Способы включения потребителей электрической энергии

Способы подключения потребителей электрической энергии

С самых первых шагов внедрения электрической энергии в жизнь и быт людей и различное производство тогдашние инженеры и разработчики много внимания уделяли способам подключения потребителей электрической энергии.

В результате проведенных многих исследований были выявлены 3 основных способа подключения электрических приборов и устройств к источникам электрической энергии – последовательный способ, параллельный и комбинированный или смешанный способ. При этом каждый способ обладает своими принципиальными особенностями. С давних пор известно, что каждое электрическое устройство или прибор обладает определенной мощностью и определенным сопротивлением, а также на какое номинальное напряжение они рассчитаны, от которого зависит и величина потребления тока.

Последовательное соединение выполняется путем подключения приборов один за другим, когда второй вывод первого приемника электроэнергии соединяется с первым выводом второго приемника, а второй его вывод соединяется с первым выводом третьего приемника и т.д. Далее первый вывод первого потребителя и второй вывод последнего потребителя подключается к источнику питания. Основная особенность последовательного соединения электрической цепи заключается в том, что величина тока во всей цепи будет постоянной, а напряжение после каждого потребителя будет снижаться на величину его падения, а сумма падения напряжения после всех потребителей будет равна величине общего номинального напряжения.

Эта особенность последовательного соединения широко используется при устройстве различных электрических сетей, особенно при соединении аналогичных потребителей электрической энергии. К примеру чтобы подключить к источнику энергии напряжением 220 В электрические устройства (ламп и других) напряжением каждого в 10 В потребуется 22 устройства. Такое свойство последовательного соединения можно использовать при необходимости подключения в бытовую и иную сеть любого электрического устройства меньшего напряжения необходимо включить в цепь резистор (сопротивление) с определенной величиной сопротивления. И еще необходимо иметь ввиду, что при выходе из строя любого потребителя при последовательном соединении, цепь будет полностью обесточена.

В то же время наиболее распространенным способом электрического соединения как в быту, так и на производстве является параллельное соединение, которое заключается в том, что электрические устройства, приборы, бытовая и иная техника подключается через определенные электроустановочные соединения к магистральной сети. При параллельном соединении величина напряжения перед каждым устройством остается постоянным, равным напряжению источника питания. При этом величина тока при каждом потребители будет равна в соответствии с известным законом Ома частному от деления величины напряжения (220В) на величину электрического сопротивления. Суммарная величина электрического тока в сети будет равна сумме величин токов, проходящих по каждому потребителю. Этот способ соединения позволяет подключать разнообразные приборы и технику – группы освещения, холодильники, телевизоры, пылесосы и т.д. В отличие от последовательного соединения, выход из строя отдельного потребителя не влияет на работу других приборов и техники.

При смешанном комбинированном соединении потребителей электрической энергии заключается в том, что группы потребителей подключаются по параллельном соединении, а внутри группы потребители могут быть соединены последовательно.

Источник

Способы соединения потребителей электроэнергии.

Последовательное соединение

При последовательном соединении во всей цепи (и в источнике в том числе) ток одинаковый:

Iобщ = I1 = I2 = I3 = Iист;

Общее сопротивление цепи складывается из сопротивлений каждого потребителя:

Общее напряжение складывается из падений напряжений на каждом потребителе:

Ø При подключении потребителей последовательно общее сопротивление цепи увеличится, а общий ток уменьшится (Iобщ = Uобщ/Rобщ);

Ø При последовательном соединении, наибольшее падение напряжения и выделение тепловой энергии будет на потребителе наименьшей мощности, т.е. с наибольшем сопротивлением.

Прим. Так как подключение или отключение потребителей при последовательном соединении будет влиять на работу остальных потребителей, такое соединение применяется редко (гирлянда, тяговые двигатели на некоторых локомотивах) – для уменьшения напряжения на каждом потребителе.

Параллельное соединение

При параллельном соединении каждый потребитель подключается на одинаковое напряжение (часто говорят, что напряжение подается на потребитель):

Uобщ = U1 = U2 = U3;

Общий ток в цепи складывается из токов через каждый потребитель:

Iобщ= I1 + I2 + I3; (по 1-му закону Кирхгофа)

В такой схеме складываются не сопротивления потребителей, а их проводимости:

Ø общее сопротивление цепи при параллельном соединении будет всегда меньше самого наименьшего сопротивления любой из ветви;

Ø при увеличении числа потребителей включенных параллельно, общее сопротивление цепи уменьшается, а общий потребляемый ток увеличивается(увеличивается нагрузка цепи);

Ø больший ток пойдет по цепи с меньшим сопротивлением;

Ø если при параллельном соединении сопротивление потребителей одинаково, то общее сопротивление R_общ можно определять по формуле:

R — сопротивление одного потребителя

R_общ= —-

N — количество потребителей

3. Смешанное соединение (мостовая схема)

Частным случаем смешанного соединения является мостовая схема.

Мостовая схема имеет четыре плеча A – C – B – D, каждое плечо моста включает в себя потребитель (на данной схеме – резисторы, но могут быть электродвигатели). Так же мост имеет две диагонали

А – С — питающая диагональ

В – D — измерительная диагональ.

При одинаковых параметрах потребителей (R1 = R2 = R3 =R4или, в схеме с двигателями – если они работают в одном режиме)падение напряжений на плечах моста будет равным, и потенциалы точек ВиD будут равны (φв = φD ). Тогда напряжение на гальванометре равно нулю, т.е. ток через измерительную диагональ не идет. Такой мост называется уравновешенным.

Равновесие моста имеет место не только при равенстве параметров всех потребителей, но и при условии R1 /R4= R2 /R3.При изменении сопротивления любого плеча (один из двигателей выходит из общего режима работы) равновесие моста нарушается, на измерительной диагонали появляется напряжение и ток. Поэтому такая схема используется, в частности, для срабатывания реле боксования в электровозах, тепловозах, секциях электропоездов.

Источник

Методы передачи электроэнергии на расстояние

Электроэнергией является свойство магнитного поля преобразоваться в иные виды энергии. Такими видами энергии могут быть: механическая, химическая, паровая, лазерная. Число потребителей и источников потребления постоянно растет. Поэтому вопрос о способах передачи электроэнергии на большие расстояния, с сохранением мощности и ее распределением, остается открытым. Статья опишет основные и актуальные способы передачи, а также современные разработки в области беспроводных технологий.

Способы передачи электроэнергии

Электроэнергия или переменный ток, передается от источника к потребителю, через провода или подземные кабельные линии. Эти способы актуальны на протяжении многих лет. Связано это с тем, что нет технологии, способной передать электричество на большое расстояние при минимальных потерях с сохранением полной мощности. Да и способ еще должен быть максимально надежным и дешевым.

Схема передачи переменного электрического напряжения или постоянного электрического напряжения выглядит следующим образом:

Принцип работы и объяснение схемы:

1. В начале схемы находится генератор, вырабатывающий электричество.
2. От генератора напряжение подается на трехфазный трансформатор, для повышения мощности. От него электричество течет по ЛЭП (линия электропередачи).
3. После ЛЭП напряжение попадает на трехфазный понижающий трансформатор.
4. От трансформатора напряжение подается потребителю, с существенным занижением.

Для постоянного тока существует выпрямительное устройство, которое находится после повышающего трансформатора. Пройдя по ЛЭП, постоянный ток сначала должен попасть на устройство преобразования постоянного тока в переменный, а только потом на понижающий трансформатор.

Воздушные и кабельные линии

Потребление электроэнергии по воздушным ЛЭП и кабельным линиям, представляет собой определенную схему. В начале схемы находится источник энергии, а именно электростанция. Электростанция подает завышенное напряжение на распределительную линию, в конце которой находится занижающий трансформатор. Основным минусом подобной схемы является именно потребность в подаче слишком высокой мощности. Связано это с потерей доли напряжения на расстоянии. Способов подобной передачи 2.

Воздушные линии представляют собой сеть высоковольтных проводов, подвешенных на столбы или опоры. Этот метод очень распространен и является эффективным. Но и у него есть ряд минусов:

• большие затраты в рабочей силе и материале на стадии поставки новым потребителям на большое расстояние;
• потеря значительной доли мощности с каждым километром;
• требование подачи большой мощности в начале (от электростанции);
• вред магнитного поля для человека;
• большая вероятность повреждения и разрушения от природных катаклизмов;
• большие трудности для монтажа ЛЭП в трудных, непроходимых регионах.

Воздушные линии подают потребителю переменный ток. По дальности и мощности они делятся на следующие категории:

1. Воздушные линии напряжением до 1 кВ считаются низковольтными. Они являются окончанием схемы передачи к потребителю.
2. Линии с напряжением от 1 до 35 кВ считаются средними.
3. Высоковольтными линиями считаются ВЭЛ с напряжением 110-220 кВ. Эти линии являются началом схемы передачи напряжения.
4. К сверхвысоковольтным относятся ВЭЛ напряжением 330–750 кВ.
5. К ультра высоковольтным относятся ВЭЛ напряжением, превышающим 750 кВ.

Чем выше подаваемое напряжение, тем большие расстояния оно должно покрыть от источника к потребителю.

Кабельные линии работают по схожему принципу. По ним также поступает переменный электрический ток. Но проводят такие линии под землей или под водой. Основными недостатками подобной передачи являются:

1. Большие трудности и затраты при прокладке. Кабельные линии прокладываются в местах, где невозможно или опасно проводить воздушные линии.
2. Также идет потеря доли напряжения с расстоянием.
3. Существует опасность механического повреждения или растяжения кабеля.
4. Есть опасность шагового напряжения при повреждении, особенно в воде.
5. Очень тяжело найти и устранить повреждение.

На данный момент существует 2 схемы передачи электроэнергии от источника к потребителю по воздушным или кабельным линиям:

1. Разомкнутая схема. Эта схема передачи представляет собой источник напряжения и потребителя как прямую линию. Минусом такой схемы является отсутствие резервной линии при повреждении какого-либо участка.
2. Замкнутая схема (более надежна). В ней источник и все потребители заключены в кольцо или сложную схему. При повреждении участка линии, подача электричества не прекращается.

Подобные схемы также делятся на категории.

Схемы в визуальном отображении:

Разомкнутая схема бывает 3 видов:

1. Схема радиального подключения, в которой на одном конце находится подающее устройство, а на втором конце потребитель энергии.
2. Магистральная схема похожа на радиальную, но в ней присутствуют дополнительные отводы для потребления.
3. Схема магистральной подачи, при которой между двумя источниками находится один потребитель.

Замкнутая схема также бывает 3 видов:

1. Кольцевая схема с одним источником и потребителем.
2. Магистральная схема с наличием резервного источника.
3. Сложная замкнутая схема, для подключения потребителей особого назначения.

Все эти схемы относятся к передаче постоянного тока потребителю. Передача и распределение электроэнергии подобным способом является одинаковым для российских и зарубежных сетей.

Постоянный ток

Вторым способом передачи электрического тока потребителю, является постоянный ток. Подобный ток является выпрямленным. Он встречается в аккумуляторах, батарейках, зарядных устройствах. Такой ток и сейчас подается потребителям некоторых стран, но в очень малых количествах. Его вырабатывают солнечные батареи. Постоянный ток можно подавать по действующим ЛЭП и подземным кабелям. Плюсы такой передачи, следующие:

1. С расстоянием нет потери мощности. Не придется завышать напряжение на электростанции.
2. Статическая устойчивость не оказывает влияния на передачу и распределение.
3. Не требуется настраивать частотную синхронизацию.
4. Напряжение можно передать всего по одной линии с одним контактным проводом.
5. Нет влияния электромагнитного излучения.
6. Минимальная реактивная мощность.

Постоянный ток для потребителя не подается только по причине огромной себестоимости оборудования для электростанций.

Проводимость электрического тока и процент завышения в начале передачи, во многом зависят от сопротивления самой ЛЭП. Снизить сопротивление, — а тем самым нагрузку — можно при помощи охлаждения до сверхнизкой температуры. Это помогло бы увеличить расстояние для передачи энергии и существенно снизить потери. Сегодня нет технологии занижения температуры линии электропередачи. Такая технология является крайне дорогой и требует больших изменений в конструкции. Но в регионах крайнего севера этот способ вполне работает и намного занижает процент передачи мощностей и потери от расстояния.

Беспроводная передача

Передать и распределить ток по потребителям без использования проводов, это реалии наших дней. Об этом способе впервые задумался и воплотил его в жизнь Никола Тесла. На сегодняшний день ведутся разработки в этом направлении. Основных способов всего 3.

Катушки

Катушками индуктивности является свернутый в спираль изолированный провод. Метод передачи тока состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если подать электрический ток на одну из катушек, на второй появится магнитное возбуждение такого же напряжения. Любые изменения напряжения на катушке передатчике, изменятся на катушке приемнике. Подобный способ очень прост и имеет шансы на существование. Но есть и свои недостатки:

• нет возможности подать высокое напряжение и принять его, тем самым невозможно обеспечить напряжением несколько потребителей одновременно;
• невозможно передать электричество на большое расстояние;
• коэффициент полезного действия (КПД) подобного способа — всего 40 %.

На данный момент актуальны способы простого использования катушек, как источника и получателя энергии. Этим способом заряжают электрические самокаты и велосипеды. Есть проекты электромобилей без аккумулятора, но на встроенной катушке. Предлагается использовать дорожное покрытие в качестве источника, а машину в качестве приемника. Но себестоимость прокладки подобных дорог очень высокая.

Лазер

Передача электричества посредством лазера, представляет собой источник, преобразующий энергию электричества в лазерный луч. Луч фокусируется на приемник, который его преобразует обратно в электричество. Компания Laser Motive смогла передать при помощи лазера 0.5 Кв электрического тока, на расстояние в 1 км. При этом потеря напряжения и мощности составила 95 %. Причиной потери стала атмосфера Земли. Луч многократно сужается при взаимодействии с воздухом. Также проблемой может стать обычное преломление луча случайными предметами. Подобный способ, без потери мощности, может быть актуальным только в космическом пространстве.

Микроволновая передача

Основой для передачи электроэнергии путем микроволн, стала способность 12 см волн, частотой в 2.45 ГГц, быть незаметными для атмосферы Земли. Подобная особенность могла бы сократить до минимума потерю при передаче. Для подобного способа нужны передатчик и приемник. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновую. Это изобретение называется магнетрон. Он стоит в каждой микроволновой печи и является очень безопасным. Вот с изобретением приемника и преобразователя микроволн обратно в электричество возникли проблемы.

В 60-х годах прошлого века, американцы изобрели ректенну. Иными словами, приемник микроволн. С помощью изобретения удалось передать 30 кВт электрического тока на расстояние в 1.5 км. При этом коэффициент потерь составил всего 18 %. На большее установка была не способна по причине использования полупроводниковых деталей в устройстве приемника. Для приема и передачи большей мощности энергии, при использовании ректенны, пришлось бы создать огромную принимающую панель. Это бы увеличило затрачиваемую энергию, частоту и длину волн, а значит и процент сопутствующей потери. Высокое излучение могло бы убить все живое в радиусе нескольких десятков метров.

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Он представлял собой 40 см трубку и был полностью собран на лампах. КПД устройства равнялось 85 %. Но для этого способа основным минусом является способ сборки на лампах. Устройства на подобных деталях могут вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров величиной с комнату. О миниатюрных электрических приборах можно забыть.

Передачу микроволн можно было организовать из космоса. Подобный проект предполагал собирать энергию солнца при помощи спутника и перенаправлять на приемник, расположенный на поверхности Земли. Но для этого придется построить спутник диаметром в километр и приемник диаметром в 5 километров. О полетах в зоне действия системы можно полностью забыть.

Главной проблемой при передаче электричества беспроводным способом, является расстояние и атмосферные преломления. Стоит также учитывать мощности. Общая потребляемая мощность всех электрических приборов в квартире, равняется 30–40 кВт. Для обеспечения электричеством одной квартиры, пришлось бы строить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственным способом передачи энергии большой мощности, является проводной. Он не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно только подать высокое напряжение в начале и существенно занизить его в конце. Этот способ имеет ряд недостатков, но остается актуальным долгие годы.

Видео по теме

Источник