi sałym; U i - rzy rądzi rzminnym), jśli słnion są nasęując arunki: a) rzy rądzi sałym (rys. 1.1a) G 1 =, R E źr = (1.) R

7 1. Wiadomości ogóln 15 b) rzy rądzi rzminnym (rys. 1.1 b) rzy czym oraz Y Y Z 1 =, Z E źr = (1.3) Z = R + j X (1.4) R X = G + j B = j = j (1.5) R + X R + X Z Z Moc racon: P u - rzczyisym źródl naięcioym, P i - rzczyisym źródl rądoym, obciążonych doolnym odbiornikim, ynoszą: a) rzy rądzi sałym czyli b) rzy rądzi rzminnym czyli P = u R, U R P = = i R R R P i P u = R R R (1.6a, b) P = u R, Z P = = i G U R Z P i P u = Jak idać, arości P u i P i są rón ylko dy, gdy: a) R = R, b) Z = Z (moduły!). Z Z X (1.7) (1.8a, b) (1.9) Poza ym szczgólnym rzyadkim, rónoażność rzczyisych źródł - naięciogo i rądogo - odnisiniu do ilkości zaciskoych, ni oznacza rónoażności ych źródł odnisiniu do sra mocy. Z zględu na moc raconą ni js zam obojęn, kóry z rozażanych schmaó zasęczych rzyjmi się za modl rzczyisgo obiku źródłogo. Na ogół, bardzij odoidni js modl źródła naięciogo. Rzysancj nęrzn rzczyisgo źródła sałorądogo i imdancj nęrzn rzczyisgo źródła rzminnorądogo mają ziązk z ograniczniami mocy ydaanych do obodu znęrzngo rzz yminion źródła (sąd znany roblm doasoania odbiornikó do zasilających j źródł). Sraność rzczyisgo źródła naięciogo - ak sałorądogo, jak rzminnorądogo - js ym iększa, im mnijszy js rąd obciążnia. Ogranicznia ydajności rocsó odsaoj rzmiany nrgii (jdn - z sraami nrgii, drugi - bz sra nrgii), znajdują odbici rodzajach ograniczń mocy lkrycznj ydaanj do obodu znęrzngo rzz obik źródłoy. Na rysunku 1. są okazan schmay zasęcz źródł, zoroan na układach rzczyisych źródł naięcioych i ozalając modloać sray mocy. Modyfikacja

8 16 Zasady nrgolkryki odsaoych układó (z rys. 1.1) olga na ym, ż: a) dołączono naięci źródło ( E oraz E), kór ma łyać na ograniczni mocy ydaanj rzz źródło, ni oodując sra nrgii (ydzilania się ciła), b) rzyjęo roorcjonalność arości dołączonych naięć źródłoych ( E oraz E) do rądu obciążnia, co ozoliło skorzysać z irdznia o komnsacji ( sronę odroną niż zykl), by zasąić naięcia odoidnimi lmnami asynymi, ni oodującymi sra nrgii ( R oraz X a ; co rada, ziązanj ni nalży rakoać jako sray mocy na ciło), " " R js rzysancją, al mocy z nią c) dołączono lmny orzczn (R u oraz R u i X c ), ziązan z sraami mocy sani jałoym. Rys. 1.. Zmodyfikoan schmay zasęcz salorądoych i rzminnorądoych źródł nrgii lkrycznj Odbiorniki nrgolkryczn rzdsaia się zykl jako lmny asyn: rzy rądzi sałym - rzysancyjn (rys. 1. 1a), a rzy rądzi rzminnym - imdancyjn (rys. 1.1b). Jśli jdnak skład odbiornika chodzą lmny akyn i js o ażn z zględu na obciążni układu, o - odobni jak rzy źródłach - można osługiać się różnymi układami zasęczymi. Najrossz z nich, z idalnymi źródłami naięcioymi (irdzni Thvnina), okazano na rysunku 1.3. Gdy sray nrgii (ogranicznia mocy) ysęując odbiorniku akynym mają ściśl okrślony charakr, o można o oczyiści yrazić za omocą srukur bardzij złożonych, na zór układó źródłoych z rys. 1.. Rys Schmay zasęcz salorądoych (a) i rzminnorądoych (b) odbiornikó nrgii lkrycznj z lmnami akynymi

9 1. Wiadomości ogóln 17 Omóion schmay źródł i odbiornikó nrgolkrycznych doyczą racy sanach usalonych. Zairają lmny ysarczając do odzoroania fkó ziązanych z rocsami sabilnymi od zględm nrgycznym. W sanach niusalonych rocsy mają na ogół bardzij złożony charakr, ięc i schmay zasęcz badanych obikó oinny być bardzij skomlikoan, albo rzynajmnij inn. Chodzi rzd szyskim o rozażni łyu z. ojmności szkodliych, isnijących każdym obikci nrgolkrycznym, kórych rola moż być nych syuacjach zasadnicza, a innych - marginalna STRATY MOCY W URZĄDZENACH ENERGOELEKTRYCZNYCH Analizując rocsy nrgyczn zachodząc jakimś obikci, rzba uzględnić szyski - ziązan z ymianą, rzmianą i gromadznim - składniki nrgii. Nizalżni od osaci, jakij ysęują, kalifikujmy j zazyczaj do kórjś z nasęujących gru nrgii: dosarczanj z znąrz, raconj, akumuloanj, użykoanj na orzby łasn i użykoanj na znąrz (oddaanj). Js o koniczn, jśli zamirzamy dokonać zbilansoania nrgii oszczgólnych rocsach i okrślić ich sraność lub inny skaźnik jakości rzmiany. lusracją zasady bilansoania nrgii układó sanach usalonych są ykrsy srumini nrgii (rozłyu mocy), nazyan ykrsami Sankya (rys. 1. 4). Rys Wykrsy srumini nrgii (rozłyu mocy): a) rosgo obiku nrgyczngo, b) obiku ydakującgo część rzorzonj nrgii na orzby łasn, c) obiku j., ykorzysującgo dodakoo część nrgii raconj odsaoym rocsi rzarzania Wykrs rzdsaiony na rys. 1.4a obrazuj bilans mocy rosgo urządznia, n. silnika lkryczngo z rzirzanim obcym. W ym rzyadku P 1 oznacza sumę mocy lkrycznych, obiranych rzz silnik głóny i silnik nylaora, P s - łączn sray mocy,

10 18 Zasady nrgolkryki zn. sray mocy silnika głóngo i całą moc obiraną rzz silnik nylaora, P - użyczną moc mchaniczną na al silnika głóngo. Wykrs okazany na rys. 1.4b moż obrazoać rozły mocy silniku lkrycznym z rzirzanim łasnym; P js u mocą mchaniczną zużyaną na cl nylacyjn i sanoi część mocy mchanicznj yarzanj rzz silnik. Taki sam ykrs moż ilusroać ( dużym uroszczniu) rozły mocy lkroni cilnj. W ym rzyadku P 1 js mocą cilną zużyango alia, P s - sraami mocy cilnj kol i obigu rmodynamicznym oraz mocy lkrycznj gnraorz, (P + P ) - łączną yorzoną mocą lkryczną, kórj część P zużya lkronia na łasn orzby, zn. rzygooani i ransor alia, skralani ary (omy), roadzani oirza i usuani salin (nylaory), usuani rodukó salania osaci sałj, id. Wykrs okazany na rys. 1.4c moż służyć za ilusrację rozłyu mocy lkrociłoni. Część mocy cilnj, odbranj o rzracoaniu od czynnika roboczgo, zosaj u ykorzysana do cló ogrzczych, ziększając ym samym znaczni sraność nrgyczną lkrociłoni orónaniu z sranością zykłj lkroni. Trzba zaznaczyć, ż szyski sray mocy objaiają się osaczni formi ciła. Część go ciła js akumuloana rzz urządzni, oodując nagrzani jgo lmnó, czyli obciążając j cilni. Na omóionych ykrsach ni ysęuj jdnak nigdzi moc akumuloana - ani osaci sra cilnych, ani jako moc użyczna. Wykrsy obrazują boim rozłyy mocy sanach usalonych, odczas gdy akumulacja nrgii ysęuj ylko sanach niusalonych. Przy zjaiskach okrsoych moż - czasi okrsu - ysęoać ulsoani nrgii między źródłm a odbiorm, lcz go rodzaju rocsy ni są uidocznion na ykrsach Sankya. Jśli boim czas obsracji zjaiska js ilokroni iększy od okrsu oarzalności rocsu oraz czasu usalania się rzbigó rzjścioych, o rozażania nrgyczn (dobór aramró sanu układu) można odniść do mocy śrdnich (śrdniookrsoych), zamias chiloych. Zgodni z ą zasadą, ykrs Sankya obrazujący rozły mocy obodzi lkrycznym rzy ymuszniach harmonicznych będzi się odnosił do mocy czynnych oszczgólnych lmnó. Moc czynna ydzila się obodzi lkrycznym rzysorach lub lmnach źródłoych. Enrgia ydzilona idalnym rzysorz - całości zaminia się na ciło. Enrgii raconj rdzniu frromagnycznym (na hisrzę i rądy iro) można róniż rzyisać zasęczą rzysancję. Problmy odroadzania ciła ziązango z sraami mocy doyczą rakyczni każdgo urządznia lkryczngo. Elmny źródło części odbiorczj obodu lkryczngo (odbiory czynn) rrznują różngo yu rzorniki nrgii. dalny kondnsaor oraz idalna cka indukcyjna ni rozraszają nrgii, mogą ją jdyni magazynoać (odoidnio: olu lkrycznym i magnycznym), by o zaisniniu odoidnich arunkó - zrócić do obodu. Ni obirają ięc mocy czynnj. Jśli jdnak kondnsaor lub cka indukcyjna sanoią część składoą jakigoś rzornika nrgii (odoidnio: o olu lkrycznym lub o olu magnycznym), o zazyczaj ośrdniczą rzkazyaniu nrgii. Przarzana nrgia moż być akich rzyadkach yrażona rzz nrgię zasęczych rzysoró lub źródł obodzi lkrycznym. Z zasady j korzysa się rzy rysoaniu schmaó zasęczych maszyn lkrycznych (rozdz. ).

11 1. Wiadomości ogóln STRATY MOCY W MATERAŁACH ELEKTRYCZNYCH MAGNETYCZNYCH PRZY PRĄDZE SNUSODALNYM W rzczyisych lmnach lkrycznych zasz ysęuj dyssyacja (rozraszani) nrgii formi ciła - czy o użykogo, czy ż sra. Na rysunku l.4 okazano rzykłado schmay zasęcz i ykrsy skazo kilku lmnó asynych rzczyisych, rzy sinusoidalnych rzbigach rądó i naięć o częsoliości f (ulsacji ω = π f ). Cała moc czynna (cilna) lmnu rzczyisgo ydzila się idalnych lmnach rzysancyjnych, uidocznionych na ych schmaach. W rzczyisj cc oirznj (rys. 1.4a) sray mocy czynnj P są roorcjonaln do mocy birnj Q 1 P = Q, (1.10a) QL gdzi dobroć cki Q U L ωl QL = = =. (1.10b) P U R R Rys Schmay zasęcz i ykrsy skazo: a) rzczyisj cki oirznj, b) rzczyisgo kondnsaora, c) dłaika o rdzniu frromagnycznym ( µ - rąd magnsujący, F - rąd zasęczy gałęzi rrznującj sray mocy rdzniu) Podobni - rzczyisym kondnsaorz sray mocy czynnj P są roorcjonaln do mocy birnj Q (rys. 1.4b): gdzi dobroć kondnsaora 1 P = Q, (1.11a) Q Q C C Q C = = = Rω C. (1.11b) P R

12 0 Zasady nrgolkryki albo rzy czym P = Q gδ, (1.1a) R g δ = (1.1b) = 1 Q gdzi: g δ - sółczynnik sra dilkrycznych, δ - ką sra dilkrycznych (zaznaczony na ykrsi). C C Moc racona cc oirznj ynika z nidoskonałości mariału rzodzącgo, kondnsaorz - z nidoskonałości mariału izolacyjngo (ułyność), naomias żlazi dłaika (rys. 1.4c) - z hisrzy krzyj magnsoania oraz rądó iroych. Sray nrgii na hisrzę yrażają fizyczni racę sił lkromagnycznych, ykonyaną rzy rzmiszczaniu domn magnycznych (zn. lmnarnych rzsrznnych obszaró samorzungo namagnsoania) od łym cyklicznych zmian ola znęrzngo. Sray, jdnym cyklu zminności sruminia, yraża ol ęli hisrzy (narysoanj sółrzędnych Θ, Φ), kór rzy maksymalnj arości indukcji magnycznj B m > 1 T, js rzybliżniu roorcjonaln do B m. Przy częsoliości zmian sruminia f, sray mocy na hisrzę można ięc yrazić zalżnością P = c f B. (1.13a) h h m Sray nrgii na rądy iro yrażają fizyczni nrgię, ydzilającą się osaci ciła rzy rzłyi rądu lmnarnych obodach lkrycznych rdzniu, od łym indukoanych nim lmnarnych naięć. Sray mocy są roorcjonaln do kadraó indukoanych naięć, naomias zalżą ros od iloczynu częsoliości i indukcji maksymalnj P = c f B. (1.13b) m Łączn sray mocy rdzniu rzy sałj częsoliości są ięc rzybliżniu roorcjonaln do B m, czyli róniż do U i (U i - naięci indukoan). Można o uzględnić schmaci zasęczym dłaika, roadzając gałąź z rzysancją R F (rys. 1.4c), kóra słnia nasęującą zalżność na śrdnią moc sra U i P F = = U i F = RF F (1.14) R F gdzi: R F - rzysancja zasęczj gałęzi, okrślona dla sra rdzniu rzy f = cons, F - arość skuczna rądu zasęczj gałęzi PROCESY CEPLNE W URZĄDZENACH ENERGOELEKTRYCZNYCH Z zględu na zjaiska ciln, każd urządzni lkryczn umiszczon okrślonym środoisku orzy układ rmokinyczny. Wysęują nim rzłyy ciła i osaj ol mraur, będąc ynikim isninia źródł ciła i srf odbioru ciła. Źródłm ciła moż być ż rzsrzń oaczająca ciało, ołożona oza granicą układu rmo-

13 1. Wiadomości ogóln 1 kinyczngo, zn. srfa, kórj mraurę możmy uażać za sałą, nizalżną od zmian zachodzących danym układzi rmokinycznym. Ciło rzłya z źródł kirunku ciał o niższych mraurach. Sosunk ciła dq rzłyającgo rzz oirzchnię graniczną dóch obszaró do czasu d, kórym o nasęuj, nazya się sruminim cilnym lub mocą cilną dq P =. (1.15) d Ciło Q yraża się J, moc cilna P W, a czas s. Ciło rzjmoan (ydaan) zalży od oirzchni czynnj S, różnicy mraury ϑ, sółczynnika rzjmoania ciła α oraz czasu d : dq = S α ϑ d. (1.16) Wsółczynnik α yraża się W/(m K). Przjmoani ciła rzz oszczgóln części układu lub ooczni ma zykl złożony charakr, łączący różnym soniu ymianę ciła rzz rzodzni, konkcję i rominioani. Użya się ojęcia ooru rmiczngo (rzysancji rmicznj, rzysancji cilnj) jako sosunku różnicy mraury między oirzchniami granicznymi rzłyu ciła ϑ do mocy cilnj rzłyającj P : ϑ R h = (1.17) P oraz jj odroności - rzodności cilnj (rmicznj): P Λh = 1 =. (1.18) ϑ lub R h Jdnoską ooru rmiczngo js K / W, a jdnoską rzodności cilnj - W/ K. Wzory dfinicyjn (1.17) i (1.18) ykorzysuj się zazyczaj osaci zalżności ϑ P = Λ ϑ (1.19) = h R h ϑ =R h P. (1.0) Ciło rzjmoan (ydaan) zaisuj się - na odsai (1.15) i (1.19) - nasęująco: ϑ dq = d = Λh ϑ d. (1.1) R h Przy rzjmoaniu ciła, zgodni z (1.15), (1.16) i (1.17), rzysancja cilna ma osać: 1 R h =. (1.) S α Gdy ysęuj ylko rzodzni ciła, rzysancja cilna yraża się zorm: l Rh =, (1.3) λ S kórym: l - długość odcinka rzodzącgo ciło, S F - rzkrój odcinka rzodzącgo ciło, λ - rzodność cilna łaścia yrażona W/(m K). F

14 Zasady nrgolkryki Ciło oddaan rzz źródła moż być częścioo akumuloan różnych mijscach układu, oodując zros mraury ych mijsc. Gdy ydajność źródł malj, a ilość zmagazynoango orzdnio ciła js iększa od ilości odoiadającj nomu sanoi rónoagi cilnj, o isnijący nadmiar ciła rozrzsrznia się układzi. Wysęoani akumulacji ciła bądź oddaani go do układu śiadczy o rzjścioym (niusalonym) sani cilnym. Ciło zakumuloan lmnci o masi m i cil łaściym c, ziązan z zmianą śrdnij mraury go lmnu o dϑ, ynosi dq Jdnoską ciła łaścigo js J /(kg K). c = c m dϑ. (1.4) Wroadza się ojęci ojmności cilnj (rmicznj) jako iloczynu ciła łaścigo i masy lmnu: C = c m. (1.5) Jdnoską ojmności cilnj js J / K. h Elmnarn ciło akumuloan yraża się ięc zorm: a moc akumulacji - dq C ϑ, (1.6) c = h dϑ Pc = Ch. (1.7) d Oór rmiczny oraz ojmność cilna ciała mogą zminiać się raz z jgo mraurą, al okrślonych, nizby szrokich rzdziałach mraury, są rakoan jako sał. Rys Elmny do modloania układó rmokinycznych: a) idalny lmn rzjmujący (ydający) ciło, b) idalny lmn akumulujący ciło, c) lmn rzodzący i akumulujący ciło

15 1. Wiadomości ogóln 3 Korzysając z rónań (1.0), (1.7) i z rónań rozłyu mocy cilnych, można rysoać schmay układó rmokinycznych. Symbol graficzn odsaoych lmnó ych układó okazano na rys ch odobińso do symboli lkrycznych rzysancji i ojmności ni śiadczy o isniniu ziązkó naury fizycznj między ilkościami rmokinycznymi i lkrycznymi, a jdyni o formalnj odoidniości nych zminnych rónaniach mamaycznych oisujących różn układy (ablica 1.1). Tablica 1.1. Wilkości i lmny ysęując obodach rmokinycznych i lkrycznych Moc cilna P (W), oisana zorm: dq P=, d gdzi: Q (J) ciło, (s) czas. Przodność cilna Λ (W K -1 ), oisana zorm ogólnym: P =Λ ϑ, gdzi: ϑ (K) rzyros mraury na lmnci; oraz zorami szczgólnymi, okrślającymi rzodności: - objęościoą (ziązaną z zjaiskim rzodznia ciła); n. zdłużną dla ręa o rzkroju A (m ) i długości l (m), rzy sółczynniku rzodznia ciła λ (W K -1 m -1 ) A Λ = λ, l - oirzchnioą (ziązaną z zjaiskami konkcji i rominioania), n. dla oirzchni S (m ), rzy sółczynniku rzjmoania ciła α (W K -1 m - ) Λ = α S, - odłyoą (ziązaną z odroadzanim ciła rzz mdium chłodząc), n. dla ydaku nylaora q M (m 3 s -1 ), rzy gęsości mdium ρ (kg m -3 ) i cil łaściym mdium c (J kg -1 K -1 ) mraurz ocząkoj ϑ ( C) Λ = ρ c q (sółczynnik okrśla sosunk rzyrosó mraury: końcogo i śrdnigo). Pojmność cilna C (J K -1 ), oisana zorami ogólnymi: dq = C d( ϑ), C = m c, gdzi: ϑ (K) rzyros mraury na lmnci, m (kg) masa, c (J kg -1 K -1 ) ciło łaści. M Prąd lkryczny i (A), oisany zorm: dq i =, d gdzi: q (C) ładunk lkryczny, (s) czas. Kondukancja (rzodność lkryczna) G (S), oisana zorm ogólnym: i = G u, gdzi: u (V) naięci lkryczn na lmnci; oraz zorami szczgólnymi, okrślającymi rzodności dla różnych srukur rzsrznnych, n. dla rzodu o rzkroju A (m ) i długości l (m), rzy kondukyności mariału γ (S m -1 lub Ω -1 mm - m) - A G = γ. l Pojmność lkryczna C (F), oisana zorm ogólnym: dq = C du.

16 4 Zasady nrgolkryki Na rys. 1.6 okazano różn rzyadki rozłyu mocy cilnych układzi o jdnym lmnci, kórym moż zachodzić akumulacja ciła i kóry yminia ciło z oocznim rzz konkcję i rominioani. Założono, ż n modloy lmn ma niskończni dużą rzodność cilną λ, ziązku z czym każdy jgo unk ma ę samą mraurę ϑ j samj chili. Tmraura na granicy układu rmokinyczngo (mraura oocznia) ynosi ϑ o. Nagrzani się lmnu od łym mraury oocznia ϑ o > ϑ (rys. 1.6a) oisuj się rónanim ϑo ϑ dϑ = Ch (1.8) R d rzy mraurz ocząkoj ϑ(0) = ϑ. Roziązani go rónania ma osać nasęującą: h gdzi js cilną sałą czasoą. ( ϑ ϑ ) ϑ = ϑ, (1.9) o o = Rh C h (1.30) Rys Schma rmokinyczny lmnu modlogo: a) nagrzani się lmnu od łym mraury oocznia, b) sygnięci lmnu, c) nagrzani się lmnu od łym doroadzonj sałj mocy cilnj Sygnięci lmnu ooczniu o mraurz ϑ o < ϑ (rys. 1.6b) oisuj się rónanim dϑ kór js aki samo jak rónani (1.8). ϑ ϑ o Ch =, (1.31) d Rh Wykrsy okazan na rys. 1.7 ilusrują nagrzani się lmnu modlogo rzy ϑ o > ϑ oraz jgo sygnięci rzy ϑ o < ϑ.

17 1. Wiadomości ogóln 5 Rys Nagrzani się lmnu (a) i sygnięci lmnu (b) - od łym różnicy mraury między nim i oocznim Gdy do ciała j. dosarczana js sała moc cilna (n. ysęują sał sray ciln cil) P s i mraura ciała ni js niższa od mraury oocznia ϑ ϑ o, jak na rys. 1.6c, o z bilansu mocy ynika zalżność W sani usalonym słnion js ięc rónani ϑ ϑo dϑ Ps = + Ch. (1.3) R d P h ϑ ϑ kórym ϑ u js mraurą usaloną ciała. Podsaiając (1.33) do (1.3) orzymuj się zalżność u o s =, (1.33) Rh ϑu ϑ = C R h h dϑ, (1.34) d odobną do (1.8); jj roziązani rzy ϑ(0) = ϑ ma osać analogiczną do (1.9), zn. ( ϑ ϑ ) ϑ = ϑ. (1.35) u u Na rys. 1.8 rzdsaiono rzbig nagrzania się ciała, oisany zorm (1.35). Rys Nagrzani się lmnu od łym doroadzonj sałj mocy cilnj

18 6 Zasady nrgolkryki Zamias mraurą można oroać rzyrosami mraury zględm mraury oocznia ięc ϑ u = ϑ u ϑ o ; ϑ = ϑ ϑ o. ϑ = ϑ, (1.36) ϑ o Rónani (1.35) - o rzysosoaniu do noj zminnj - rzyjmuj osać ( ϑ ϑ ) ϑ = ϑ. (1.37) u u Gdy ysęują skoko zmiany doroadzonj mocy cilnj, jak na rys. 1.9a, o aki koljn skoki mocy można rakoać jako koljn ymusznia, a do yznacznia yadkogo rzbigu czasogo mraury ciała - sosoać zasadę surozycji, co zobrazoano na rys. 1.9b. Zakłada się rzy ym, jak orzdnio, sałość R h i C h (linioość układu). Usalon rzyrosy mraury oisano na rys. 1.9b, zgodni z zorm (1.33). Ogó1ni można sirdzić, ż każdj chili mraura ciała ϑ zdąża ykładniczo (z sałą czasoą ) do usalonj arości mraury ϑ u (), odoiadającj akualnj doroadzonj mocy cilnj P(), zn. do arości ϑ ( ) = ϑ + R P( ). (1.38) u Sosując zasadę surozycji, dodaj się rzbigi ykładnicz o h i = ϑ i ( ) ϑi ( ) ϑu = P i i Rh 1 1 gdzi: i - nr koljny ymusznia, cyfry rzymski na rys. 1.9, P i - arość skoku ymusznia. Rys Zminność mraury lmnu czasi rzy skokoych zmianach doroadzonj mocy cilnj

19 1. Wiadomości ogóln 7 Odoidź na ymuszni skoko o arości P i chili i uzyskuj się rzz omnożni arości P i rzz rzsunięą o czas i funkcję R = h( ) Rh 1, (1.39) kóra nazya się rzysancją rmiczną rzjścioą. Zaisuj się o nasęująco: ϑ ) = P R ( ). (1.40) i( i h i Rozażania oyższ doyczyły ciała jdnorodngo o niskończni dużj rzodności cilnj λ, sałj arości ciła łaścigo c i sałj arości sółczynnika rzjmoania ciła α między ciałm a oocznim. Zmiany mraury ciała ym układzi mają charakr ykładniczy. Rys Przykłado rzbigi rzysancji rmicznj rzjścioj: a) ciała jdnorodngo, b) rzczyisgo lmnu (linia rzryana - zasęczy rzbig ykładniczy) Rzczyis urządznia są srukuralni bardzij złożon, oż rzbigi czaso mraury, będąc odoidzią na skoko zmiany doroadzonych mocy cilnych, odbigają - mnijszym lub iększym soniu - od rzbigó ykładniczych. Na rys okazano rzykłado rzbigi R h () ciała jdnorodngo i rzczyisgo lmnu. Przbig rzczyisy R h () ygodni js zasąić rzbigim ykładniczym (linia rzryana na rys. 1.10b), gdy rzbigi zmian mraury czasi yznaczan są sosób graficzny - na siac z ykładniczą skalą czasu (siac Wolfa) - jak na rys Wykrs funkcji ykładniczj js boim linią rosą, jśli sorządzimy go na siac, na kórj argumn funkcji ma odziałkę ykładniczą, co ilusruj rys. 1.10a.

20 8 Zasady nrgolkryki Rys Wykrślani (na siac Wolfa) rzbigó mraury czasi rzy zminiającj się doroadzanj mocy cilnj: a) rzykładoy ykrs mocy, b) ykrs zmian mraury rzy zachoaniu sałj skali czasu, c) ykrs zmian mraury z rzsuanim skali czasu Oczyiści, zalżność (1.40) js słuszna, nizalżni od rzbigu R h () i sosobu sorządznia siaki ϑ,, lcz doiro rzy rzbigach ykładniczych i siac z ykładniczą skalą czasu - graficzn yznaczni odoidzi układu na ymuszni skoko saj się bardzo rosą czynnością. Dodakoą zalą j mody js możliość korygoania arości cilnj sałj czasoj rzy zmianach arunkó chłodznia ( różnych sanach racy urządznia). Dokonuj się go o rosu, yznaczając arości zględn /, odoiadając rzyrosom czasu i akualnym arościom cilnj sałj czasoj. Dla ziększnia dokładności, można ż każdj chili rozocząć zliczani czasu od noa, rznosząc akualną arość mraury na oś rzędnych i krślając noą rosą (rys. 1.11c). Elmn rzczyisy, kórgo schma rmokinyczny można rzdsaić osaci łańcucha ojmności i rzysancji rmicznych (rys. 1.1), odzorouj ros układy z zlokalizoanym, jdnym źródłm ciła. Analiza bardzij złożonych układó rmokinycznych ymaga yodrębninia oszczgólnych źródł ciła i odzilnia układu na lmny o okrślonych łasnościach. Roziązani akigo układu sanach niusalonych js zazyczaj rudn, a rzy ym mało dokładn (z zględu na niność odziału na lmny i rudności z okrślnim ich aramró). Na ogół rzba ograniczyć się do roziązania rzysancyjnj sici cilnj, odoiadającj sanoi usalonmu układu (rys. 1.13).

21 1. Wiadomości ogóln 9 Rys Schma rmokinyczny lmnu rzczyisgo Rys Przykładoy schma złożongo układu rmo kinyczngo, rzydany do analizy sanu usalongo Trzba zaznaczyć, ż liraurz soyka się różnorodn oznacznia i nazy ilkości rmokinycznych. Dość myląc js oznaczani rzz rzyrosu mraury (rzy: ϑ - mraurz, T - cilnj sałj czasoj, - czasi), jak róniż - czasu (rzy lub T - mraurz). Cilna sała czasoa bya oznaczana rzz:, T, Θ lub N, a oór cilny - rzz: R h, R, R ϑ lub W. W obliczniach radiaoró, rzznaczonych do chłodznia rzyrządó ółrzodnikoych (diod, yrysoró), rzysancję rmiczną rzjścioą R h () zykło się oznaczać rzz Z h () i nazyać imdancją rmiczną (cilną) albo - rzjścioą imdancją rmiczną (cilną) RODZAJE PRACY URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH Moc cilna ydzilana różnych częściach urządznia nrgolkryczngo iąż się z jgo obciążnim, kór na ogół js zminn czasi. Szybkość zmian mraury lmnó urządznia, ymuszanych rzz. zmiany obciążnia, zalży od cilnych sałych czasoych ych lmnó. Czas rania obciążnia lub rzry nalży ięc odnosić do cilnych sałych czasoych urządznia: czas długi - o czas ysarczający na o, aby lmny osiągnęły rakyczni mraurę usaloną; czas króki - o czas, kórym ni nasęuj usalni się rzłyó ciła.

22 30 Zasady nrgolkryki Z zględó rakycznych rzczyis obciążni rzdsaian js osaci obciążnia zasęczgo o ograniczonj liczbi aramró. Rozróżnia się: - obciążni ciągł, czyli o okrślonj, sałj arości długim czasi, - obciążni dorycz, czyli o okrślonj, sałj arości okrślonym, krókim zykl czasi i nasęującj o nim długij rzri, - obciążni rzryan, czyli okrso rgularn, o krókim cyklu, odzilonym okrślonym sosunku na czas racy z okrślonym sałym obciążnim i czas odoczynku (rzry racy; racy bz obciążnia), - obciążni okrso doolni zminn, o cyklu bardzij złożonym od rzryango. Rys Zmiany rądu i mraury rzodu rzy obciążniach: ciągłym (c.), doryczym (dor.) oraz rzryanym (n = 1,,... - nr koljny cyklu) Rysunk 1.14 sanoi ilusruję zmian mraury gołgo rzodu (modl ciała jdnorodngo) rzy obciążniach: ciągłym, doryczym i rzryanym - o aramrach ak dobranych, aby każdym rzyadku rzód osiągał graniczną, douszczalną arość mraury. Na odsai go rysunku i odanych czśnij zoró, można yznaczyć zalżności między aramrami obciążnia doryczgo i rzryango, a aramrami obciążnia ciągłgo. Zakłada się rzy ym sał arunki chłodznia rzy nagrzaniu i sygnięciu rzodu. Wg (1.33) i (1.36), arość usalona rzyrosu mraury ϑ u (osiągana o czasi niskończni długim) js roorcjonalna do arości doroadzonj mocy cilnj P h :

23 1. Wiadomości ogóln 31 gdzi R h - oór cilny. ϑ = R P, (1.41) u h h Przyros mraury ϑ zminia się sosób ykładniczy od arości ϑ chili ocząkoj (rozoczęcia nagrzania mocą P h ) do arości usalonj rzyrosu mraury ϑ u (o niskończni długim czasi nagrzania mocą P h ), zgodni z (1.37): gdzi - cilna sała czasoa. ( ϑ ϑ ) ϑ = ϑ, u u Moc cilna ydzilająca się rzodzi js roorcjonalna do kadrau rądu, a ięc zgodni z (1.41) usalon rzyrosy mraury: ϑ u.c, ϑ u.dor i ϑ u.rz, są roorcjonaln do kadraó odoiadających im rądó obciążnia - ciągłgo c, doryczgo dor i rzryango rz : ϑu. dor ϑ dor u. rz rz =, =. (1.4a, b) ϑ ϑ u. c c Graniczna arość rądu obciążnia ciągłgo c, nazyana rądm douszczalnym długoral i oznaczana symbolm dd, yołuj douszczalny długoral rzyros mraury ϑ dd, zn. c = dd i ϑ u.c = ϑ dd. Przy obciążniu doryczym rądm dor czasi dor niogrzango sęni rzodu ( ϑ = 0), zakładając graniczną arość rzyrosu mraury róną ϑ dd, na odsai (1.37) orzymuj się dor ϑ = ϑ dd u. dor 1, (1.43) a uzględniając (1.4a) - dor = dd dor 1, sąd dd =. (1.44) dor dor Jśli douszcza się krókorał k-kron rzkroczni arości rzyrosu mraury ϑ dd, o douszczalny rąd obciążnia doryczgo ziększa się k -kroni. Przy obciążniu rzryanym o rądzi rz czasi i rzri czasi o ( każdym cyklu), ahania rzyrosu mraury usalają się rzdzial od ϑ min do ϑ max. Na odsai (1.37) orzymuj się zalżność oisującą nagrzani się rzodu ϑ max oraz zalżność oisującą jgo sygnięci ϑ min u. c c = + ϑ ϑ min rz 1 (1.45) o = ϑ, (1.46) max

24 3 Zasady nrgolkryki sąd o odsainiu ϑ min z (1.46) do (1.45) - Tak ięc czyli ϑ dd max + o = 1 ϑ rz 1. + o = 1 rz 1, lub inaczj rz dd + o = (1.47) gdzi rz dd T =, (1.48) T ε T = + o (1.49) js okrsm zminności obciążnia, naomias ε = = (1.50) + T - zględnym czasm racy, o arościach z rzdziału (0, l). o Jśli okrs zminności obciążnia ma sałą arość T, a zględny czas racy zmini się z ε 1 na ε, o zmini się akż douszczalna arość rądu rzryango rz rz1 T ε 1 =. (1.51) T ε Jśli rzy ym zmiana ε js niduża oraz T «(orinacyjni o rząd ilkości), o ykorzysując ylko irsz yrazy rozinięcia funkcji f(x) = l - -ε x szrg oęgoy Maclaurina, orzymuj się zalżność ε =. (1.5) 1 rz rz1 ε Przy obciążniu okrsoym, doolni zminnym, sosuj się modę rądu zasęczgo. Prąd zasęczy doolngo obciążnia js rądm ciągłym, rónoażnym rądoi rzczyismu od zględm ciła ydzilającgo się ym samym, odoidnio długim czasi, j samj, nizalżnj od rądu rzysancji. Prąd zasęczy zas yraża ięc rąd zasęczgo obciążnia ciągłgo, yołującgo rzyros mraury o arości ϑ u.zas, kórą orónuj się z arością douszczalngo długoral rzyrosu mraury ϑ dd.

25 1. Wiadomości ogóln 33 Obciążni rzryan js szczgólnym, modloym ym obciążnia zminngo czasi. Sosując modę rądu zasęczgo do obciążnia rzryango o aramrach j., orzymuj się nasęując zalżności: czyli zas zas ( o ) = rz +, (1.53) = ε ; rz zgodni z (1.48) - ięc ϑu. ϑ zas zas = u. rz ϑdd ϑ u. rz rz = ε ; T ε dd = =, T rz T ϑu. zas = ε, T ϑ ε dd (1.54) lub inaczj - x x ϑu. zas y = = ε = x ε x ε x ϑdd, (1.55) ε x T gdzi x = - ilkość ziązana z szybkością zmian mraury rzy zmianach obciążnia. Rys Wykrsy zalżności y(x), ukazującj niadkaność fku cilngo, yołango rzz rąd zasęczy rądu rzryango Na rys rzdsaiono ykrsy zalżności (1.55) dla obciążnia rzryango rzodó - okrślonym rzdzial zmian aramru x i dla różnych arości aramru ε. Jak idać, arości y są zasz mnijsz od 1, co oznacza, ż obliczonym odany sosób arościom rądu zasęczgo odoiada niższy niż rzczyisości rzyros mraury rzodó. Doyczy o obciążnia okrsogo, doolni zminngo (obciążni rzry-

26 34 Zasady nrgolkryki an js jgo rzyadkim szczgólnym). Aby uniknąć rzgrzania rzodó, nalżałoby ięc dobirać j z odoidnim zaasm, ziązanym z ym i sonim zminności obciążnia czasi. Urządznia nrgolkryczn są znaczni bardzij złożonymi układami rmokinycznymi niż ojdyncz rzody. Wysęują ż nich jszcz inn - orócz rzodoych - sray mocy, n. sray zsykach i kanal łukoym łącznika, albo sray żlazi oraz sray mchaniczn i nylacyjn maszyny lkrycznj. Obciążni ciln i arunki chłodznia urządzń mogą róniż ulgać znacznym zmianom czasi cyklu racy. Przykładoo, sosunku do racy usalonj iększ są sray mocy silnika lkryczngo czasi rozruchu oraz gdy racuj on jako hamulc; zrasają arości cilnych sałych czasoych silnikó z z. rzirzanim łasnym czasi rozruchu, hamoania oraz osoju. Dynamiczn i ciln arunki racy silnikó lkrycznych są ięc dużym soniu oiązan. Polski normy rzidują osim znamionoych rodzajó racy maszyn (naędó) lkrycznych, oznaczanych symbolami od S1 do S8. Płn oznaczni zaira ż skaźniki liczbo, okrślając ison aramry dango rodzaju racy, zn. czas racy rzryanj, liczbę cykli na godzinę i sółczynnik bzładności (będący sosunkim zasęczgo momnu bzładności układu silnik-maszyna robocza, do momnu bzładności silnika). Przd arością liczboą sółczynnika bzładności umiszcza się oznaczni liro F. Przykłado symbol: S1 - raca ciągła; S 10 min - raca dorycza 10-minuoa; S3 15% - raca rzryana 15-rocnoa; S4 5% 10 c/h F.,5 - raca rzryana z dużą liczbą łączń i hamoanim mchanicznym; S5 40% 150 c/h F.1,6 - raca rzryana z dużą liczbą ołączń i hamoanim lkrycznym; S6 5% - raca rzryana z rzrami jałoymi, S7 - raca długorała z dużą liczbą łączń i hamoanim lkrycznym, S8 - raca długorała z okrsoą zmianą rędkości obrooj. Przy okrślaniu zględngo czasu racy, łącza się do czasu racy czas rozruchu i hamoania lkryczngo. Moc znamionoa doyczy znamionogo rodzaju racy maszyny, rzy znamionoych aramrach. Dobirając maszynę do rzczyisych arunkó obciążnia, orónujmy jj moc z zasęczą mocą obciążnia (rzy znamionoych aramrach racy). Aby srosać ymaganiom naędoym, silnik musi rozijać odoidni momn. By silnik się ni rzgrzał, ni moż on obirać zby długo dużych rądó. Moc silnika js rzybliżniu roorcjonalna do momnu oraz rądu rzyadku silnikó bocznikoych rądu sałgo oraz silnikó indukcyjnych racujących na roboczj części charakrysyki mchanicznj. Porónyani mocy oblicznioj naędu z mocą znamionoą silnika ni garanuj ięc łaścigo doboru silnika każdym rzyadku. Dlago, odobni jak rzy rzodach, obciążalność cilną silnika nalży uzalżniać od rądu, ni zaś od mocy. Można ż ominąć rzy ym sray mocy nizalżn od obciążnia, bo ni noszą on isonych lmnó do analizy roblmu. Gdyby orakoać silnik jako ciało jdnorodn i uzględnić ylko zmianę cilnj sałj czasoj rzy osoju (zn. niruchomym irniku) - o =, (1.56) β gdzi: - cilna sała czasoa silnika rzy osoju, o - cilna sała czasoa silnika zakrsi normalnych rędkości roboczych, β - sółczynnik yrażający ogorszni arunkó chłodznia silnika okrsi osoju (o arościach 0,4 0,6 rzyadku silnikó o budoi zamknięj, z rzirzanim łasnym), omijając ogól zmiany mocy cilnych czasi rozruchu i hamoania, o rzy racy

27 1. Wiadomości ogóln 35 rzryanj - na odsai zalżności analogicznych do (1.45) i (1.46) - orzyma się zór odobny do (1.47): rz dd + β o =. (1.57) Na odsai (1.49) i (1.50) orzymuj się zalżność a ięc (1.57) ma rónoażną osać: + β = ε T + β ( ε ) T = [ ε (1 β ) + β ] T, o rz dd T [ ε ( β ) + β ] =. (1.58) T ε Zgodni z (1.58) można naisać zór rzlicznioy na rąd obciążnia rzryango rzy zmiani zględngo czasu racy silnika z ε 1 na ε : rz = rz1 1 1 T [ ε ( β ) + β ] T [ ε1 ( β ) + β ] 1 1 T ε1 T ε, kóry rzy T << (ciln sał czaso dużych maszyn lkrycznych mają arości rzędu kilku godzin) rzyjmuj rosszą osać: albo ε (1 β ) + β ε 1 rz = rz, (1.59) 1 ε1 (1 β ) + β ε β 1- β + ε β 1- β + ε rz = rz. (1.60) 1 β W zorz (1.57) ysęuj ykładnik oęgi + o mijscu, na kórym + zorz (1.47) js o. Sugruj o, by rzy yznaczaniu zasęczgo rądu obciążnia okrsogo, doolni zminngo, czas osoju silnika mnożyć rzz β. Sosując ę zasadę do obciążnia rzryango, orzyma się 1 zas ( o ) = rz + β, (1.61)

28 36 Zasady nrgolkryki Posęując odobni jak rzy analizi obciążnia rzodó, orzymuj się zalżność rzy czym: + β o x + β o ϑu. zas y = = = x, (1.6) ε ' x ϑdd ε ' x T ' + β x = = o, ε ' = =. T ' + β o Zgodni z ykrsami y(x) na rys. 1.15, gdzi ε yraża ε z zoru (1.6), arości y są zasz mnijsz od 1, co oznacza, ż dobirając moc silnika na odsai zmirzonj lub obliczonj arości rądu zasęczgo rzba rzidzić okrśloną rzrę j mocy. Jśli obliczniach rądó zasęczych rzba uzględnić rądy rozruchu oraz hamoania lkryczngo, o suma iloczynó kadraó rzczyisych rądó rzz odoiadając im okrsy czasu będzi róna iloczynoi kadrau rądu zasęczgo rzz T = + β o + α ( r + h ), gdzi α = (1 + β) / sółczynnik yrażający śrdni ogorszni arunkó chłodznia silnika rzy rosnącj i maljącj rędkości obrooj, odoidnio czasi rozruchu r i hamoania h. Mimo złożoności zjaisk cilnych, lub moż ziązku z ą złożonością, modl ciała jdnorodngo js chęni sosoany badaniach obciążalności ilu urządzń nrgolkrycznych.. Douszczalny rzyros mraury urządznia ϑ dd rzy obciążniu ciągłym dd, odnosi się do nominalnj, oblicznioj mraury czynnika chłodzącgo (oocznia) ϑ o.n. Jśli czynnik chłodzący ma mraurę ϑ o > ϑ o.n, o rzczyiści douszczalny rzyros mraury urządznia ynosi ϑ ( ϑ ϑ ) = ϑ, (1.63) ' dd dd o o. n a rzczyiści douszczalny rąd ciągły urządznia oblicza się na odsai zalżności: ' dd =, (1.64) dd k ϑ gdzi k ϑ js sółczynnikim orakoym mrauroym, uzględniającym różnicę mraury racy - rzczyisj i nominalnj. Z zasosoania modlu ciała cilni jdnorodngo ynika zalżność k ϑ ' ϑdd =, (1.65) ϑ dd lij jdnak, zamias z nij (z uagi na somnianą złożoność zjaisk cilnych), korzysać z arości sółczynnika k ϑ yznaczonych na odsai badań ksrymnalnych. Zmianę obciążalności rzodó ilożyłoych roadzonych gruoo, orónaniu z roadzonymi osobno, okrśla sółczynnik orakoy gruoy k g. W rzulaci -

29 1. Wiadomości ogóln 37 rzczyisa długorała rądoa obciążalność rzodó ynosi ' dd = k k. (1.66) dd ϑ g Warości: dd, k ϑ i k g, dla dango yu rzodó i sosobu ich roadznia, okrśla się na odsai normy. Aby dobrać urządzni od zględm cilnym, rzba orónać jgo rąd oblicznioy (moc oblicznioą) rzczyisych arunkach, z jgo obciążalnością (mocą douszczalną) rzczyisą, zn. rzliczoną dla rzczyisych arunkó. Przy doborz rzodó obciążonych sosób ciągły musi ięc zachodzić zalżność, (1.67) ' dd. obl dd gdzi dd.obl - rąd oblicznioy rzy obciążniu ciągłym, rzczyisych arunkach. W rzyadku doboru urządznia do racy doryczj lub rzryanj nalży jgo rąd oblicznioy (moc oblicznioą) rzliczyć z rzczyisgo czasu racy na znamionoy czas racy urządznia WARUNK PRACY URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH Warunki racy urządzń nrgolkrycznych dzilą się ogólni na sysmo i środoisko. Można móić o różnych rodzajach narażń, jakim czasi ksloaacji odlgają urządznia nrgolkryczn, oraz odnosić narażnia do sysmoych bądź środoiskoych arunkó racy. Warunki sysmo odzircidlają zjaiska lub rocsy zachodząc sysmi, kórgo część funkcjonalną sanoi dan urządzni. Pozosał lmny sysmu orzą da odsysmy: zasilnioy i obciążnioy. Pirszy okrśla z. arunki zasilnio, a drugi - obciążnio. Wyrażają on zakrsy i charakr możliych zmian ilkości, odoidnio, jścioych oraz yjścioych. W sanach racy urządznia, okrślanych jako robocz, ysęują normaln arunki i narażnia, a sanach okrślanych jako zakłócnio - ninormaln. Normaln narażnia naięcio (zaniko, rzięcio, odkszałcnio) kojarzą się z arunkami sysmoymi (głóni z zasilnioymi); normaln narażnia rądo (ciln i dynamiczn) - z arunkami obciążnioymi; normaln narażnia łącznio (aaraó łącznioych) - z arunkami sysmoymi. Ninormaln narażnia naięcio i rądo ysęują rzy zarciach (arunki sysmo) i yładoaniach amosfrycznych (arunki środoisko). Narażnia mchaniczn i z. narażnia lkromagnyczn kojarzą się zaróno z arunkami sysmoymi, jak i środoiskoymi; narażnia okrślan jako klimayczn i środoisko - yłączni z arunkami środoiskoymi. Każdy odbiornik nrgolkryczny js rażliy - iększym lub mnijszym soniu - na sosób zasilania i działa orani ylko dy, gdy aramry dosarczanj mu nrgii ni odbigają zbynio od znamionoych. W rzyadku urządznia rzyłączongo do sici lkronrgycznj, arunki zasilnio iążą się z ojęcim jakości nrgii lkrycznj, kór js szrzj omóion odrozdzial 4..

30 38 Zasady nrgolkryki Enrgia lkryczna racona orach rądoych, dilkrykach i mariałach magnycznych ooduj - zaminiając się ciło - nagrzani urządzń lkrycznych. Wskuk nadmirngo nagrzania - izolacja saj się bardzij odana na rzbici, obniża się ż jj rałość, zrasają rzysancj zsykó, obniża się yrzymałość mchaniczna lmnó. Douszczaln arości mraur oszczgólnych lmnach ni mogą być rzkraczan zaróno rzy racy normalnj, jak i czasi zakłócń. Uzględniać rzba rzy ym częsość i czas ysęoania różnych narażń ksloaacyjnych, n. rzy krókorałym nagrzaniu douszcza się yższ arości mraur granicznych, niż rzy długorałym. Analizoan orzdnim odrozdzial, rodzaj racy urządzń są yrazm usalonych arunkó obciążnioych. Urządznia oinny być ak rojkoan i konsruoan, aby racoały z najiększą sranością rzy najczęścij ysęujących obciążniach, zn. bliskich znamionoym. Jśli moc raconą urządzniu można odzilić na część nizalżną od obciążnia (sray sał) i na część zalżną od obciążnia (sray zminn), o urządzni osiąga dy najiększą sraność, kidy da składniki są sobi rón, zn. obciążni js aki, ż sray zminn są rón sraom sałym. Przykład yjaśniający ę księ odano odrozdzial.. Wły na obciążni ciln i dynamiczn urządzń nrgolkrycznych yirają ż rzciążnia rądo (rzężnia), ysęując normalni sanach rzjścioych. Wiadomo n., ż odczas rozruchu i hamoania silnikó ydzilają się duż ilości ciła - ni ylko silnikach, lcz i rzsrzni międzysykoj aaraó manroych, kór ralizują odoidni oracj łącznio. W grę chodzą ięc z. manro arunki łącznio, okrślon rzz: - liczbę oracji łącznioych zadanym czasi, rądy ysęując rzy załączaniu i yłączaniu obodu (yrażon kronością rądu znamionogo), - charakr obodu (sółczynnik mocy rzy rądzi rzminnym, lkryczna sała czasoa rzy rądzi sałym), - czas rania rozruchó i hamoań. Usalono ziązku z ym z. kagori użykoania rozłącznikó niskonaięcioych. Warunki (narażnia) zakłócnio oraz sosoby ochrony urządzń i ludzi rzd ich skukami są omóion rozdz. 6 i 7. Warunki środoisko odzircidlają zjaiska lub rocsy zachodząc środoisku, mogąc łyać na racę urządzń nim umiszczonych. Warunki środoisko można odzilić umoni na di klasy: - arunki makrośrodoisko, zaliczając do nich arunki makroklimayczn oraz klimayczn ynikając z działania czynnikó chnicznych (n. zaniczyszcznia rzmysło), - arunki mikrośrodoisko, zaliczając do nich arunki mikroklimayczn (zn. ynikając z usyuoania urządzń, lokalngo działania obcych ciał sałych i ciczy oraz lokalnych czynnikó korozyjnych) i oddziałyania mchaniczn (zn. oodując nizamirzon rzmiszcznia, udary, drgania, i.). Do czynnikó makrośrodoiskoych zalicza się: mraurę, ilgoność i ciśnini oirza amosfryczngo, zaniczyszczni środoiska (zaylni, zabrudzni, ysęoani środkó agrsynych), rominioani, jonizację i yładoania oirzu, czynniki bioyczn (drobnousroj, lśni, oady, aki) id.