L’elettricità generata non può essere immagazzinata; deve essere immediatamente trasferita ai consumatori. Quando fu inventato il metodo di trasporto ottimale, iniziò il rapido sviluppo dell’industria dell’energia elettrica.

Storia

I primi generatori furono costruiti accanto ai consumatori di energia. Erano a bassa potenza e dovevano fornire elettricità solo a un singolo edificio o isolato. Ma poi sono giunti alla conclusione che è molto più redditizio costruire grandi stazioni nelle aree in cui sono concentrate le risorse. Si tratta di potenti centrali idroelettriche sui fiumi, grandi centrali termiche accanto alle miniere di carbone. Ciò richiede la trasmissione di elettricità a distanza.

I primi tentativi di costruire linee di trasmissione si sono scontrati con il fatto che quando si collegava il generatore ai ricevitori di potenza con un cavo lungo, la potenza all'estremità della linea di trasmissione veniva notevolmente ridotta a causa delle enormi perdite di calore. Era necessario utilizzare cavi con una sezione trasversale maggiore, che li rendeva notevolmente più costosi, oppure aumentare la tensione per ridurre la corrente.

Dopo gli esperimenti con la trasmissione di corrente alternata continua e monofase mediante linee ad alta tensione, le perdite sono rimaste troppo elevate, al livello del 75%. E solo quando Dolivo-Dobrovolsky sviluppò un sistema di corrente trifase, fu fatta una svolta nella trasmissione dell'elettricità: si ottenne una riduzione delle perdite fino al 20%.

Importante! Al giorno d'oggi, la stragrande maggioranza delle linee elettriche utilizza corrente alternata trifase, sebbene si stiano sviluppando anche linee elettriche in corrente continua.

Schema di trasmissione dell'elettricità

Esistono diversi anelli nella catena che va dalla produzione di energia alla sua ricezione da parte dei consumatori:

• un generatore in una centrale elettrica che produce elettricità con una tensione di 6,3-24 kV (ci sono unità separate con una tensione nominale più elevata);
• sottostazioni di potenziamento (PS);
• linee di trasmissione di energia principale e a lunghissima distanza con una tensione di 220-1150 kV;
• grandi sottostazioni di giunzione che riducono la tensione a 110 kV;
• Elettrodotti 35-110 kV per la trasmissione dell'energia elettrica ai centri di fornitura;
• ulteriori sottostazioni step-down - centri di fornitura dove ricevono una tensione di 6-10 kV;
• linee elettriche di distribuzione 6-10 kV;
• punti di trasformazione (TP), punti di distribuzione centrali, situati vicino ai consumatori, per ridurre la tensione a 0,4 kV;
• linee a bassa tensione per l'alimentazione di case e altri oggetti.

Schemi di distribuzione

Le linee elettriche sono aeree, via cavo e via cavo. Per aumentare l'affidabilità, nella maggior parte dei casi l'energia elettrica viene trasmessa in diversi modi. Cioè, due o più linee sono collegate agli autobus della sottostazione.

Esistono due schemi di distribuzione dell'energia per 6-10 kV:

1. Tronco, quando una linea 6-10 kV è comune per alimentare più sottostazioni di trasformazione, che possono essere posizionate su tutta la sua lunghezza. Se la linea elettrica principale riceve energia da due diversi alimentatori su entrambi i lati, questo circuito è chiamato circuito ad anello. Inoltre, nel funzionamento normale, viene alimentato da un alimentatore e disconnesso dall'altro mediante dispositivi di manovra (interruttori, sezionatori);

1. Radiale. In questo schema, tutta la potenza è concentrata all'estremità della linea elettrica, destinata a fornire energia a un singolo consumatore.

Per le linee con una tensione pari o superiore a 35 kV, vengono utilizzati i seguenti schemi:

1. Radiale. L'alimentazione alla sottostazione arriva tramite una linea di alimentazione a circuito singolo o doppio da una sottostazione del nodo. Lo schema più conveniente è quello con una linea, ma è molto inaffidabile. Grazie alle linee elettriche a doppio circuito viene creata energia di riserva;
2. Squillo. Gli autobus della sottostazione sono alimentati da almeno due linee elettriche da fonti indipendenti. In questo caso possono esserci delle diramazioni (linee di derivazione) sulle linee di alimentazione che vanno ad altre cabine. Il numero totale di sottostazioni di intercettazione non deve essere superiore a tre per una linea elettrica.

Importante! La rete ad anello è fornita da almeno due sottostazioni nodali, situate, di regola, a notevole distanza l'una dall'altra.

Sottostazioni di trasformazione

Le sottostazioni di trasformazione, insieme alle linee elettriche, sono la componente principale del sistema energetico. Si dividono in:

1. Sollevamento. Si trovano vicino alle centrali elettriche. L'apparecchiatura principale sono i trasformatori di potenza che aumentano la tensione;
2. Declassamenti. Si trovano in altre parti della rete elettrica più vicine ai consumatori. Contiene trasformatori step-down.

Esistono anche sottostazioni di conversione, ma non sono trasformatrici. Sono utilizzati per convertire la corrente alternata in corrente continua, nonché per ottenere corrente di frequenza diversa.

Principali apparecchiature delle sottostazioni di trasformazione:

1. Quadri di alta e bassa tensione. Può essere di tipo aperto (ORU), di tipo chiuso (CLD) e completo (KRU);
2. Trasformatori di potenza;
3. Pannello di controllo, sala relè, dove sono concentrate le apparecchiature di protezione e controllo automatico per dispositivi di commutazione, allarmi, strumenti di misura e contatori elettrici. Nei quadri possono essere presenti anche le ultime due tipologie di apparecchiature, nonché alcuni tipi di protezione;

1. Apparecchiature ausiliarie della sottostazione, che comprendono trasformatori ausiliari (TSN), riduzione della tensione da 6-10 a 0,4 kV, sbarre MT da 0,4 kV con dispositivi di commutazione, batteria, dispositivi di ricarica. La protezione, l'illuminazione della sottostazione, il riscaldamento, i motori di soffiaggio dei trasformatori (raffreddamento), ecc. sono alimentati dalla MT. Nelle sottostazioni ferroviarie di trazione, i trasformatori ausiliari possono avere una tensione primaria di 27,5 o 35 kV;
2. I quadri contengono dispositivi di commutazione per trasformatori, linee di alimentazione e in uscita e alimentatori da 6-10 kV: sezionatori, interruttori (vuoto, SF6, olio, aria). I trasformatori di tensione (TV) e i trasformatori di corrente (TA) vengono utilizzati per alimentare circuiti di protezione e misura;
3. Apparecchiature per la protezione contro le sovratensioni: scaricatori, scaricatori di sovratensione (limitatori di sovratensione);
4. Reattori limitatori di corrente ed estinguenti l'arco, banchi di condensatori e compensatori sincroni.

L'ultimo collegamento delle sottostazioni step-down sono i punti del trasformatore (TP, KTP-completo, MTP-mast). Si tratta di piccoli dispositivi contenenti 1, 2, raramente 3 trasformatori, a volte riducendo la tensione da 35, più spesso da 6-10 kV a 0,4 kV. Gli interruttori automatici sono installati sul lato bassa tensione. Da essi si estendono linee che distribuiscono direttamente l'energia elettrica ai consumatori reali.

Capacità delle linee elettriche

Quando si trasmette energia elettrica, l'indicatore principale è la portata delle linee elettriche. È caratterizzato dal valore della potenza attiva trasmessa lungo la linea in condizioni di normale esercizio. La portata dipende dalla tensione della linea elettrica, dalla sua lunghezza, dalle dimensioni della sezione trasversale e dal tipo di linea (CL o OHL). In questo caso la potenza naturale, indipendente dalla lunghezza della linea elettrica, è la potenza attiva che viene trasmessa lungo la linea con totale compensazione della componente reattiva. In pratica, tali condizioni sono impossibili da raggiungere.

Importante! La potenza massima trasmessa per le linee elettriche con tensioni pari o inferiori a 110 kV è limitata solo dal riscaldamento dei fili. Sulle linee a tensione più elevata viene presa in considerazione anche la stabilità statica del sistema elettrico.

Alcuni valori di capacità della linea aerea ad efficienza = 0,9:

• 110 kV: potenza naturale – 30 mW, massimo – 50 mW;
• 220 kV: potenza naturale – 120-135 mW, massimo – 350 mW per stabilità e 280 mW per riscaldamento;
• 500 kV: potenza naturale – 900 mW, massimo – 1350 mW per la stabilità e 1740 mW per il riscaldamento.

Perdite di elettricità

Non tutta l’elettricità generata in una centrale elettrica raggiunge il consumatore. Le perdite di energia elettrica possono essere:

1. Tecnico. Causato da perdite in cavi, trasformatori e altre apparecchiature dovute al riscaldamento e ad altri processi fisici;
2. Imperfezione del sistema contabile nelle imprese energetiche;
3. Commerciale. Si verificano a causa della presa di forza, oltre che dei dispositivi di misurazione, della differenza tra la potenza effettiva consumata e quella registrata dal contatore, ecc.

Le tecnologie di trasmissione dell’elettricità non si fermano. È in fase di sviluppo l'utilizzo di cavi superconduttori che consentiranno di ridurre le perdite quasi a zero. La trasmissione di energia wireless non è più una fantasia per la ricarica dei dispositivi mobili. E in Corea del Sud stanno lavorando alla realizzazione di un sistema di trasmissione dell’energia wireless per i trasporti elettrificati.

video

Ministero dell'Istruzione Generale e Professionale

Istituzione educativa statale dell'Associazione scientifica e produttiva della regione di Sverdlovsk

Liceo professionale "Metallurg" di Nižnij Tagil

ASTRATTO

Trasmissione di energia elettrica a distanza

Interpreti: Bakhter Nikolay e Borisov Yaroslav

Responsabile: insegnante di fisica Lyudmila Vladimirovna Reddikh

Nižnij Tagil 2008

introduzione

Capitolo 1. Corrente elettrica

Capitolo 2. Generazione di energia elettrica

1 alternatore

2 generatori MHD

3 Generatore di plasma - plasmatron

Capitolo 3. Trasmissione dell'elettricità

1 linee elettriche

2 Trasformatore

Capitolo 4. Energia per l'acciaieria

1 Produzione di acciaio nei forni elettrici

2 Tipici ricevitori di energia elettrica

Conclusione

Bibliografia

introduzione

Il complesso della rete elettrica della regione di Sverdlovsk, compreso il polo energetico di Nizhny Tagil, è sull’orlo di grandi trasformazioni. Per evitare una crisi energetica negli Urali Medi, il governo della regione di Sverdlovsk ha sviluppato e adottato le principali direzioni per lo sviluppo dell'industria dell'energia elettrica per i prossimi dieci anni. Stiamo parlando principalmente della costruzione di nuova generazione, cioè di centrali elettriche che generano elettricità, e dell'ulteriore sviluppo del complesso della rete elettrica: la costruzione e la ricostruzione di sottostazioni, punti di trasformazione e linee elettriche di varie tensioni. L'anno scorso abbiamo elaborato e approvato un programma di investimenti a lungo termine fino al 2012, indicando gli impianti elettrici specifici che sono soggetti a ricostruzione e quelli che devono essere costruiti.

Fino al 2001, nella regione di Tagil non vi era carenza di capacità energetica. Ma poi, dopo molti anni di crisi, le nostre imprese industriali sono andate in salita, come si suol dire, le medie e piccole imprese hanno iniziato a svilupparsi attivamente e il consumo di elettricità è aumentato in modo significativo. Oggi il deficit di capacità energetica a Nizhny Tagil supera i 51 megawatt. Questo è... quasi due rivestimenti. Ma il paragone con Lining è condizionato. In effetti, il problema della carenza di capacità energetica è attualmente più rilevante per la parte centrale di Nizhny Tagil. La sottostazione di Krasny Kamen, costruita quarant'anni fa, da cui dipende effettivamente l'approvvigionamento energetico del centro cittadino, è da tempo moralmente e fisicamente obsoleta e funziona al limite delle sue capacità. Ai nuovi consumatori, purtroppo, viene negata la connessione alla rete.

Nizhny Tagil ha bisogno di una nuova sottostazione: la sottostazione Prirechnaya con una tensione di 110/35/6 kV. Secondo le stime preliminari, l'importo dell'investimento di capitale nella costruzione di Prirechnaya sarà di circa 300 milioni di rubli. Il programma di investimenti di Sverdlovenergo per Nizhny Tagil comprende anche la ricostruzione della sottostazione Soyuznaya, la costruzione della sottostazione Altaiskaya a Vagonka e del punto di commutazione Demidovsky nell'area di Galyanki, che miglioreranno radicalmente il sistema di approvvigionamento energetico dell'intera città. L'evento principale di quest'anno è la sottostazione Staratel, nella cui ricostruzione Sverdlovenergo ha investito 60 milioni di rubli. Un altro evento altrettanto significativo nel 2007 è stata la messa in servizio di un nuovo, secondo trasformatore nella sottostazione Galyanka.

È iniziata la costruzione della linea di trasmissione elettrica Chernoistochinsk - Belogorye con una tensione di 110 kV e una lunghezza totale di quasi 18 chilometri. Questa struttura è inclusa anche nel programma di investimenti di Sverdlovenergo. La messa in servizio di una nuova linea di trasmissione di energia ad alta tensione consentirà di rendere più affidabile l'alimentazione elettrica non solo per il complesso sciistico del Monte Belaya, ma anche per l'intero territorio adiacente: i villaggi di Uralets, Visim, Visimo-Utkinsk e altri insediamenti. Dirò di più: il progetto Belogorye prevede anche la costruzione di una nuova sottostazione di Belogorye nel villaggio di Uralets e la ricostruzione dell'intero complesso di rete di Uralets, ovvero almeno 20 chilometri di reti con una tensione di 0,4-6 kV .

Ai fini del nostro saggio, abbiamo deciso di sollevare la questione della trasmissione dell'elettricità non solo a distanza, ma anche del suo utilizzo come componente necessario nella produzione dell'acciaio, poiché la nostra professione è indissolubilmente legata a questo processo di produzione dell'acciaio elettrico.

Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo deciso di porci diversi compiti importanti: 1) studiare ulteriore letteratura relativa alla trasmissione di elettricità e all'elettrometallurgia; 2) conoscere nuovi tipi di generatori e trasformatori; 3) considerare la corrente elettrica dal ricevimento alla consegna al consumatore; 4) considerare i processi fisici e meccanici della produzione dell'acciaio nei forni elettrici.

Inizialmente, le persone non sapevano come usare l'acciaio e utilizzavano materiali di origine autoctona (rame, oro e ferro meteoritico) per realizzare vari strumenti. Tuttavia, questi metodi non erano sufficienti per i bisogni umani. Le persone spesso cercavano l'opportunità di ottenere metallo dal minerale trovato sulla superficie della terra.

E così, a cavallo tra il secondo e il primo millennio a.C., nacque il primo stadio della metallurgia. L'umanità è passata all'ottenimento diretto del ferro dal minerale riducendolo in fucine primitive. Poiché in questo processo veniva utilizzata la soffiatura “grezza” (non aria riscaldata), il metodo veniva chiamato soffiaggio grezzo.

La seconda fase della produzione dell'acciaio (secoli XIV-XVIII) fu caratterizzata dal miglioramento delle fucine e dall'aumento del volume dei forni per la soffiatura del formaggio. L'aspetto della ruota idraulica e il suo utilizzo per azionare i soffietti della forgia hanno permesso di intensificare l'esplosione, aumentare la temperatura nel focolare del forno e accelerare il verificarsi di reazioni chimiche.

La terza fase è stata lo sviluppo di un metodo più avanzato e produttivo per produrre ferro a basso contenuto di carbonio in uno stato simile a un impasto - il cosiddetto processo di puddling - il processo di conversione della ghisa in ferro sul fondo di un riverbero infuocato (pudling ) forno.

La quarta fase (fine XIX e metà XX secolo) è caratterizzata dall'introduzione nella produzione di quattro metodi di produzione dell'acciaio: Bessemer, Thomas, focolare aperto, convertitore e produzione dell'acciaio elettrica, di cui, tra l'altro, vorremmo parlare nel nostro abstract, come esempio dell'uso dell'elettricità da parte dell'assistente di un produttore di acciaio.

Capitolo 1. Corrente elettrica

Colleghiamo una lampadina con una batteria elettrica con fili. I fili e il filamento della lampadina formavano un anello chiuso, un circuito elettrico. In questo circuito scorre una corrente elettrica che riscalda il filamento della lampada finché non diventa incandescente. Cos'è la corrente elettrica? Questo è il movimento diretto delle particelle cariche.

Nella batteria si verificano reazioni chimiche, a seguito delle quali gli elettroni - particelle di materia con la carica più piccola - si accumulano sul terminale contrassegnato con un segno "-" (meno). Il metallo di cui sono costituiti i fili e il filamento della lampadina è costituito da atomi che formano un reticolo cristallino. Gli elettroni possono passare liberamente attraverso questo reticolo. Il flusso di elettroni attraverso i conduttori (le cosiddette sostanze che trasmettono la corrente elettrica) da un terminale all'altro della batteria costituisce la corrente elettrica. Più elettroni passano attraverso il conduttore, maggiore è l'intensità della corrente elettrica. La corrente si misura in ampere (A). Se una corrente di 1 A scorre attraverso un conduttore, allora 6,24 * 1018 elettroni volano attraverso la sezione trasversale del conduttore ogni secondo. Questo numero di elettroni trasporta una carica di 1 C (coulomb).

La corrente elettrica nel circuito formato da fili, filamento di lampada e batteria può essere paragonata al flusso di liquido che si muove attraverso i tubi dell'acqua. I fili di collegamento sono tratti di tubo di grande sezione, il filamento della lampadina è un tubo sottile e la batteria è una pompa che crea pressione. Maggiore è la pressione, maggiore è il flusso del fluido. Una batteria in un circuito elettrico crea tensione (pressione). Maggiore è la tensione, maggiore è la corrente nel circuito. La tensione è misurata in volt (V). per far passare una corrente attraverso la lampadina di una torcia in modo che il suo filamento si illumini, è necessaria una tensione di 3-4 V. L'energia elettrica viene fornita agli appartamenti ad una tensione di 127 o 220 V e attraverso le linee elettriche (linee elettriche). la corrente viene trasmessa ad una tensione di centinaia di kilovolt (kV). L'energia elettrica rilasciata in 1 s (potenza) è pari al prodotto tra corrente e tensione. La potenza con una corrente di 1 A e una tensione di 1 V è pari a 1 watt (W).

Non tutte le sostanze trasmettono liberamente la corrente elettrica, ad esempio vetro, porcellana, gomma quasi non consentono il passaggio della corrente elettrica. Tali sostanze sono chiamate isolanti o dielettrici. I conduttori sono isolati con gomma; gli isolanti per le linee elettriche ad alta tensione sono realizzati in vetro e porcellana. Tuttavia, anche i metalli resistono alla corrente elettrica. Quando gli elettroni si muovono, “allontanano” gli atomi che compongono il metallo, facendoli muovere più velocemente, riscaldando il conduttore. Il riscaldamento dei conduttori mediante corrente elettrica fu studiato per la prima volta dallo scienziato russo E. H. Lenz e dal fisico inglese D. Joule. La proprietà della corrente elettrica di riscaldare i conduttori è ampiamente utilizzata nella tecnologia. La corrente elettrica riscalda i filamenti delle lampade elettriche e dei dispositivi di riscaldamento elettrico e fonde l'acciaio nei forni elettrici.

Nel 1820, il fisico danese G.-H. Oersted scoprì che vicino a un conduttore percorso da corrente, un ago magnetico devia. Fu così scoperta la straordinaria proprietà della corrente elettrica di creare un campo magnetico. Questo fenomeno è stato studiato in dettaglio dallo scienziato francese A. Ampere. Scoprì che due fili paralleli attraverso i quali scorre corrente nella stessa direzione si attraggono e, se le direzioni delle correnti sono opposte, i fili si respingono. Ampere ha spiegato questo fenomeno con l'interazione dei campi magnetici creati dalle correnti. L'effetto dell'interazione dei fili con la corrente e i campi magnetici viene utilizzato nei motori elettrici, nei relè elettrici e in molti strumenti di misura elettrici.

Un'altra proprietà della corrente elettrica può essere rilevata facendo passare la corrente attraverso un elettrolita: una soluzione di sale, acido o alcali. Negli elettroliti, le molecole di una sostanza vengono suddivise in ioni, particelle di molecole con cariche positive o negative. La corrente in un elettrolita è il movimento degli ioni. Per far passare la corrente attraverso l'elettrolita, vengono abbassate due piastre metalliche collegate a una sorgente di corrente. Gli ioni positivi si muovono verso l'elettrodo collegato al terminale negativo. Gli ioni vengono creati sugli elettrodi. Questo processo è chiamato elettrolisi. Con l'aiuto dell'elettrolisi, è possibile isolare i metalli puri dai sali, dalla cromatura e dalla nichelatura di vari oggetti, eseguire la lavorazione più complessa di prodotti che non può essere eseguita su semplici macchine per il taglio dei metalli e separare l'acqua nelle sue parti componenti - idrogeno e ossigeno.

Nei bagni di elettrolisi, in una lampadina collegata alla batteria di una torcia, la corrente scorre sempre in una direzione e l'intensità della corrente non cambia. Questa corrente è chiamata corrente continua. Tuttavia, nella tecnologia, viene spesso utilizzata la corrente alternata, la cui direzione e forza cambiano periodicamente. Il tempo di un ciclo completo di cambiamento della direzione della corrente è chiamato periodo e il numero di periodi in 1 s è la frequenza della corrente alternata. La corrente industriale, che aziona macchine, illumina strade e appartamenti, cambia con una frequenza di 50 periodi al 1 s. La corrente alternata può essere facilmente trasformata: la sua tensione può essere aumentata e diminuita utilizzando trasformatori.

Con l'invenzione del telegrafo e del telefono, per trasmettere informazioni venne utilizzata la corrente elettrica. Inizialmente, attraverso i fili venivano trasmessi impulsi lunghi e brevi di corrente continua, corrispondenti ai punti e ai trattini del codice Morse. Tali impulsi di corrente, o corrente pulsante, ma con un sistema di codifica delle informazioni più complesso, vengono utilizzati nei moderni computer elettronici (computer) per trasmettere numeri, comandi e parole da un dispositivo della macchina a un altro.

La corrente alternata può essere utilizzata anche per trasmettere informazioni. Le informazioni possono essere trasmesse mediante corrente alternata modificando in un certo modo l'ampiezza delle oscillazioni della corrente. Questa codifica delle informazioni è chiamata modulazione di ampiezza (AM). È anche possibile modificare la frequenza delle oscillazioni della corrente alternata in modo che a determinate informazioni corrisponda una determinata variazione di frequenza. Questa codifica è chiamata modulazione di frequenza (FM). I ricevitori radio dispongono di canali AM e FM che “decifrano” – trasformandole in suono – le oscillazioni modulate in ampiezza o frequenza delle onde radio ricevute dall'antenna.

Al giorno d'oggi, la corrente elettrica ha trovato applicazione in tutte le sfere dell'attività umana. L'azionamento di macchine utensili e macchine, i sistemi automatici di monitoraggio e controllo, numerosi dispositivi nei laboratori di ricerca e gli elettrodomestici sono impensabili senza l'uso della corrente elettrica. Telefono e telegrafo moderni, radio e televisione, computer elettronici, dalle calcolatrici tascabili alle macchine che controllano i voli dei veicoli spaziali: sono tutti dispositivi basati sui circuiti di corrente elettrica più complessi.

Capitolo 2. Generazione di energia elettrica

.1 Alternatore

L’energia elettrica presenta innegabili vantaggi rispetto a tutti gli altri tipi di energia. Può essere trasmesso via cavo su grandi distanze con perdite relativamente basse e distribuito convenientemente tra i consumatori. La cosa principale è che questa energia, con l'aiuto di dispositivi abbastanza semplici, può essere facilmente convertita in qualsiasi altra forma: meccanica, interna (riscaldamento dei corpi), energia luminosa, ecc.

La corrente alternata ha il vantaggio rispetto alla corrente continua che la tensione e la corrente possono essere convertite (trasformate) in un intervallo molto ampio senza quasi nessuna perdita di energia. Tali trasformazioni sono necessarie in molti dispositivi di ingegneria elettrica e radio. Ma una necessità particolarmente grande di trasformare tensione e corrente sorge quando si trasmette elettricità su lunghe distanze.

La corrente elettrica viene generata nei generatori, dispositivi che convertono l'energia di un tipo o dell'altro in energia elettrica. I generatori includono celle galvaniche, macchine elettrostatiche, termopile, pannelli solari, ecc. Si stanno esplorando le possibilità di creare tipi di generatori fondamentalmente nuovi. Ad esempio, si stanno sviluppando le cosiddette energie combustibili, in cui l'energia rilasciata dalla reazione dell'idrogeno con l'ossigeno viene convertita direttamente in elettricità. È in corso un lavoro di successo per creare generatori magnetoidrodinamici (generatori MHD). Nei generatori MHD, l'energia meccanica di un getto di gas caldo ionizzato (plasma) che si muove in un campo magnetico viene convertita direttamente in energia elettrica.

L'ambito di applicazione di ciascuno dei tipi elencati di generatori di elettricità è determinato dalle loro caratteristiche. Pertanto, le macchine elettrostatiche creano un'elevata differenza di potenziale, ma non sono in grado di creare alcuna corrente significativa nel circuito. Le celle galvaniche possono produrre una corrente elevata, ma la loro durata d'azione non è lunga.

Il ruolo predominante nel nostro tempo è svolto dai generatori di corrente alternata ad induzione elettromeccanica. In questi generatori l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica. La loro azione si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Tali generatori hanno una struttura relativamente semplice e consentono di ottenere correnti elevate con una tensione sufficientemente elevata.

In futuro, quando si parlerà di generatori, si intenderanno generatori elettromeccanici ad induzione.

Oggi sono disponibili molti tipi diversi di generatori a induzione. Ma sono tutti costituiti dalle stesse parti di base. Si tratta, in primo luogo, di un elettromagnete o magnete permanente che crea un campo magnetico e, in secondo luogo, di un avvolgimento in cui viene indotto un campo elettromagnetico alternato (nel modello di generatore considerato questo è un telaio rotante). Poiché i campi elettromagnetici indotti nelle spire collegate in serie si sommano, l'ampiezza dei campi elettromagnetici indotti nel telaio è proporzionale al numero di spire in esso contenute. È anche proporzionale all'ampiezza del flusso magnetico alternato Фm = BS attraverso ogni giro.

Per ottenere un grande flusso magnetico, i generatori utilizzano uno speciale sistema magnetico costituito da due nuclei in acciaio elettrico. Gli avvolgimenti che creano il campo magnetico sono posizionati nelle fessure di uno dei nuclei e gli avvolgimenti in cui viene indotta la forza elettromagnetica si trovano nelle fessure dell'altro. Uno dei nuclei (solitamente interno) insieme al suo avvolgimento ruota attorno ad un asse orizzontale o verticale. Ecco perché si chiama rotore (o armatura). Il nucleo stazionario con il suo avvolgimento è chiamato statore (o induttore). Lo spazio tra i nuclei dello statore e del rotore è ridotto al minimo. Ciò garantisce il valore più elevato del flusso di induzione magnetica.

Nel modello del generatore mostrato nella Figura 19, ruota un telaio metallico, che è un rotore (anche se senza nucleo di ferro). Il campo magnetico è creato da un magnete permanente stazionario. Naturalmente si potrebbe fare il contrario: ruotare il magnete e lasciare immobile il telaio.

Nei grandi generatori industriali, è l'elettromagnete, che è il rotore, a ruotare, mentre gli avvolgimenti in cui viene indotta la forza elettromagnetica sono posti nelle cave dello statore e rimangono fermi. Il fatto è che la corrente deve essere fornita al rotore o rimossa dall'avvolgimento del rotore al circuito esterno mediante contatti striscianti. Per fare ciò, il rotore è dotato di anelli collettori fissati alle estremità del suo avvolgimento. Le piastre fisse - spazzole - vengono premute contro gli anelli e collegano l'avvolgimento del rotore con il circuito esterno. L'intensità della corrente negli avvolgimenti dell'elettromagnete che crea il campo magnetico è significativamente inferiore alla corrente fornita dal generatore al circuito esterno. Pertanto, è più conveniente rimuovere la corrente generata dagli avvolgimenti stazionari e fornire una corrente relativamente debole all'elettromagnete rotante attraverso i contatti striscianti. Questa corrente è generata da un generatore DC separato (eccitatrice) situato sullo stesso albero.

Nei generatori a bassa potenza, il campo magnetico è creato da un magnete permanente rotante. In questo caso non sono necessari anelli e spazzole.

L'aspetto dell'EMF negli avvolgimenti stazionari dello statore è spiegato dalla comparsa in essi di un campo elettrico a vortice, generato da un cambiamento nel flusso magnetico quando il rotore ruota.

Se un telaio piatto ruota in un campo magnetico uniforme, il periodo della fem generata è uguale al periodo di rotazione del telaio. Questo non è sempre conveniente. Ad esempio, per ottenere corrente alternata con frequenza di 50 Hz, il telaio deve compiere 50 giri/s in un campo magnetico uniforme, cioè 3000 giri al minuto La stessa velocità di rotazione sarà necessaria nel caso di rotazione di un magnete permanente bipolare o di un elettromagnete bipolare. Infatti, il periodo di variazione del flusso magnetico che penetra nelle spire dell'avvolgimento dello statore dovrebbe essere pari a 1/50 s. Per fare ciò, ciascuno dei poli del rotore deve compiere 50 giri al secondo. La velocità di rotazione può essere ridotta se si utilizza un elettromagnete avente come rotore 2, 3, 4... coppie di poli. Quindi il periodo della corrente generata corrisponderà al tempo necessario per ruotare il rotore rispettivamente di 1/2, 1/3, 1/4 ... frazioni di cerchio. Di conseguenza, il rotore può essere ruotato 2, 3, 4... volte più lentamente. Ciò è importante quando il generatore è azionato da motori a bassa velocità, come le turbine idrauliche. Pertanto, i rotori dei generatori della centrale idroelettrica di Uglich sul Volga girano a 62,5 giri al minuto e hanno 48 coppie di poli.

Generatore 2.2 MHD

La base dell'energia moderna sono le centrali termoelettriche (CHP). Il funzionamento delle centrali termoelettriche si basa sulla conversione dell'energia termica rilasciata durante la combustione del combustibile organico, prima in energia meccanica di rotazione dell'albero di una turbina a vapore o a gas, e poi con l'ausilio di un generatore elettrico in energia elettrica . Come risultato di questa doppia conversione, molta energia viene sprecata: rilasciata sotto forma di calore nell'aria, spesa per apparecchiature di riscaldamento, ecc.

È possibile ridurre queste spese energetiche involontarie, abbreviare il processo di conversione energetica ed eliminare le fasi intermedie di conversione energetica? Si scopre che è possibile. Una delle centrali elettriche che converte l'energia di un liquido o di un gas elettricamente conduttivo in movimento direttamente in energia elettrica è un generatore magnetoidrodinamico, o generatore MHD in breve.

Come i generatori elettrici convenzionali, il generatore MHD si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica: in un conduttore che attraversa le linee del campo magnetico si forma una corrente elettrica. In un generatore MHD, tale conduttore è il cosiddetto fluido di lavoro: liquido, gas o metallo liquido con elevata conduttività elettrica. In genere, i generatori MHD utilizzano gas ionizzato caldo o plasma. Quando il plasma si muove attraverso il campo magnetico, in esso si formano flussi diretti opposti di portatori di carica: elettroni liberi e ioni positivi.

Un generatore MHD è costituito da un canale attraverso il quale si muove il plasma, un elettromagnete per creare un campo magnetico ed elettrodi che sopprimono i portatori di carica. Di conseguenza, tra gli elettrodi posizionati opposti si crea una differenza di potenziale che provoca una corrente elettrica nel circuito esterno ad essi collegato. Pertanto, il generatore MHD converte l'energia del plasma in movimento direttamente in elettricità, senza trasformazioni intermedie.

Il vantaggio principale di un generatore MHD rispetto ai generatori elettromagnetici convenzionali è l'assenza di componenti e parti meccaniche in movimento, come ad esempio in un turbo o in un generatore di idrogeno. Questa circostanza consente di aumentare significativamente la temperatura iniziale del fluido di lavoro e, di conseguenza, l'efficienza del generatore.

Il primo generatore MHD sperimentale con una potenza di soli 11,5 kW fu costruito nel 1959 negli USA. Nel 1965, il primo generatore MHD sovietico fu studiato in URSS e nel 1971 fu lanciato un impianto pilota, una sorta di centrale elettrica con un generatore MHD da 25 MW. Tali centrali elettriche possono essere utilizzate, ad esempio, come fonti di energia elettrica di riserva o di emergenza, nonché come fonti di alimentazione per dispositivi che richiedono un consumo energetico significativo in un breve periodo di tempo.

2.3 Generatore di plasma - plasmatron

Se un solido viene riscaldato troppo, si trasformerà in un liquido. Se aumenti ulteriormente la temperatura, il liquido evaporerà e si trasformerà in gas.

Ma cosa succede se si continua ad aumentare la temperatura? Gli atomi della sostanza inizieranno a perdere i loro elettroni, trasformandosi in ioni positivi. Invece di un gas, si forma una miscela gassosa, costituita da elettroni, ioni e atomi neutri che si muovono liberamente. Si chiama plasma.

Al giorno d'oggi, il plasma è ampiamente utilizzato in una varietà di campi della scienza e della tecnologia: per il trattamento termico dei metalli, l'applicazione di vari rivestimenti, la fusione e altre operazioni metallurgiche. Recentemente, il plasma è stato ampiamente utilizzato dai chimici. Hanno scoperto che in un getto di plasma la velocità e l’efficienza di molte reazioni chimiche aumentano notevolmente. Ad esempio, introducendo metano in un flusso di plasma di idrogeno, è possibile convertirlo in acetilene di grande valore. Oppure posiziona i vapori d'olio su una serie di composti organici: etilene, propilene e altri, che successivamente servono come importanti materie prime per la produzione di vari materiali polimerici.

Schema di un generatore di plasma - plasmatron

Getto di plasma;

Scarica dell'arco;

Canali di turbolenza del gas;

Catodo metallico refrattario;

Gas formatori di plasma;

Portaelettrodo;

Camera di scarico;

Solenoide;

Anodo di rame.

Come creare il plasma? A questo scopo viene utilizzata una torcia al plasma, o un generatore di plasma.

Se si posizionano elettrodi metallici in un recipiente contenente gas e si applica loro alta tensione, si verificherà una scarica elettrica. In un gas ci sono sempre elettroni liberi. Sotto l'influenza di una corrente elettrica, accelerano e, scontrandosi con atomi di gas neutri, eliminano da essi gli elettroni e formano particelle caricate elettricamente - ioni, ad es. ionizzare gli atomi. Gli elettroni rilasciati vengono inoltre accelerati dal campo elettrico e ionizzano nuovi atomi, aumentando ulteriormente il numero di elettroni e ioni liberi. Il processo si sviluppa come una valanga, gli atomi della sostanza vengono ionizzati molto rapidamente e la sostanza si trasforma in plasma.

Questo processo avviene in un plasmatron ad arco. Al suo interno viene creata un'alta tensione tra il catodo e l'anodo, che può essere, ad esempio, un metallo che deve essere lavorato utilizzando il plasma. Nello spazio della camera di scarico viene fornita una sostanza che forma plasma, molto spesso gas: aria, azoto, argon, idrogeno, metano, ossigeno, ecc. Sotto l'influenza dell'alta tensione, si verifica una scarica nel gas e tra il catodo e l'anodo si forma un arco plasma. Per evitare il surriscaldamento delle pareti della camera di scarico, queste vengono raffreddate con acqua. Dispositivi di questo tipo sono chiamati torce al plasma con arco plasma esterno. Sono utilizzati per tagliare, saldare, fondere metalli, ecc.

La torcia al plasma è progettata in modo leggermente diverso per creare un getto di plasma. Il gas che forma il plasma viene soffiato ad alta velocità attraverso un sistema di canali a spirale e “acceso” nello spazio tra il catodo e le pareti della camera di scarica, che costituiscono l'anodo. Il plasma, attorcigliato in un getto denso grazie a canali a spirale, viene espulso dall'ugello e la sua velocità può variare da 1 a 10.000 m/s. Il campo magnetico creato dall'induttore aiuta a “spremere” il plasma dalle pareti della camera e a rendere il suo getto più denso. La temperatura del getto di plasma all'uscita dell'ugello va da 3000 a 25000 K.

Dai un'occhiata più da vicino a questo disegno. Ti ricorda qualcosa di ben noto?

Naturalmente, questo è un motore a reazione. La forza di spinta in un motore a reazione è creata da un flusso di gas caldi espulsi ad alta velocità dall'ugello. Maggiore è la velocità, maggiore è la forza di trazione. Cosa c'è di peggio nel plasma? La velocità del getto è abbastanza adatta: fino a 10 km/s. E con l'aiuto di campi elettrici speciali, il plasma può essere accelerato ancora di più, fino a 100 km/s. Si tratta di circa 100 volte la velocità dei gas nei motori a reazione esistenti. Ciò significa che la spinta dei motori a reazione al plasma o elettrici può essere maggiore e il consumo di carburante può essere notevolmente ridotto. I primi campioni di motori al plasma sono già stati testati nello spazio.

Capitolo 3. Trasmissione dell'elettricità

.1 Linee elettriche

L'energia elettrica differisce favorevolmente da tutti i tipi di energia in quanto i suoi potenti flussi possono essere trasmessi quasi istantaneamente per migliaia di chilometri. I "canali" dei fiumi energetici sono linee di trasmissione di energia (PTL), i principali collegamenti dei sistemi energetici.

Attualmente vengono costruiti due tipi di linee elettriche: aeree, che trasportano corrente attraverso fili sopra la superficie della terra, e sotterranee, che trasmettono corrente attraverso cavi elettrici posati, di regola, in trincee sotterranee.

Le linee elettriche sono costituite da supporti: cemento o metallo, alle cui spalle sono fissate ghirlande di isolatori in porcellana o vetro. Fili di rame, alluminio o acciaio-alluminio sono tesi tra i supporti e sospesi da isolatori. La linea di trasmissione di potenza supporta il passo attraverso i deserti e la taiga, la scalata in alta montagna, l'attraversamento di fiumi e gole di montagna.

L'aria funge da isolante tra i fili. Pertanto, maggiore è la tensione, maggiore dovrebbe essere la distanza tra i fili. Le linee elettriche passano anche attraverso i campi, vicino alle aree popolate. Pertanto, i cavi devono essere sospesi ad un'altezza sicura per le persone. Le proprietà dell'aria come isolante dipendono dal clima e dalle condizioni meteorologiche. I costruttori di linee elettriche devono tenere conto della forza dei venti dominanti, delle differenze tra le temperature estive e invernali e molto altro ancora. Ecco perché la costruzione di ogni nuova linea di trasmissione di energia richiede un lavoro serio da parte dei geometri sul percorso migliore, ricerca scientifica, modellazione, calcoli ingegneristici complessi e persino un'elevata abilità dei costruttori.

Il piano GOERLO prevedeva la creazione simultanea di potenti centrali elettriche e reti elettriche. Quando si trasmette elettricità attraverso cavi a distanza, le perdite di energia sono inevitabili, perché quando la corrente elettrica passa attraverso i cavi, li riscalda. Pertanto, la trasmissione di corrente a bassa tensione, 127 - 220 V, quando entra nei nostri appartamenti, su una distanza superiore a 2 km non è redditizia. Per ridurre le perdite nei cavi, la tensione della corrente elettrica viene aumentata nelle sottostazioni elettriche prima di essere immessa nella linea. Con l'aumento della potenza delle centrali elettriche e l'espansione dei territori coperti dall'elettrificazione, la tensione della corrente alternata sulle linee di trasmissione aumenta costantemente a 220, 380, 500 e 750 kV. Per collegare le reti elettriche della Siberia, del Kazakistan settentrionale e degli Urali è stata costruita una linea di trasmissione elettrica da 1150 kV. Non esistono linee del genere in nessun paese del mondo: l'altezza dei supporti arriva fino a 45 m (l'altezza di un edificio di 15 piani), la distanza tra i fili di ciascuna delle tre fasi è di 23 m.

Tuttavia, i cavi ad alta tensione sono pericolosi per la vita ed è impossibile condurli in case, fabbriche e fabbriche. Ecco perché, prima di trasmettere l'elettricità al consumatore, la corrente ad alta tensione viene ridotta nelle sottostazioni di riduzione.

Il circuito di trasmissione AC è il seguente. La corrente a bassa tensione generata dal generatore viene fornita al trasformatore della sottostazione step-up, convertita in corrente ad alta tensione, quindi lungo la linea elettrica va al luogo di consumo energetico, qui viene convertita dal trasformatore in bassa tensione corrente, e poi va ai consumatori.

Il nostro paese è il fondatore di un altro tipo di linee di trasmissione di energia: le linee a corrente continua. È più redditizio trasmettere corrente continua su linee elettriche rispetto a corrente alternata, poiché se la lunghezza della linea supera 1,5-2 mila km, le perdite di elettricità durante la trasmissione di corrente continua saranno inferiori. Prima di introdurre corrente nelle case dei consumatori, questa viene riconvertita in corrente alternata.

Per introdurre la corrente ad alta tensione nelle città e distribuirla alle sottostazioni elettriche discendenti, le linee elettriche via cavo vengono posate sottoterra. Gli esperti ritengono che in futuro le linee elettriche aeree lasceranno generalmente il posto alle linee via cavo. Le linee aeree presentano uno svantaggio: attorno ai cavi ad alta tensione si crea un campo elettrico che supera il campo magnetico terrestre. E questo ha un effetto negativo sul corpo umano. Ciò potrebbe rappresentare un pericolo ancora maggiore in futuro, quando la tensione e la corrente trasmesse lungo le linee elettriche aumenteranno ancora di più. Già adesso, per evitare conseguenze indesiderate, è necessario creare un “diritto di precedenza” attorno alle linee elettriche dove è vietato costruire qualsiasi cosa.

È stata testata una linea di cavi che simula le future linee elettriche superconduttrici. All'interno del tubo metallico, ricoperto da diversi strati dell'isolamento termico più avanzato, è presente un nucleo di rame costituito da numerosi conduttori, ciascuno dei quali è ricoperto da una pellicola di niobio. All'interno del tubo viene mantenuto il vero freddo cosmico: una temperatura di 4,2 K. A questa temperatura non si verifica alcuna perdita di elettricità dovuta alla resistenza.

Per trasmettere l'elettricità, gli scienziati hanno sviluppato linee riempite di gas (GIL). GIL è un tubo metallico riempito con gas - esafluoruro di zolfo. Questo gas è un ottimo isolante. I calcoli mostrano che con una maggiore pressione del gas è possibile trasmettere corrente elettrica con una tensione fino a 500 kV attraverso fili posati all'interno del tubo.

Le linee elettriche in cavo interrate faranno risparmiare centinaia di migliaia di ettari di terreno prezioso, soprattutto nelle grandi città.

Come abbiamo già detto, tale trasmissione di elettricità è associata a perdite notevoli. Il fatto è che la corrente elettrica riscalda i fili delle linee elettriche. Secondo la legge Joule-Lenz, l'energia spesa per riscaldare i fili della linea è determinata dalla formula

Q = io 2Rt

dove R è la resistenza di linea. Se la lunghezza della linea è molto lunga, la trasmissione di energia può diventare economicamente non redditizia. È praticamente molto difficile ridurre significativamente la resistenza della linea. Pertanto, è necessario ridurre la forza attuale.

Poiché la potenza attuale è proporzionale al prodotto tra corrente e tensione, per mantenere la potenza trasmessa è necessario aumentare la tensione nella linea di trasmissione. Inoltre, quanto più lunga è la linea di trasmissione, tanto più vantaggioso è l'utilizzo di una tensione maggiore. Pertanto, nella linea di trasmissione ad alta tensione Volzhskaya HPP - Mosca, viene utilizzata una tensione di 500 kV. Nel frattempo, i generatori di corrente alternata sono costruiti per tensioni non superiori a 16-20 kV. Tensioni più elevate richiederebbero misure speciali complesse per isolare gli avvolgimenti e altre parti dei generatori.

Ecco perché nelle grandi centrali elettriche vengono installati trasformatori elevatori. Il trasformatore aumenta la tensione nella linea della stessa quantità di cui diminuisce la corrente.

Per utilizzare direttamente l'elettricità nei motori delle macchine utensili, nella rete di illuminazione e per altri scopi, è necessario ridurre la tensione ai capi della linea. Ciò si ottiene utilizzando trasformatori step-down.

Tipicamente, una diminuzione della tensione e, di conseguenza, un aumento della corrente avviene in più fasi. Ad ogni fase la tensione diminuisce sempre di più e il territorio coperto dalla rete elettrica si allarga (Fig. 4).

Quando la tensione è molto elevata, tra i fili inizia una scarica a effetto corona, che porta ad una perdita di energia. L'ampiezza ammissibile della tensione alternata deve essere tale che, per una data sezione trasversale del filo, le perdite di energia dovute alla scarica corona siano insignificanti.

Le centrali elettriche in diverse regioni del paese sono collegate da linee di trasmissione ad alta tensione, formando una rete elettrica comune alla quale sono collegati i consumatori. Questa combinazione, chiamata sistema energetico, consente di livellare i carichi “di punta” del consumo energetico nelle ore mattutine e serali. Il sistema di alimentazione garantisce una fornitura ininterrotta di energia ai consumatori indipendentemente dalla loro ubicazione. Ora quasi l'intero territorio del paese è fornito di elettricità da sistemi energetici unificati.

La perdita dell'1% di elettricità al giorno per il nostro Paese comporta una perdita di circa mezzo milione di rubli.

3.2 Trasformatore

La corrente alternata differisce favorevolmente dalla corrente continua in quanto la sua intensità può essere modificata con relativa facilità. I dispositivi che convertono la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di un'altra tensione sono chiamati trasformatori elettrici (dalla parola latina "transformo" - "trasformo"). Il trasformatore fu inventato dall'ingegnere elettrico russo P. N. Yablochkin nel 1876.

Il trasformatore è costituito da diverse bobine (avvolgimenti) avvolte su un telaio con filo isolato, che sono posizionate su un nucleo costituito da sottili piastre di acciaio speciale.

Una corrente elettrica alternata che scorre attraverso uno degli avvolgimenti, chiamato primario, crea un campo magnetico alternato attorno ad esso e nel nucleo, attraversando le spire dell'altro avvolgimento secondario del trasformatore, eccitando in esso una forza elettromotrice alternata. È sufficiente collegare una lampada a incandescenza ai terminali dell'avvolgimento secondario e la corrente alternata scorrerà nel circuito chiuso risultante. Pertanto, l'energia elettrica viene trasferita da un avvolgimento del trasformatore all'altro senza collegarli direttamente, ma solo grazie al campo magnetico alternato che collega gli avvolgimenti.

Se entrambi gli avvolgimenti hanno un numero diverso di spire, nell'avvolgimento secondario verrà indotta la stessa tensione indotta nel primario. Ad esempio, se si applica una corrente alternata di 220 V all'avvolgimento primario di un trasformatore, nell'avvolgimento secondario apparirà una corrente di 220 V. Se gli avvolgimenti sono diversi, la tensione nell'avvolgimento secondario non sarà uguale alla tensione fornita all'avvolgimento primario. In un trasformatore elevatore, ad es. in un trasformatore che aumenta la tensione della corrente elettrica, l'avvolgimento secondario contiene più spire del primario, quindi la tensione su di esso è maggiore che sul primario. In un trasformatore step-down, al contrario, l'avvolgimento secondario contiene meno spire del primario, e quindi la tensione su di esso è inferiore.

I trasformatori sono ampiamente utilizzati nell'industria e nella vita di tutti i giorni. I trasformatori elettrici di potenza consentono di trasmettere corrente alternata lungo linee elettriche su lunghe distanze con basse perdite di energia. A tale scopo, la tensione di corrente alternata generata dai generatori della centrale viene aumentata tramite trasformatori fino a raggiungere una tensione di diverse centinaia di migliaia di volt e inviata lungo le linee elettriche in varie direzioni. Nel punto di consumo energetico, a molti chilometri di distanza dalla centrale elettrica, questa tensione viene ridotta dai trasformatori.

Durante il funzionamento i potenti trasformatori diventano molto caldi. Per ridurre il riscaldamento del nucleo e degli avvolgimenti, i trasformatori vengono posti in appositi serbatoi con olio minerale. Un trasformatore elettrico dotato di un tale sistema di raffreddamento ha dimensioni davvero impressionanti: la sua altezza raggiunge diversi metri e il suo peso è di centinaia di tonnellate. Oltre a tali trasformatori, esistono anche trasformatori nani che funzionano in radio, televisori, registratori e telefoni. Con l'aiuto di tali trasformatori si ottengono diverse tensioni che alimentano diversi circuiti del dispositivo, trasmettono segnali da un circuito elettrico all'altro, da cascata a cascata e circuiti elettrici separati.

Come abbiamo già detto, il trasformatore è costituito da un nucleo chiuso in acciaio, sul quale sono posizionate due (a volte più) bobine con avvolgimenti di filo (Fig. 5). Uno degli avvolgimenti, chiamato avvolgimento primario, è collegato ad una sorgente di tensione alternata. Il secondo avvolgimento, a cui è collegato il “carico”, cioè gli elettrodomestici e i dispositivi che consumano energia elettrica sono detti secondari. Lo schema di progetto di un trasformatore con due avvolgimenti è mostrato in Figura 6.

Il funzionamento di un trasformatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quando la corrente alternata passa attraverso l'avvolgimento primario, nel nucleo appare un flusso magnetico alternato, che eccita una fem indotta in ciascun avvolgimento. Il nucleo in acciaio del trasformatore concentra il campo magnetico in modo che il flusso magnetico esiste quasi esclusivamente all'interno del nucleo ed è uguale in tutte le sue sezioni.

Il valore istantaneo della fem e indotta in ogni giro dell'avvolgimento primario o secondario è lo stesso. Secondo la legge di Faraday, è determinato dalla formula

e = - Ô,

dove Ф è la derivata del flusso di induzione magnetica rispetto al tempo. Se

F=F M cos'è, allora

Quindi,

e = wÔ M sì,

e = E M sì,

dove E M = wÔ M - ampiezza dell'EMF in un giro.

Se un circuito che consuma elettricità è collegato alle estremità dell'avvolgimento secondario o, come si suol dire, viene caricato un trasformatore, la corrente nell'avvolgimento secondario non sarà più zero. La corrente risultante, secondo la regola di Lenz, dovrebbe ridurre le variazioni del campo magnetico nel nucleo.

Ma riducendo l'ampiezza delle oscillazioni del flusso magnetico risultante dovrebbe, a sua volta, ridurre la fem indotta nell'avvolgimento primario. Tuttavia, questo è impossibile, poiché secondo te 1~e 1. pertanto, quando il circuito dell'avvolgimento secondario è chiuso, la corrente nell'avvolgimento primario aumenta automaticamente. La sua ampiezza aumenta in modo tale da ripristinare il valore precedente dell'ampiezza delle oscillazioni del flusso magnetico risultante.

L'aumento dell'intensità di corrente nel circuito dell'avvolgimento primario avviene secondo la legge di conservazione dell'energia: il rilascio di energia elettrica nel circuito collegato all'avvolgimento secondario del trasformatore è accompagnato dal consumo della stessa energia dalla rete da parte del avvolgimento primario. La potenza nel circuito primario con un carico del trasformatore vicino a quello nominale è approssimativamente uguale alla potenza nel circuito secondario: U 1IO 1~U 2IO 2.

Ciò significa che aumentando più volte la tensione utilizzando un trasformatore, riduciamo la corrente della stessa quantità (e viceversa).

Nei moderni trasformatori potenti, le perdite di energia totali non superano il 2-3%.

Affinché la trasmissione dell'energia elettrica sia economicamente vantaggiosa, è necessario ridurre al minimo le perdite di riscaldamento dei cavi. Ciò si ottiene trasmettendo elettricità su lunghe distanze ad alta tensione. Il fatto è che quando la tensione aumenta, la stessa energia può essere trasmessa con una intensità di corrente inferiore, ciò porta ad una diminuzione del riscaldamento dei fili e quindi a una diminuzione delle perdite di energia. In pratica, quando si trasmette energia, vengono utilizzate tensioni di 110, 220, 380, 500, 750 e 1150 kV. Più lunga è la linea elettrica, maggiore è la tensione utilizzata.

I generatori di corrente alternata producono una tensione di diversi kilovolt. La conversione dei generatori a tensioni più elevate è difficile: in questi casi sarebbe necessaria una qualità di isolamento particolarmente elevata di tutte le parti del generatore sotto corrente. Pertanto, quando si trasmette energia su lunghe distanze, è necessario aumentare la tensione utilizzando trasformatori installati nelle sottostazioni step-up.

Schema di funzionamento delle sottostazioni elettriche: step-up, convertitore (trazione), step-down.

L'alta tensione trasformata viene trasmessa attraverso le linee elettriche fino al punto di consumo. Ma il consumatore non ha bisogno dell'alta tensione. È necessario abbassarlo. Ciò si ottiene nelle sottostazioni step-down.

Le sottostazioni step-down si dividono in sottostazioni distrettuali, step-down principali e locali. Quelli distrettuali ricevono l'elettricità direttamente dalle linee elettriche ad alta tensione, riducono la tensione e la trasmettono alle principali sottostazioni step-down, dove la tensione viene ridotta a 6,10 o 35 kV. Dalle sottostazioni principali l'elettricità viene fornita a quelle locali, dove la tensione viene ridotta a 500, 380, 220 V e distribuita alle imprese industriali e agli edifici residenziali.

A volte dietro la sottostazione step-up si trova anche una sottostazione di conversione, dove la corrente elettrica alternata viene convertita in corrente continua. È qui che avviene la rettifica attuale. La corrente continua viene trasmessa attraverso le linee elettriche su lunghe distanze. Alla fine della linea nella stessa sottostazione, viene nuovamente convertita (invertita) in corrente alternata, che viene fornita alle principali sottostazioni discendenti. Per alimentare i trasporti elettrificati e gli impianti industriali con corrente continua, accanto alle principali sottostazioni step-down e locali vengono costruite sottostazioni di conversione (nei trasporti sono chiamate di trazione).

generatore di trasformatore di corrente elettrica

Capitolo 4. Energia per l'acciaieria

.1 Produzione di acciaio nei forni elettrici

Un forno elettrico è un'unità in cui il calore ottenuto dalla conversione dell'energia elettrica in energia termica viene trasferito al materiale da fondere. Secondo il metodo di conversione dell'energia elettrica in calore, i forni elettrici sono suddivisi nei seguenti gruppi:

) arco, in cui l'elettricità viene convertita in calore in un arco;

) forni a resistenza, nei quali il calore viene generato in elementi speciali o materie prime a seguito del passaggio di corrente elettrica attraverso di essi;

) combinati, funzionanti contemporaneamente come forni ad arco e a resistenza (forni mierotermici);

) induzione, in cui il metallo viene riscaldato da flussi vorticosi eccitati in esso dall'induzione elettromagnetica;

) fascio di elettroni, in cui, con l'ausilio di una corrente elettrica nel vuoto, si crea un flusso di elettroni strettamente diretto, che bombarda e fonde i materiali di partenza;

) plasma, in cui il riscaldamento e la fusione del metallo vengono effettuati mediante plasma a bassa temperatura.

In un forno elettrico è possibile produrre acciaio legato con un basso contenuto di zolfo e fosforo, inclusioni non metalliche, mentre la perdita di elementi leganti è molto inferiore. Nel processo di fusione elettrica è possibile regolare con precisione la temperatura del metallo e la sua composizione e fondere leghe di quasi tutte le composizioni.

I forni elettrici presentano vantaggi significativi rispetto ad altre unità di produzione dell'acciaio, pertanto le leghe per utensili altamente legate, le leghe per cuscinetti a sfera inossidabili, gli acciai resistenti al calore e al calore, nonché molti acciai strutturali vengono fusi solo in questi forni. Potenti forni elettrici vengono utilizzati con successo per produrre acciai a focolare aperto a bassa lega e ad alto tenore di carbonio. Inoltre, nei forni elettrici vengono prodotte varie ferroleghe, che sono leghe di ferro con elementi che devono essere rimossi nell'acciaio per la lega e la disossidazione.

Costruzione di forni elettrici ad arco.

Il primo forno ad arco elettrico in Russia fu installato nel 1910 nello stabilimento di Obukhov. Nel corso degli anni dei piani quinquennali furono costruite centinaia di forni diversi. La capacità del forno più grande dell'URSS è di 200 tonnellate. Il forno è costituito da un involucro cilindrico di ferro con fondo sferico. L'interno dell'involucro ha un rivestimento ignifugo. Lo spazio di fusione del forno è coperto da un tetto rimovibile.

Il forno è dotato di una finestra funzionante e di un'uscita con scivolo di scarico. Il forno è alimentato da corrente alternata trifase. Il riscaldamento e la fusione del metallo vengono effettuati da potenti archi elettrici che bruciano tra le estremità di tre elettrodi e il metallo nel forno. Il forno poggia su due settori di sostegno che rotolano lungo il telaio. L'inclinazione del forno verso l'uscita e la finestra di lavoro viene effettuata utilizzando un meccanismo a pignone e cremagliera. Prima di caricare il forno, l'arco sospeso su catene viene sollevato fino al portale, quindi il portale con l'arco e gli elettrodi viene rivolto verso lo scivolo di scarico e il forno viene caricato con una vasca.

Attrezzatura meccanica di un forno ad arco.

L'involucro del forno deve sopportare il carico della massa di refrattari e metallo. È realizzato in lamiera saldata dello spessore di 16-50 mm, a seconda delle dimensioni del forno. La forma dell'involucro determina il profilo dello spazio di lavoro del forno elettrico ad arco. Il tipo più comune di involucro attualmente utilizzato è un involucro conico. La parte inferiore dell'involucro ha la forma di un cilindro, la parte superiore è a forma di cono con prolungamento verso l'alto. Questa conformazione dell'involucro facilita il riempimento del forno con materiale refrattario. Le pareti inclinate aumentano la durabilità della muratura, poiché si trova più lontano dagli archi elettrici; Vengono utilizzati anche involucri cilindrici con pannelli raffreddati ad acqua. Per mantenere la corretta forma cilindrica, la carcassa è rinforzata con nervature e anelli di rinforzo. Il fondo dell'involucro è solitamente realizzato sferico, il che garantisce la massima resistenza dell'involucro e un peso minimo della muratura. Il fondo è in acciaio amagnetico per l'installazione di un agitatore elettromagnetico sotto il forno.

La parte superiore del forno è coperta da una volta. La volta è assemblata con mattoni refrattari in un anello metallico raffreddato ad acqua, che resiste alle forze di spinta della volta sferica ad arco. Nella parte inferiore dell'anello c'è una sporgenza - un coltello, che si inserisce nella guarnizione di sabbia della rivestimento del forno. Nella muratura della volta sono lasciati tre fori per gli elettrodi. Il diametro dei fori è maggiore del diametro dell'elettrodo, quindi durante la fusione i gas caldi si riversano nello spazio, distruggendo l'elettrodo e rimuovendo il calore dal forno. Per evitare ciò, sulla volta vengono installati frigoriferi o economizzatori che servono a sigillare i fori degli elettrodi e a raffreddare la muratura della volta. Gli economizzatori gasdinamici forniscono la tenuta utilizzando una cortina d'aria attorno all'elettrodo. Sul tetto è inoltre presente un foro per l'aspirazione dei gas polverosi ed un foro per una lancia ossigeno.

Per caricare la carica in un forno di piccola capacità e caricare leghe e fondenti in forni di grandi dimensioni, forni di scarico delle scorie, ispezione, riempimento e riparazione del forno, è presente una finestra di caricamento incorniciata da un telaio fuso. Al telaio sono fissate delle guide lungo le quali scorre la serranda. La serranda è rivestita con mattoni refrattari. Per sollevare la serranda viene utilizzata un'azionamento pneumatico, idraulico o elettromeccanico.

Sul lato opposto l'involucro presenta una finestra per l'uscita dell'acciaio dal forno. Alla finestra è saldata una grondaia di scarico. Il foro per il rilascio dell'acciaio può essere rotondo con un diametro di 120-150 mm o quadrato con un diametro di 150 per 250 mm. Lo scivolo di scarico ha una sezione trasversale a forma di conca ed è saldato all'involucro con un angolo di 10-12° rispetto all'orizzontale. L'interno della grondaia è rivestito con mattoni di argilla refrattaria, la sua lunghezza è di 1-2 m.

I portaelettrodi vengono utilizzati per fornire corrente agli elettrodi e per bloccarli. Le teste dei portaelettrodi sono in bronzo o acciaio e vengono raffreddate con acqua, poiché sono molto calde sia per il calore del forno che per le correnti di contatto. Il portaelettrodo deve bloccare saldamente l'elettrodo e avere una bassa resistenza di contatto. Il più comune attualmente è il portaelettrodo a molla-pneumatico. L'elettrodo viene bloccato mediante un anello fisso e una piastra di bloccaggio, che viene premuta contro l'elettrodo da una molla. La piastra viene compressa dall'elettrodo e la molla viene compressa utilizzando aria compressa. Il portaelettrodo è montato su un manicotto metallico, una console fissata a un supporto mobile a forma di L in un'unica struttura rigida. Il palo può spostarsi verso l'alto o verso il basso all'interno di un palo fisso. Tre montanti fissi sono rigidamente collegati in un'unica struttura comune, che poggia sulla piattaforma della culla di supporto del forno.

La movimentazione delle scaffalature telescopiche mobili avviene o mediante un sistema di cavi e contrappesi azionati da motori elettrici, oppure mediante dispositivi idraulici. I meccanismi di spostamento degli elettrodi dovrebbero garantire un rapido sollevamento degli elettrodi in caso di collasso della carica durante il processo di fusione, nonché un abbassamento graduale degli elettrodi per evitare la loro immersione nel metallo o urti su pezzi non fusi del metallo. carica. La velocità di sollevamento degli elettrodi è di 2,5-6,0 m/min, la velocità di abbassamento è di 1,0-2,0 m/min.

Il meccanismo di inclinazione del forno dovrebbe inclinare dolcemente il forno verso l'uscita con un angolo di 40-45° per rilasciare l'acciaio e con un angolo di 10-15 gradi verso la finestra di lavoro per scaricare le scorie. Il telaio del forno, o culla, su cui è installata la scocca, poggia su da due a quattro settori di sostegno, che scorrono lungo guide orizzontali. I settori sono dotati di fori e le guide sono dotate di denti, che impediscono ai settori di scivolare quando il forno viene inclinato. L'inclinazione del forno viene effettuata utilizzando un meccanismo a cremagliera e ingranaggi o un azionamento idraulico. Due cilindri sono montati su supporti fissi di fondazione, e le aste sono incernierate ai settori di sostegno della culla del forno.

Il sistema di caricamento del forno è di due tipi: attraverso la finestra di riempimento utilizzando una macchina di caricamento muldoza e attraverso la parte superiore utilizzando una benna. Il caricamento attraverso una finestra viene utilizzato solo su forni piccoli. Caricando il forno dall'alto in una o due fasi per 5 minuti, il rivestimento si raffredda meno e il tempo di fusione si riduce; il consumo energetico è ridotto; Il volume del forno viene utilizzato in modo più efficiente. Per caricare il forno, il tetto viene sollevato di 150-200 mm sopra l'involucro del forno e girato di lato insieme agli elettrodi, aprendo completamente lo spazio di lavoro del forno per l'introduzione di una vasca di carica. La volta del forno è sospesa al telaio. È collegato ai supporti fissi dei portaelettrodi in un'unica struttura rigida, appoggiata su una console rotante, montata su un cuscinetto di supporto. I forni di grandi dimensioni hanno una torre rotante in cui sono concentrati tutti i meccanismi per girare il tetto. La torre ruota attorno ad una cerniera su rulli lungo una rotaia arcuata.

La vasca è un cilindro d'acciaio, il cui diametro è inferiore al diametro dello spazio di lavoro del forno. Nella parte inferiore del cilindro sono presenti settori flessibili mobili, le cui estremità sono accostate tramite anelli con un cavo. La pesatura e il caricamento della carica vengono effettuati nel piazzale di carica dell'acciaieria con forno elettrico. La vasca viene trasportata in officina su un carrello, sollevata da una gru e calata nel forno.

Con l'aiuto del sollevamento ausiliario della gru, il cavo viene estratto dagli occhielli dei settori e durante il sollevamento della vasca, i settori vengono aperti e la carica viene scaricata nel forno nell'ordine in cui è stata posizionata nel vasca. Quando si utilizzano pellet metallizzati come carica, il caricamento può essere effettuato in continuo attraverso una tubazione che passa in un foro nella volta del forno. Durante la fusione, gli elettrodi tagliano tre pozzetti nella carica, sul fondo dei quali si accumula metallo liquido. Per accelerare la fusione, i forni sono dotati di un dispositivo rotante che gira il corpo in un senso o nell'altro con un angolo di 80°. In questo caso, gli elettrodi tagliano nove pozzetti nella carica. Per ruotare il corpo, sollevare l'arco, sollevare gli elettrodi sopra il livello di carica e ruotare il corpo utilizzando una corona dentata fissata al corpo e degli ingranaggi. Il corpo del forno poggia su rulli.

Pulizia dei gas di scarico.

I moderni grandi forni ad arco per la fusione dell'acciaio emettono grandi quantità di gas polverosi nell'atmosfera durante il funzionamento. A ciò contribuisce ulteriormente l'uso di ossigeno e materiali in polvere.

Il contenuto di polvere nei gas dei forni elettrici ad arco raggiunge i 10 g/m^3 e supera notevolmente la norma. Per raccogliere la polvere, i gas vengono aspirati dall'area di lavoro dei forni mediante un potente ventilatore. A tale scopo viene praticato un quarto foro nella volta del forno con un tubo di aspirazione del gas. Il tubo si collega alla tubazione fissa attraverso uno spazio che consente di inclinare o ruotare il forno. Lungo il percorso i gas vengono diluiti con l'aria necessaria alla postcombustione della CO. I gas vengono poi raffreddati mediante getti d'acqua nello scambiatore di calore e convogliati in un sistema di tubi Venturi, dove le polveri vengono trattenute mediante umidificazione. Vengono utilizzati anche filtri in tessuto, disintegratori e precipitatori elettrici. Vengono utilizzati impianti di depurazione gas che comprendono l'intero reparto forni elettrici, con installazione di cappe scarico fumi sotto la tettoia del negozio sopra i forni elettrici.

Rivestimento del forno.

La maggior parte dei forni ad arco hanno un rivestimento principale costituito da materiali a base di MgO. Il rivestimento del forno crea un bagno metallico e svolge il ruolo di strato termoisolante che riduce la perdita di calore. Le parti principali del rivestimento sono il fondo del forno, le pareti e il tetto. La temperatura nell'area degli archi elettrici raggiunge diverse migliaia di gradi. Anche se il rivestimento del forno è separato dagli archi, deve comunque resistere a temperature fino a 1700°C. A questo proposito, i materiali utilizzati per il rivestimento devono avere elevata resistenza al fuoco, resistenza meccanica, resistenza termica e chimica. Il focolare di un forno per la fusione dell'acciaio viene assemblato nel seguente ordine. Il foglio di amianto viene steso sull'involucro in acciaio, su uno strato di amianto di polvere di argilla refrattaria, due strati di mattoni di argilla refrattaria e uno strato di base di mattoni di magnesite. Uno strato di lavoro di polvere di magnesite con resina e pece, un prodotto di raffinazione del petrolio, viene riempito su un fondo in mattoni di magnesite. Lo spessore dello strato stampato è di 200 mm. Lo spessore totale del focolare è circa uguale alla profondità della vasca e può raggiungere 1 m per forni di grandi dimensioni. Le pareti del forno vengono predisposte dopo opportuna posa di amianto e mattoni refrattari da mattoni crudi di magnesite-cromite di grandi dimensioni fino a 430 mm di lunghezza. La muratura delle pareti può essere realizzata con mattoni in cassette di ferro, che garantiscono la saldatura dei mattoni in un blocco monolitico. La durabilità delle pareti raggiunge 100-150 fusioni. La durata del focolare è di uno o due anni. Il rivestimento della volta del forno lavora in condizioni difficili. Resiste a grandi carichi termici dovuti ad archi di combustione e al calore riflesso dalle scorie. Le volte delle grandi fornaci sono realizzate con mattoni di magnesite-cromite. Quando si costruisce una volta vengono utilizzati mattoni normali e sagomati. In sezione trasversale, la volta ha la forma di un arco, che garantisce una stretta adesione dei mattoni tra loro. La durata dell'arco è di 50 - 100 fusioni. Dipende dalla modalità elettrica di fusione, dalla durata della permanenza del metallo liquido nel forno, dalla composizione dell'acciaio e delle scorie da fondere. Attualmente si stanno diffondendo volte e pannelli murali raffreddati ad acqua. Questi elementi facilitano il servizio di rivestimento.

La corrente viene fornita allo spazio di fusione del forno attraverso elettrodi assemblati da sezioni, ciascuna delle quali è una billetta rotonda con un diametro da 100 a 610 mm e una lunghezza fino a 1500 mm. Nei piccoli forni elettrici vengono utilizzati elettrodi di carbonio, in quelli grandi: grafite. Gli elettrodi di grafite sono realizzati con materiali a basso contenuto di carbonio: coke di petrolio, resina, pece. La massa dell'elettrodo viene miscelata e pressata, dopo di che il pezzo grezzo viene cotto in forni a gas a 1300 gradi e subisce un'ulteriore cottura di grafitizzazione a una temperatura di 2600 - 2800 gradi in forni a resistenza elettrica. Durante il funzionamento, a causa dell'ossidazione da parte dei gas del forno e dell'atomizzazione durante la combustione dell'arco, gli elettrodi si bruciano.

Quando l'elettrodo viene accorciato, viene abbassato nel forno. In questo caso il portaelettrodo si avvicina all'arcata. Arriva un punto in cui l'elettrodo diventa così corto da non poter sostenere l'arco e deve essere allungato. Per prolungare gli elettrodi, alle estremità delle sezioni vengono praticati dei fori filettati nei quali viene avvitato un nipplo adattatore, al quale si collegano le singole sezioni. Il consumo degli elettrodi è di 5-9 kg per tonnellata di acciaio prodotto.

Un arco elettrico è uno dei tipi di scarica elettrica in cui la corrente passa attraverso gas ionizzati e vapori metallici. Quando gli elettrodi si avvicinano brevemente alla carica o tra loro, si verifica un cortocircuito.

C'è una grande corrente che scorre. Le estremità degli elettrodi diventano incandescenti. Quando si allontanano gli elettrodi, tra di loro si forma un arco elettrico. Dal catodo caldo avviene l'emissione termoionica di elettroni che, dirigendosi verso l'anodo, si scontrano con le molecole di gas neutro e le ionizzano. Gli ioni negativi sono diretti all'anodo, gli ioni positivi al catodo. Lo spazio tra l'anodo e il catodo diventa ionizzato e conduttivo. Bombardare l'anodo con elettroni e ioni lo fa surriscaldare notevolmente. La temperatura dell'anodo può raggiungere i 4000 gradi. L'arco può bruciare con corrente continua e alternata. I forni elettrici ad arco funzionano a corrente alternata. Recentemente in Germania è stato costruito un forno elettrico ad arco a corrente continua.

Nella prima metà del periodo, quando l'elettrodo è il catodo, l'arco brucia. Quando cambia la polarità, quando la carica - metallica - diventa catodo, l'arco si spegne, poiché nel periodo iniziale di fusione il metallo non è stato ancora riscaldato e la sua temperatura non è sufficiente per l'emissione di elettroni. Pertanto, nel periodo iniziale di fusione, l'arco brucia in modo irrequieto e intermittente. Dopo che il bagno è stato ricoperto da uno strato di scorie, l'arco si stabilizza e brucia in modo più uniforme.

Materiale elettrico.

Gli elettrodi servono a fornire corrente all'area di lavoro del forno e a formare un arco elettrico. Gli elettrodi possono essere di carbonio o grafite. Nella produzione dell'acciaio elettrico vengono utilizzati principalmente elettrodi grafitati. Gli elettrodi di carbonio sono comunemente usati su piccoli forni.

L'attrezzatura elettrica dei forni ad arco comprende apparecchiature per il circuito di corrente principale, apparecchiature di controllo e misurazione, protezione e segnalazione, nonché un regolatore automatico per il meccanismo di movimento dell'elettrodo, azionamenti elettrici per i meccanismi del forno e un'installazione per l'agitazione elettromagnetica dei metalli.

La tensione operativa dei forni elettrici ad arco è compresa tra 100 e 800 V e la corrente viene misurata in decine di migliaia di ampere. La potenza di una singola installazione può raggiungere i 50 - 140 MVA*A. Alla sottostazione del forno elettrico viene fornita una tensione di corrente fino a 110 kV. L'alta tensione alimenta gli avvolgimenti primari dei trasformatori dei forni. L'equipaggiamento elettrico di un forno ad arco comprende i seguenti dispositivi:

Il sezionatore d'aria è progettato per scollegare l'intero impianto del forno elettrico dalla linea ad alta tensione durante la fusione. Il sezionatore non è destinato all'accensione e allo spegnimento della corrente, quindi può essere utilizzato solo con elettrodi sollevati e senza archi. Strutturalmente, il sezionatore è un interruttore di tipo chopper trifase.

L'interruttore principale viene utilizzato per disconnettere sotto carico un circuito elettrico attraverso il quale scorre corrente ad alta tensione. Se la carica non viene posizionata saldamente nel forno all'inizio della fusione, quando la carica è ancora fredda, gli archi bruciano in modo instabile, la carica collassa e si verificano cortocircuiti tra gli elettrodi. In questo caso, la forza attuale aumenta notevolmente. Ciò porta a grandi sovraccarichi del trasformatore, che potrebbe guastarsi. Quando la corrente supera il limite impostato, l'interruttore spegne automaticamente l'impianto, per il quale esiste un relè di corrente massima.

È necessario un trasformatore del forno per convertire l'alta tensione in bassa tensione (da 6-10 kV a 100-800 V). Gli avvolgimenti di alta e bassa tensione ed i circuiti magnetici su cui sono posti si trovano in un serbatoio con olio, che serve a raffreddare gli avvolgimenti. Il raffreddamento viene creato mediante il pompaggio forzato dell'olio dall'involucro del trasformatore nel serbatoio dello scambiatore di calore, in cui l'olio viene raffreddato con acqua. Il trasformatore è installato accanto al forno elettrico in un locale apposito. Dispone di un dispositivo che consente di commutare gli avvolgimenti in più fasi e quindi di regolare gradualmente la tensione fornita al forno. Ad esempio, un trasformatore per un forno domestico da 200 tonnellate con una capacità di 65 MV*A ha 23 livelli di tensione che commutano sotto carico, senza spegnere il forno.

La sezione della rete elettrica dal trasformatore agli elettrodi è chiamata rete corta. Gli alimentatori che escono dalla parete della sottostazione del trasformatore forniscono tensione al portaelettrodo utilizzando cavi flessibili raffreddati ad acqua. La lunghezza del tratto flessibile deve consentire l'inclinazione desiderata del forno e l'apertura del tetto per il caricamento. I cavi flessibili sono collegati a barre di rame raffreddate ad acqua installate sui manicotti dei portaelettrodi. I pneumatici per tubi sono collegati direttamente alla testa portaelettrodo, che blocca l'elettrodo. Oltre ai componenti principali indicati della rete elettrica, comprende varie apparecchiature di misurazione collegate alle linee di corrente tramite trasformatori di corrente o tensione, nonché dispositivi per il controllo automatico del processo di fusione.

Regolazione automatica.

Man mano che la fusione procede, è necessario fornire quantità variabili di energia al forno elettrico ad arco. È possibile modificare l'alimentazione modificando la tensione o la corrente dell'arco. La regolazione della tensione viene effettuata commutando gli avvolgimenti del trasformatore. La corrente viene regolata modificando la distanza tra l'elettrodo e la carica alzando o abbassando gli elettrodi. In questo caso la tensione dell'arco non cambia. L'abbassamento o il sollevamento degli elettrodi viene effettuato automaticamente tramite regolatori automatici installati in ogni fase del forno. Nei forni moderni è possibile impostare un determinato programma di funzionamento elettrico per l'intero periodo di fusione.

Dispositivo per la miscelazione elettromagnetica del metallo.

Per la miscelazione dei metalli nei grandi forni ad arco, per velocizzare e agevolare le operazioni tecnologiche di scarico delle scorie, viene installato un avvolgimento elettrico nella cassa sotto il fondo del forno, che viene raffreddata con acqua o aria compressa. Gli avvolgimenti dello statore sono alimentati da una corrente a bassa frequenza proveniente da un generatore bifase, che crea un campo magnetico mobile che cattura il bagno di metallo liquido e fa muovere gli strati inferiori di metallo lungo il fondo del forno nella direzione del movimento del campo. Gli strati superiori di metallo, insieme alle scorie ad esso adiacenti, si muovono nella direzione opposta. In questo modo il movimento potrà essere indirizzato sia verso la finestra di lavoro, che faciliterà l'uscita delle scorie dal forno, sia verso il foro di scarico, che favorirà la distribuzione uniforme degli alliganti e dei disossidanti e la media della composizione del metallo e della sua temperatura. Questo metodo ha avuto recentemente un uso limitato, poiché nei forni pesanti il ​​metallo viene mescolato attivamente mediante archi. Fusione dell'acciaio nel forno elettrico principale.

Materie prime.

Il materiale principale per la fusione elettrica sono i rottami di acciaio. I rottami non devono essere fortemente ossidati, poiché la presenza di una grande quantità di ruggine introduce una notevole quantità di idrogeno nell'acciaio. A seconda della composizione chimica, i rottami devono essere suddivisi in gruppi appropriati. La maggior parte dei rottami destinati alla fusione nei forni elettrici devono essere compatti e pesanti. Con una piccola massa di rottami, l'intera porzione da sciogliere non entra nel forno. È necessario interrompere il processo di fusione e caricare la carica. Ciò aumenta la durata della fusione, porta ad un aumento del consumo di energia e riduce la produttività dei forni elettrici. Recentemente nei forni elettrici sono stati utilizzati pellet metallizzati ottenuti con il metodo della riduzione diretta. Il vantaggio di questo tipo di materia prima, contenente l'85-93% di ferro, è che non è contaminata da rame e altre impurità. Si consiglia di utilizzare pellet per la fusione di acciai legati strutturali ad alta resistenza, acciai elettrici e acciai per cuscinetti a sfera.

Nel reparto fusorio del forno elettrico vengono generati rifiuti legati sotto forma di lingotti e materozze sottocolata; nel reparto di sverniciatura sotto forma di truciolo, nelle officine di laminazione sotto forma di rifili e rottami, ecc.; Inoltre, molti rottami legati provengono da impianti di costruzione di macchinari. L'uso di rifiuti metallici legati consente di risparmiare preziosi materiali leganti e aumenta l'efficienza economica delle fusioni elettriche. Il ferro dolce viene fuso appositamente in forni e convertitori a focolare aperto e viene utilizzato per controllare il contenuto di carbonio durante il processo di fusione elettrica.

4.2 Ricevitori tipici di energia elettrica

I consumatori del gruppo in esame creano un carico uniforme e simmetrico in tutte e tre le fasi. Gli shock del carico si verificano solo durante l'avvio. Il fattore di potenza è abbastanza stabile e solitamente ha un valore compreso tra 0,8 e 0,85. Per l'azionamento elettrico di pompe, compressori e ventilatori di grandi dimensioni, vengono spesso utilizzati motori sincroni che funzionano con un fattore di potenza leader.

I dispositivi di sollevamento e trasporto funzionano in modalità intermittente. Questi dispositivi sono caratterizzati da frequenti shock di carico. a causa di sbalzi di carico anche il fattore di potenza varia entro limiti significativi, mediamente da 0,3 a 0,8. In termini di gruppo di continuità, questi dispositivi dovrebbero essere classificati (a seconda del luogo di funzionamento e installazione) come consumatori di 1a e 2a categoria. I dispositivi di sollevamento e trasporto utilizzano sia corrente alternata (50 Hz) che continua. Nella maggior parte dei casi, il carico derivante dalle apparecchiature di sollevamento sul lato CA deve essere considerato simmetrico su tutte e tre le fasi.

Impianti di illuminazione elettrica

Le lampade elettriche sono un carico monofase, tuttavia, a causa della bassa potenza del ricevitore (di solito non più di 2 kW) nella rete elettrica, con il corretto raggruppamento degli apparecchi di illuminazione, è possibile ottenere un carico abbastanza uniforme tra le fasi ( con asimmetria non superiore al 5-10%).

La natura del carico è uniforme, senza scosse, ma il suo valore varia a seconda dell'ora del giorno, dell'anno e della posizione geografica. La frequenza attuale è quella industriale generale, pari a 50 Hz. Il fattore di potenza per le lampade ad incandescenza è 1, per le lampade a scarica di gas 0,6. Va tenuto presente che quando si utilizzano lampade a scarica di gas nei cavi, in particolare nei cavi neutri, si verificano armoniche di corrente più elevate.

Sono accettabili interruzioni di emergenza a breve termine (alcuni secondi) nell'alimentazione elettrica degli impianti di illuminazione. Per alcuni tipi di produzione, lunghe pause (minuti e ore) nell'alimentazione sono inaccettabili. In questi casi viene utilizzata l'alimentazione di riserva da una seconda fonte di corrente (in alcuni casi anche da una fonte CC indipendente). In quei settori in cui lo spegnimento dell'illuminazione mette a rischio la sicurezza delle persone, vengono utilizzati speciali sistemi di illuminazione di emergenza. Per gli impianti di illuminazione delle imprese industriali vengono utilizzate tensioni da 6 a 220 V.

Installazioni di convertitori

Per convertire la corrente trifase in corrente continua o corrente trifase con frequenza industriale 50 Hz in corrente trifase o monofase a bassa, alta o alta frequenza, sul territorio di un'impresa industriale vengono costruite fermate del convertitore.

A seconda del tipo di convertitori di corrente, gli arresti del convertitore si dividono in:

) impianti di convertitori di semiconduttori;

) unità di conversione con raddrizzatori al mercurio;

) unità di conversione con motogeneratori,

) arresti del convertitore con raddrizzatori meccanici.

Secondo il loro scopo, gli impianti di conversione verranno piegati per l'alimentazione

) motori di una serie di macchine e meccanismi;

) bagni di elettrolisi;

) trasporto elettrico interno allo stabilimento;

) precipitatori elettrici;

) Impianti di saldatura DC, ecc.

Gli impianti di conversione per scopi di elettrolisi sono ampiamente utilizzati nella metallurgia non ferrosa per la produzione di alluminio elettrolitico, piombo, rame, ecc. In tali impianti, la corrente a frequenza industriale con una tensione di 6-35 kV, di norma, utilizzando raddrizzatori al silicio è convertito in una tensione di corrente continua richiesta dalle condizioni tecnologiche (fino a 825 V).

Un'interruzione dell'alimentazione elettrica agli impianti di elettrolisi non provoca incidenti gravi con danni alle apparecchiature principali e può essere tollerata per diversi minuti, e in alcuni casi per diverse ore. In questo caso l'interruzione dell'alimentazione è associata principalmente alla mancanza di produzione . Tuttavia, a causa della fem inversa. bagni di elettrolisi, in alcuni casi, può verificarsi un movimento dei metalli rilasciati nella soluzione del bagno e, pertanto, un ulteriore consumo di energia per un nuovo rilascio dello stesso metallo. Gli impianti di elettrolisi devono essere alimentati con energia elettrica, come i ricevitori del 1° categoria, ma consentendo interruzioni di potenza a breve termine. La modalità operativa degli impianti di elettrolisi fornisce una curva di carico abbastanza uniforme e simmetrica nelle fasi. Il fattore di potenza degli impianti di elettrolisi è di circa 0,85-0,9. Una caratteristica del processo di elettrolisi è la necessità di mantenere a corrente raddrizzata costante e in relazione a ciò è necessario regolare la tensione sul lato della corrente alternata.

Gli impianti di conversione per il trasporto elettrico intraindustriale (trasporto, sollevamento, vari tipi di movimento di merci, ecc.) Hanno una potenza relativamente piccola (da centinaia a 2000-3000 kW). Il fattore di potenza di tali installazioni varia da 0,7 a 0,8. Il carico sul lato CA è simmetrico in fase, ma cambia bruscamente a causa dei picchi di corrente durante il funzionamento dei motori di trazione. Un'interruzione dell'alimentazione ai ricevitori di questo gruppo può causare danni ai prodotti e persino alle apparecchiature (soprattutto negli impianti metallurgici). . La cessazione dell'operazione di trasporto provoca generalmente gravi complicazioni nel funzionamento dell'impresa, e quindi questo gruppo di consumatori deve essere rifornito di elettricità, come i ricevitori di 1a o 2a categoria, consentendo un'interruzione a breve termine dell'alimentazione elettrica di questi impianti è prodotto da corrente alternata di frequenza industriale con una tensione di 0,4-35 kV.

Gli impianti di conversione per l'alimentazione di precipitatori elettrici (con raddrizzatori meccanici) fino a 100-200 kW sono ampiamente utilizzati per la purificazione del gas. Questi impianti sono alimentati da corrente alternata di frequenza industriale da trasformatori speciali con una tensione di 6-10 kV sull'avvolgimento primario. e fino a 110 kV sull'avvolgimento secondario il fattore di potenza di queste impostazioni è 0,7-0,8. Il carico sul lato dell'alta tensione è simmetrico e uniforme. Sono consentite interruzioni di corrente, la cui durata dipende dal processo di produzione. In settori come gli impianti chimici, questi impianti possono essere classificati come ricevitori della 1a e 2a categoria.

Motori elettrici dei meccanismi di produzione

Questo tipo di ricevitore si trova in tutte le imprese industriali. Tutti i tipi di motori vengono utilizzati per azionare le moderne macchine utensili. La potenza dei motori è estremamente varia e varia da frazioni a centinaia di kilowatt e oltre. Nelle macchine dove sono richieste elevate velocità di rotazione e la sua regolazione, vengono utilizzati motori in corrente continua, alimentati da gruppi raddrizzatori. Tensione di rete 660-380/220 V con una frequenza di 50 Hz Il fattore di potenza varia notevolmente a seconda del processo tecnologico. In termini di affidabilità dell'alimentazione, questo gruppo di ricevitori appartiene solitamente alla 2a categoria. Tuttavia, esistono un certo numero di macchine in cui un'interruzione di corrente è inaccettabile a causa delle condizioni di sicurezza (possibili lesioni al personale operativo) e per possibili danni ai prodotti, soprattutto durante la lavorazione di pezzi grandi e costosi.

Forni elettrici e impianti elettrotermici

Secondo il metodo di conversione dell'energia elettrica in calore, può essere suddivisa in:

) forni a resistenza;

) forni e impianti ad induzione;

) forni elettrici ad arco;

) forni con riscaldamento misto.

I forni a resistenza si dividono in forni ad azione indiretta e forni ad azione diretta in base al metodo di riscaldamento. Il riscaldamento del materiale nei forni indiretti avviene a causa del calore generato dagli elementi riscaldanti quando vengono attraversati da corrente elettrica. I forni a riscaldamento indiretto sono impianti con tensioni fino a 1000 V e sono alimentati nella maggior parte dei casi da reti a 380 V ad una frequenza industriale di 50 Hz. I forni sono prodotti con potenza monofase e trifase da unità a diverse migliaia di kilowatt. Nella maggior parte dei casi il fattore di potenza è 1.

Nei forni ad azione diretta, il riscaldamento viene effettuato dal calore rilasciato nel prodotto riscaldato quando lo attraversa una corrente elettrica. I forni vengono realizzati con potenze monofase e trifase fino a 3000 kW; l'alimentazione avviene con corrente a frequenza industriale di 50 Hz da reti a 380/220 V oppure tramite trasformatori abbassatori da reti a tensione più elevata. Il fattore di potenza è compreso tra 0,7 e 0,9. La maggior parte dei forni a resistenza in termini di alimentazione ininterrotta appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 2.

I forni e gli impianti per il riscaldamento ad induzione e dielettrico si dividono in forni fusori e impianti per la tempra e il riscaldamento continuo dei dielettrici

La fusione del metallo nei forni inerziali viene effettuata dal calore generato in esso durante il passaggio di una corrente di induzione.

I forni fusori vengono realizzati con e senza nucleo in acciaio. I forni a nucleo vengono utilizzati per la fusione dei metalli non ferrosi e delle loro leghe. I forni sono alimentati da una corrente a frequenza industriale di 50 Hz con una tensione di 380 V e superiore, a seconda della potenza. I forni a nucleo sono disponibili in versione monofase, bifase e trifase con una potenza fino a 2000 kVA. Il fattore di potenza varia da 0,2 a 0,8 (i forni per la fusione dell'alluminio hanno cos(?) = 0,2 - 0,4, per la fusione del rame 0,6-0,8). I forni a crogiolo vengono utilizzati per la fusione di acciaio di alta qualità e, meno comunemente, di metalli non ferrosi. I forni industriali senza nucleo possono essere alimentati da una corrente a frequenza industriale di 50 Hz proveniente da reti con una tensione di 380 V o superiore e da una corrente ad alta frequenza di 500-10.000 Hz da tiristori o convertitori di macchine elettriche. I motori di azionamento dei convertitori sono alimentati da corrente a frequenza industriale.

I forni sono prodotti con una potenza fino a 4500 kVA, il loro fattore di potenza è molto basso: da 0,05 a 0,25. Tutti i forni fusori appartengono alla categoria dei ricevitori di energia elettrica 2. Gli impianti per la tempra e il riscaldamento continuo, a seconda dello scopo, sono alimentati a frequenze da 50 Hz a centinaia di kilohertz.

L'alimentazione per le unità ad alta e alta frequenza viene prodotta rispettivamente da convertitori di macchine a tiristori o induttori e generatori di tubi. Questi impianti appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 2.

Negli impianti per il riscaldamento di dielettrici, il materiale riscaldato viene posto nel campo elettrico di un condensatore e il riscaldamento avviene per correnti di spostamento. Questo gruppo di installazioni è ampiamente utilizzato per incollare e asciugare il legno, riscaldare polveri per pressa, saldare e saldare materie plastiche, sterilizzare prodotti, ecc. L'alimentazione è fornita da corrente con una frequenza di 20-40 MHz e superiore. In termini di alimentazione ininterrotta, gli impianti per il riscaldamento dielettrici appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 2.

Secondo il metodo di riscaldamento, i forni elettrici ad arco si dividono in forni diretti e indiretti. Nei forni ad azione diretta, il riscaldamento e la fusione del metallo vengono effettuati dal calore generato da un arco elettrico che brucia tra l'elettrodo e il metallo fuso. I forni ad arco diretto sono suddivisi in diverse tipologie, tipiche delle quali sono la produzione dell'acciaio e il vuoto.

I forni per la fusione dell'acciaio sono alimentati da corrente a frequenza industriale di 6-110 V tramite trasformatori step-down. I forni sono prodotti trifase con una capacità fino a 45.000 kVA per unità. Fattore di potenza 0,85-0,9. Durante il funzionamento, durante il periodo di fusione della carica nei forni per la fusione dell'acciaio ad arco, si verificano frequenti cortocircuiti operativi (SC). supera il valore nominale di 2,5-3,5 volte. I cortocircuiti provocano una diminuzione della tensione sui bus delle sottostazioni, che influisce negativamente sul funzionamento di altri ricevitori di energia elettrica. A questo proposito, il funzionamento congiunto di forni ad arco e altri consumatori da una sottostazione comune è consentito se, quando alimentati da un potente sistema di alimentazione, la potenza totale dei forni non supera il 40% della potenza della sottostazione step-down, e se alimentato da un sistema a basso consumo, 15-20%

I forni ad arco sottovuoto vengono prodotti con una potenza fino a 2000 kW. L'alimentazione è fornita da corrente continua con una tensione di 30-40 V. Come fonti di energia elettrica vengono utilizzati convertitori di macchine elettriche e raddrizzatori a semiconduttore collegati a una rete di corrente alternata di 50 Hz.

Il riscaldamento del metallo nei forni indiretti viene effettuato dal calore generato da un arco elettrico che brucia tra di loro elettrodi di carbonio I forni ad arco a riscaldamento indiretto vengono utilizzati per la fusione del rame e delle sue leghe. La potenza dei forni è relativamente piccola (fino a 500 kVA); l'alimentazione è fornita dalla corrente a frequenza industriale di 50 Hz proveniente da speciali trasformatori da forno. In termini di alimentazione ininterrotta, questi forni appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 1, che consentono interruzioni di corrente a breve termine.

I forni elettrici a riscaldamento misto possono essere suddivisi in forni minerale-termici e forni di rifusione dell'elettroscoria.

Nei forni minerali, il materiale viene riscaldato dal calore, che viene rilasciato quando una corrente elettrica passa attraverso la carica e l'arco brucia. I forni vengono utilizzati per la produzione di ferroleghe, corindone, fusione di ghisa, piombo, sublimazione del fosforo, fusione di rame e rame-nichel opaco. L'alimentazione è fornita da corrente a frequenza industriale tramite trasformatori step-down. La potenza di alcuni forni è molto elevata, fino a 100 MVA (forno per sublimazione del fosforo giallo). Fattore di potenza 0,85-0,92. In termini di alimentazione ininterrotta, i forni per processi minerari appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 2.

Nei forni di rifusione dell'elettroscoria, il riscaldamento viene effettuato grazie al calore rilasciato nella scoria quando la corrente la attraversa. Le scorie vengono sciolte grazie al calore di un arco elettrico. La rifusione mediante elettroscoria viene utilizzata per produrre acciai di alta qualità e leghe speciali. I forni sono alimentati da una corrente a frequenza industriale di 50 Hz tramite trasformatori abbassatori, solitamente da reti da 6-10 kV con una tensione secondaria di 45-60 V. I forni sono, di regola, monofase, ma possono anche essere trifase. Fattore di potenza 0,85-0,95. In termini di affidabilità dell'alimentazione, i forni di rifusione dell'elettroscoria appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 1.

Quando si alimentano officine che dispongono di forni elettrici a vuoto di tutti i tipi, è necessario tenere presente che un'interruzione dell'alimentazione elettrica alle pompe per vuoto porta a incidenti e difetti di prodotti costosi. Questi forni dovrebbero essere classificati come ricevitori di energia elettrica di categoria 1.

Impianti di saldatura elettrica

Come i ricevitori sono suddivisi in impianti funzionanti con corrente alternata e continua. Tecnologicamente, la saldatura è divisa in saldatura ad arco e a contatto e, in base al metodo di esecuzione del lavoro, in manuale e automatica.

Le unità di saldatura elettrica DC sono costituite da un motore AC e da un generatore di saldatura DC. Con un tale sistema, il carico di saldatura viene distribuito uniformemente su tre fasi nella rete di alimentazione CA, ma il suo programma rimane variabile. Il fattore di potenza di tali installazioni alle condizioni operative nominali è 0,7-0,8; al minimo, il fattore di potenza scende a 0,4. Tra le unità di saldatura DC ci sono anche le unità raddrizzatrici.

Le saldatrici elettriche CA funzionano con una frequenza CA industriale di 50 Hz e rappresentano un carico monofase sotto forma di trasformatori di saldatura per saldatrici ad arco e saldatrici a resistenza. La saldatura con corrente alternata produce un carico monofase con funzionamento intermittente, carico irregolare delle fasi e, di norma, un basso fattore di potenza (0,3-0,35 per l'arco e 0,4-0,7 per la saldatura a resistenza). Gli impianti di saldatura sono alimentati da reti con una tensione di 380-220 V. I trasformatori di saldatura nei cantieri di costruzione e installazione sono caratterizzati da frequenti movimenti nella rete di alimentazione. Questa circostanza deve essere presa in considerazione quando si progetta la rete di alimentazione. Dal punto di vista dell'affidabilità energetica, gli impianti di saldatura appartengono ai ricevitori di energia elettrica della categoria 2.

Conclusione

I progressi nell'automazione hanno permesso di creare un progetto per un impianto metallurgico continuo, in cui processi disparati saranno collegati in un unico sistema di flusso. Si scopre che l'altoforno occupa ancora un posto centrale nell'intero processo. È possibile fare a meno del dominio?

Il problema della produzione in altoforno, o, come viene chiamata, della produzione diretta del ferro, è stato risolto da molti decenni. Sono stati compiuti progressi significativi in ​​questa direzione. C'è motivo di credere che negli anni '70 entreranno in funzione impianti di riduzione diretta del ferro piuttosto grandi con una produzione giornaliera di 500 tonnellate. Ma anche in questo caso la produzione con altiforni manterrà la sua posizione per molti decenni.

Si può immaginare ad esempio un processo senza dominio come questo. Nei forni a tubi rotanti, il minerale di ferro viene convertito in ferro. Utilizzando i magneti, i grani di ferro vengono separati dal resto della massa e il prodotto puro è pronto per l'ulteriore lavorazione. I prodotti finiti possono essere stampati da polvere di ferro. Può essere utilizzato per produrre acciaio di vari gradi aggiungendo gli additivi necessari (elementi leganti).

Con la messa in servizio di gigantesche centrali elettriche, la metallurgia sovietica riceverà molta elettricità a basso costo. Ciò creerà condizioni favorevoli per lo sviluppo della produzione elettrometallurgica e per un utilizzo ancora più ampio dell'elettricità in tutte le successive fasi di lavorazione delle leghe di ferro.

I successi della fisica atomica hanno dato origine all’idea della cosiddetta metallurgia delle radiazioni. L'accademico I.P. Bardin (1883-1960) espresse un'idea audace, quasi fantastica per il futuro sviluppo della metallurgia. "Penso", ha detto, "che all'inizio le persone inizieranno a "costruire" acciai legati della composizione richiesta utilizzando l'influenza radioattiva, senza introdurre in essi additivi leganti rari e costosi, ma creandoli direttamente in un mestolo di acciaio fuso. Dagli atomi di ferro, forse, di zolfo e fosforo, sotto l’influenza di un flusso di raggi, si verificheranno trasformazioni nucleari mirate nel metallo fuso”.

Le future generazioni di ricercatori dovranno lavorare per risolvere questo e altri problemi affascinanti. La metallurgia ferrosa attende nuovi scopritori.

In questo saggio, a nostro avviso, abbiamo raggiunto il nostro obiettivo e abbiamo esaminato la trasmissione dell'elettricità a distanze e il suo utilizzo come componente necessario nel processo di produzione dell'acciaio elettrico. Inoltre, ci sembra, abbiamo completato tutti i compiti che ci eravamo prefissati, vale a dire: abbiamo studiato ulteriore letteratura che ci ha aiutato a scrivere questo lavoro; ho conosciuto nuovi tipi di generatori e trasformatori; considerato il percorso della corrente elettrica dalla sua ricezione alla consegna al consumatore; infine, abbiamo studiato i processi fisici e meccanici che avvengono in un forno elettrico per l'acciaio.

Bibliografia

1. Babich V.K., Lukashkin N.D., Morozov A.S. et al./Fondamenti della produzione metallurgica (metallurgia ferrosa). Libro di testo per le scuole professionali secondarie - M.: Metallurgy, 1988. 272 ​​​​p.

Barg I. G., Valk H. Ya., Komarov D. T.; Ed. Barga I.G./Migliorare la manutenzione delle reti elettriche 0,4-20 kV nell'area di Seldsk - M.: Energia, 1980. - 240 pp., ill.

Bornatsky I. I., Blashchuk N. M., Yargin S. A., Strok V. I./Assistente dell'acciaieria a profilo largo: Libro di testo per le scuole professionali secondarie - M.: Metallurgy, 1986. 456 p.

Zubkov B.V., Chumakov S.V./Dizionario enciclopedico dei giovani tecnici - M.: Pedagogika, 1980. - 512 pp., ill.

Myakishev G. Ya., Bukhovtsev B. B./Fisica: libro di testo. per il 10° grado media scuola - M.: Educazione, 1990. - 223 p.: ill.

Myakishev G. Ya., Bukhovtsev B. B./Fisica: libro di testo. per il 10° grado media scuola - 9a edizione, rivista. - M.: Educazione, 1987. - 319 p., 4 p. ill.: ill.

Chigrai ID Converter, aiutante dell'acciaieria. M.: Metallurgia, 1977. 304 p.

La necessità di costruire linee elettriche è spiegata dalla generazione di elettricità principalmente in grandi centrali elettriche lontane dai consumatori - ricevitori relativamente piccoli distribuiti su vasti territori.

Le centrali elettriche vengono localizzate tenendo conto dell'influenza combinata di un gran numero di fattori: la disponibilità delle risorse energetiche, la loro tipologia e riserve; possibilità di trasporto; prospettive di consumo energetico in una particolare area, ecc. La trasmissione di energia elettrica a distanza offre numerosi vantaggi, consentendo:

Utilizzare fonti energetiche remote;

Ridurre la potenza di riserva totale dei generatori;

Utilizzare la discrepanza temporale in diverse latitudini geografiche, in cui i carichi massimi situati in esse non coincidono;

Utilizzare più pienamente la potenza delle centrali idroelettriche;

Aumentare l'affidabilità dell'alimentazione elettrica ai consumatori, ecc.

Le linee elettriche, destinate alla distribuzione dell'energia elettrica tra i singoli consumatori in una determinata area e al collegamento dei sistemi elettrici, possono essere realizzate sia su lunghe che su brevi distanze e sono destinate a trasmettere potenze di varie dimensioni. Per i passaggi a lunga percorrenza è di grande importanza portata, ovvero la potenza maggiore che può essere trasmessa lungo le linee elettriche, tenendo conto di tutti i fattori limitanti.

Per le linee elettriche aeree CA, si può presumere approssimativamente che la potenza massima che possono trasmettere sia approssimativamente proporzionale al quadrato della tensione e inversamente proporzionale alla lunghezza di trasmissione. Anche il costo della struttura può essere considerato, in modo molto approssimativo, proporzionale all'entità della tensione. Pertanto, nello sviluppo della trasmissione di energia elettrica a lunga distanza, c'è la tendenza ad aumentare la tensione come mezzo principale per aumentare la produttività. Dalla realizzazione delle prime linee elettriche la tensione è aumentata di 1,5-2 volte ogni 10-15 anni circa. Un aumento della tensione ha permesso di aumentare la lunghezza delle linee elettriche e le potenze trasmesse. Così, negli anni '20 del XX secolo, l'elettricità veniva trasmessa per distanze massime di circa 100 km. Negli anni '30 queste distanze erano aumentate fino a 400 km e negli anni '60 la lunghezza delle linee elettriche aveva raggiunto i 1.000-1.200 km (ad esempio, la linea di trasmissione elettrica Volgograd-Mosca).

L'aumento della capacità di trasmissione delle linee elettriche si ottiene principalmente aumentando la tensione, ma è anche essenziale modificare la progettazione delle linee elettriche e introdurre vari dispositivi di compensazione aggiuntivi, in cui viene ridotta l'influenza dei parametri che limitano la potenza trasmessa. Ad esempio, sulle linee elettriche con una tensione di 330 kV e superiore, i fili di ciascuna fase sono suddivisi in più conduttori interconnessi elettricamente, mentre i parametri delle linee sono notevolmente migliorati (la sua reattanza è ridotta); viene utilizzata la cosiddetta compensazione in serie: l'inclusione di condensatori nella linea, ecc.

La possibilità di aumentare ulteriormente la potenza massima richiede l'aumento delle tensioni e la modifica della progettazione delle linee elettriche. Sono associati al progresso tecnico generale, in particolare ai progressi nella tecnologia dei semiconduttori, alla creazione di materiali avanzati e allo sviluppo di nuovi tipi di trasmissione dell'energia.

Quando si costruiscono linee elettriche in corrente continua con elevata potenza massima, è necessario effettuare la conversione diretta della corrente alternata in corrente continua all'inizio della linea e la conversione inversa della corrente continua in corrente alternata all'estremità della linea, che provoca alcuni difficoltà tecniche ed economiche.

Esiste la possibilità fondamentale che le linee elettriche senza fili utilizzino onde elettromagnetiche o oscillazioni ad alta frequenza dirette lungo guide d'onda. Tuttavia, la realizzazione pratica di queste linee elettriche nell’industria è attualmente inaccettabile a causa della loro bassa efficienza.

Per trasmettere energia elettrica si possono utilizzare linee superconduttrici in cui la tensione può essere notevolmente ridotta. Un effetto vicino alla superconduttività si ottiene raffreddando profondamente i conduttori. In questo caso le linee elettriche sono chiamate criogeniche. Questa domanda ha una storia. Già nel 1911 il fisico olandese G. Kamerlingh-Onnes stabilì che quando il mercurio viene raffreddato a una temperatura inferiore a 4 K, la sua resistenza elettrica scompare completamente. Appare di nuovo all'improvviso quando la temperatura supera un valore critico. Questo fenomeno è stato chiamato superconduttività. Naturalmente, se tali materiali fossero ottenuti dagli ingegneri energetici, sostituirebbero con essi i normali conduttori, le linee elettriche fornirebbero energia in enormi quantità su distanze estremamente lunghe senza perdite. Sarebbe possibile aumentare significativamente l'efficienza di potenti dispositivi ad alta intensità energetica (elettromagneti, trasformatori, macchine elettriche) ed evitare molte difficoltà associate al surriscaldamento, fusione e distruzione delle parti.

Tutto questo, però, non restava altro che sogno, anche se sul fenomeno in sé non c'erano dubbi. Sono stati scoperti molti superconduttori. Nella tavola periodica risultano essere 28 elementi. Ma la temperatura critica più alta appartenente al niobio non superava i 10 K. Le possibilità della superconduttività, quindi, erano fortemente limitate dall'alto costo e dalla complessità delle installazioni che mantengono temperature ultra-basse. Leghe di molibdeno con tecnezio hanno portato la temperatura critica a 14 K. Inoltre, è stato possibile ottenere un composto di niobio, alluminio e germanio con una temperatura critica di 21 K. Per diverse centinaia di sostanze superconduttrici oggi conosciute, questa è una cifra record.

Studi pratici hanno dimostrato che all’aumentare della temperatura critica diminuisce il numero di superconduttori. Alcuni esperti credevano addirittura che sarebbe stato impossibile sfuggire alla prigionia delle temperature ultra-basse. Intorno ai 25 K si trova la temperatura critica più alta possibile.

Dopo la scoperta sperimentale della superconduttività, i fisici teorici hanno cercato a lungo di comprendere l'essenza del fenomeno incomprensibile. E solo mezzo secolo dopo, nel 1957, apparve la prima seria teoria della superconduttività. Altri seguirono. Portavano molte cose insolite. Quindi, ad esempio, secondo la teoria creata, gli elettroni di un superconduttore, contrariamente alla nota legge di Coulomb, che prescrive che tutte le particelle cariche allo stesso modo si respingano, al contrario, si attraggono e si combinano in coppie. Si è notato che non solo i metalli e le leghe, ma anche... le sostanze organiche possono essere superconduttori. Una delle conclusioni più significative della teoria è stata la seguente. Idrogeno metallico per le sue proprietà eccezionali- i protoni leggeri si trovano nei nodi del reticolo cristallino; può avere superconduttività a temperature dell'ordine relativamente elevate, abbastanza accettabili per scopi pratici 220K O-53 0 C. E ancora una cosa: è possibile che il processo di trasferimento di una sostanza dalla fase molecolare alla fase atomica sia irreversibile. Quando la pressione esterna viene rimossa, l'idrogeno potrebbe non perdere le sue proprietà superconduttrici per molto tempo. /

Ora è diventato chiaro: per avere un materiale che presenti proprietà superconduttrici in condizioni normali, è necessario padroneggiare l'intervallo di pressione dell'ordine di diverse centinaia di kilopascal. Queste grandezze, secondo i nostri standard umani, sono enormi. Sono paragonabili solo alle pressioni al centro della Terra (circa 300 kPa lì). La strada che porta all'obiettivo si è aperta davanti ai ricercatori, anche se anche in un esperimento di laboratorio non è stato ancora possibile ottenere questo tipo di pressione e, ovviamente, idrogeno solido, un superconduttore a temperatura normale.

Un'alternativa alla trasmissione di energia elettrica a distanza utilizzando correnti alternate e continue dalle centrali termoelettriche ai consumatori è il trasporto di carburante. Un'analisi comparativa delle possibili opzioni per l'approvvigionamento energetico dei consumatori mostra che il carbone ad alto contenuto calorico (più di 4000 kcal/kg) è solitamente consigliabile da trasportare su rotaia (se esiste). In molti casi, quando il gas naturale e il petrolio vengono utilizzati nelle centrali elettriche, è preferibile trasmetterli tramite condotte (Fig. 1). Quando si sceglie un metodo per trasmettere energia a distanza, è necessario tenere conto di un ampio insieme di questioni, come il rafforzamento del sistema elettrico durante la costruzione della trasmissione di energia, l'alimentazione elettrica, i consumatori situati vicino alle linee, l'aumento del carico su ferrovie, ecc.

Analizzando lo sviluppo dei sistemi energetici in diversi paesi, si possono identificare due tendenze principali:

1) avvicinare le centrali elettriche ai centri di consumo nei casi in cui non esistono fonti energetiche a basso costo nel territorio coperto dal sistema energetico unificato o quando le fonti sono già state utilizzate;

2) costruzione di centrali elettriche vicino a fonti energetiche a basso costo e trasmissione dell'elettricità ai centri di consumo.

Le linee di trasmissione elettrica, gli oleodotti e i gasdotti costituiscono il sistema unificato di approvvigionamento energetico del paese. I sistemi di approvvigionamento di elettricità, petrolio e gas devono essere progettati, costruiti e gestiti in un certo coordinamento tra loro, formando Sistema energetico unificato.

Figura 1 - Caratteristiche dei vari metodi di trasmissione dell'energia a distanza: Z- costi stimati, l- distanza; 1 - ferrovia a doppio binario, 2 - gasdotti, 3 - oleodotti, 4 - trasmissione di energia da stazioni alimentate a carbone a basso costo

La trasmissione dell'energia elettrica a distanza mediante un sistema monofilo risonante è caratterizzata da costi economici contenuti rispetto alle tecnologie tradizionali. Allo stesso tempo, non ci sono praticamente perdite nei cavi (centinaia di volte inferiori rispetto al metodo tradizionale di trasmissione dell'energia elettrica). Il costo di posa dei cavi è notevolmente ridotto – fino a 10 volte. È garantito un elevato livello di sicurezza elettrica per l'ambiente e l'uomo.

Descrizione:

Uno dei problemi più urgenti dell'energia moderna è la trasmissione dell'elettricità a distanza a bassi costi economici e la garanzia del risparmio energetico.

In pratica, per trasmettere energia elettrica su lunghe distanze si utilizzano di norma sistemi trifase, la cui realizzazione richiede l'utilizzo di almeno 4 fili, che presenta i seguenti svantaggi significativi:

– grandi perdite di energia elettrica nei cavi, le cosiddette perdite Joule,

– la necessità di utilizzare sottostazioni di trasformazione intermedie per compensare le perdite di energia nei cavi,

– verificarsi di incidenti dovuti a cortocircuito dei cavi, anche dovuti a fenomeni atmosferici pericolosi (forte vento, ghiaccio sui cavi, ecc.),

– consumi elevati metalli non ferrosi,

– elevati costi economici per la posa di reti elettriche trifase (diversi milioni di rubli per 1 km).

Gli svantaggi sopra menzionati possono essere eliminati utilizzando un sistema risonante a filo singolo per la trasmissione di energia elettrica, basato sulle idee di N. Tesla, modificato tenendo conto del moderno sviluppo della scienza e della tecnologia. Attualmente è stata sviluppata la tecnologia di un sistema risonante di trasmissione di energia elettrica a filo singolo.

Filo singolo risonante guida d'onda il sistema per la trasmissione dell'energia elettrica ad una frequenza maggiore di 1-100 kHz non utilizza corrente di conduzione attiva in un circuito chiuso. In una linea monoconduttore in guida d'onda risonante non c'è un anello chiuso, non ci sono onde viaggianti di corrente e tensione, ma ci sono onde stazionarie (stazionarie) di corrente e tensione reattive capacitive con uno sfasamento di 90°. Inoltre, a causa dell'assenza di corrente attiva e della presenza di un nodo corrente linee non è più necessario creare una modalità di conduzione ad alta temperatura in tale linea e le perdite Joule diventano insignificanti a causa dell'assenza di correnti di conduzione attive chiuse nella linea e di valori insignificanti di corrente capacitiva aperta vicino ai nodi di stazionario onde di corrente nella linea.

La tecnologia proposta si basa sull'uso di due circuiti risonanti con una frequenza di 0,5-50 kHz e una linea a filo singolo tra i circuiti (vedere Figura 1) con una tensione di linea di 1-100 kV quando si opera in modalità di risonanza di tensione.

Il filo è un canale guida lungo il quale si muove l'energia elettromagnetica. L'energia del campo elettromagnetico è distribuita intorno conduttore linee.

Riso. 1. Schema elettrico di un sistema di trasmissione di potenza risonante a filo singolo

1 – generatore ad alta frequenza; 2 – circuito risonante del trasformatore elevatore; 3 – linea unifilare; 4 – circuito risonante del trasformatore step-down; 5 – raddrizzatore; 6 – convertitore.

Come dimostrano i calcoli e gli esperimenti condotti, con questo metodo di trasmissione dell'energia elettrica non si verificano praticamente perdite nei cavi (centinaia di volte inferiori rispetto al metodo tradizionale di trasmissione dell'energia elettrica) e questa tecnologia è sicura per l'ambiente e l'uomo.

Per coordinare un sistema di alimentazione convenzionale con il sistema proposto, dispositivi corrispondenti e convertitori, che vengono installati all'inizio e alla fine di una linea a filo singolo e consentono l'uso di apparecchiature elettriche CA o CC standard in ingresso e in uscita.

Attualmente è stata sviluppata la tecnologia per la trasmissione di elettricità con una potenza fino a 100 kW. La trasmissione di elettricità di potenza maggiore richiede l'uso di dispositivi elettronici (transistor, tiristori, diodi, ecc.) di maggiore potenza e affidabilità. Sono necessarie ulteriori ricerche per risolvere il problema dell'approvvigionamento energetico per gli impianti che consumano elettricità con una potenza superiore a 100 kW.

Vantaggi:

– l’energia elettrica viene trasmessa utilizzando la corrente reattiva capacitiva in modalità risonante,

– l’uso non autorizzato dell’energia è difficile,

– riduzione dei costi per la realizzazione degli elettrodotti,

– la possibilità di sostituire le linee elettriche aeree con linee in cavo a conduttore singolo,

– notevoli risparmi sui metalli non ferrosi, Perché la sezione trasversale del cavo è 3-5 volte inferiore alla sezione trasversale di un tradizionale sistema di trasmissione di energia trifase, il contenuto di alluminio e rame nei fili può essere ridotto di 10 volte,

– una significativa riduzione del raggio di sterzata delle linee, molto importante quando si posano cavi in ​​ambienti urbani,

– riduzione significativa (fino a 10 volte) dei costi di posa dei cavi,

– non c'è cortocircuito fase-fase,

– garantisce un elevato livello di sicurezza elettrica per l’ambiente e l’uomo,

– le perdite di elettricità in una linea a filo singolo sono piccole,

– l’elettricità può essere trasmessa su distanze lunghe e ultra lunghe,

– in un cavo unifilare non sono possibili cortocircuiti e un cavo unifilare non può provocare un incendio,

– nessuna necessità di manutenzione,

– la presenza di un campo magnetico ridotto,

– nessuna influenza delle condizioni atmosferiche,

– il paesaggio naturale non viene disturbato,

– mancanza di precedenza,

– Non ci sono praticamente perdite nei cavi (centinaia di volte inferiori rispetto al metodo tradizionale di trasmissione dell'energia elettrica).

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