دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
برق یا الکترونیک صورتی بسیار مناسب از انرژی است که دارای مشخصات زیر میباشد
1- به سادگی قابل انتقال است
2- روشهای مناسب و با بازدهی بالا برای تولید آن وجود دارد
3- مصرف آن به سادگی امکان پذیر است
این انرژی در واقع از پتانسیل لازم برای ایجاد یک ولتاژ مهیا می‌گردد. انرژی الکتریکی بر حسب ولتاژ و جریان قابل بیان است اگر مصرف کننده ، جریان را تحت ولتاژ مصرف نماید انرژی الکتریکی که مصرف میشود از رابطه زیر به دست می آید:
تعاریف اولیه :
بار الکتریکی – خاصیت فیزیکی ذرات بنیادی( همانند الکترون و پروتون ) در جذب و دفع همدیگر می باشد. واحد بار الکتریکی کولن است که کولن بر حسب آمپر تعریف می شود، یه این منظور کل باری که از یک مقطع سیم طی یک ثانیه می گذرد اندازه گیری می شود. 1 کولن باری است که طی یک ثانیه از سیمی با جریان 1 آمپر می گذرد . الکترون باری به اندازه و پروتون باری به اندازه دارد.
میدان الکتریکی – اگر بار آزمونی را در فضای نزدیک میله بارداری قرار دهیم یک نیروی الکترواستاتیک بر آن وارد خواهد شد. در این صورت می گوئیم که در این فضا میدان الکتریکی وجود دارد. مفهوم میدان الکتریکی – اگر ذره بارداری در میدان الکتریکی قرار گیرد شروع به حرکت می کند الکترون در خلاف میدان و بار مثبت در جهت میدان حرکت می کند.
اساس ایجاد میدان مغناطیسی حرکت چرخشی الکترون است. اگر باری در میدان مغناطیسی قرار گیرد حرکت نمی کند اما اگر یک قطب مغناطیسی در میدان مغناطیسی قرار گیرد شروع به حرکت می کند. اگر بار یا میدان در میدان مغناطیسی در حال حرکت باشد بر بار نیرو وارد می شود.
در عمده ژنراتورها یک سیم پیچ وظیفه تولید برق را از روی تغییرات شاری که توسط یک آهنربا با یک سیم پیچ مولد میدان ایجاد می شود بر عهده دارد به همین خاطر ژنراتورها به دو دسته آهنربای ثابت premanent magnet و یا با سیم پیچ تحریک گروه بندی می شوند. در نیروگاه ها از انرژی پتانسیل نهفته در بخار، آب، باد، انرژی هسته ای، موج و تبدیل آن از فرم مربوط به خودش ، به فرم انرژی الکتریکی برق تولید می کنند.
پتانسیل الکتریکی – میدان اطراف میله باردار را نه تنها به وسیله میدان الکتریکی ( برداری ) E بلکه به وسیله یک کمیت نرده ای مانند پتانسیل الکتریکی V نیز می توان توصیف کرد.
جریان – موضوع انتقال بار یا بار متحرک ، در مطالعه مدارهای الکتریکی اهمیت حیاتی دارد، زیرا در انتقال بار از نقطه ای به نقطه دیگر ، انرژی هم جابجا می شود. خطوط انتقال توان ، نمونه عملی این انتقال انرژی است. امکان تغییر آهنگ بار به همین اندازه مهم است، زیرا از آن در مخابرات و برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. این فرآیند اساس سیستم های مخابراتی مثل رادیو ، تلوزیون و دورسنجی است. جریان یک مسیر مجزا ، مثلاً یک سیم فلزی ، علاوه برمقدار عددی ، جهت هم دارد. جریان آهنگ عبور بار از یک نقطه مرجع در یک جهت خاص است.
واحد پتانسیل الکتریکی ولتاژ Vو واحد جریان الکتریکی آمپر A میباشد واحد انرژی الکتریکی ژول است.
توان الکتریکی – ریت مصرف انرژی یا تولید انرژی در واحد زمان است.
واحد توان الکتریکی وات است واحد تجاری برای مصرف و تولید برق وجود دارد که تحت عنوان معرفی می‌گردد. یک کیلووات ساعت در واقع توانایی تولید و یا مصرف توان یک کیلو وات در زمان یک ساعت و معادل انرژی مصرفی یک لامپ 100 W در 10 ساعت است.
هدف از این درس :
هدف از درس برق تآسیسات و آسانسور آشنایی با ملاحظات مربوط استانداردها و مفاهیم برق مصرفی در واحدهای صنعتی و غیر صنعتی ، ملاحظات مربوط به شناخت تجهیزات برقی (انواع کلیدها. فیوزها) اتصالات برقی ، مدارهای برق تأسیسات و محاسبات مربوط به آسانسورها و ایمنی مصرف برق است. توصیه می شود به عنوان یک hand book مناسب برای مهندسان با زمینه تخصصی غیر برق از کتاب (هند بوک وسترمان) استفاده نمایید.
تولید ومنابع توان الکتریکی :
تولید برق
تولید به یکی از صورتهای AC (Alternative current) و یا DC (Direct current) میباشد. برق AC توسط ژنراتورهای AC و برق DC توسط ژنراتورهای DC و یا پیل و باطری تولید می شود.
دستگاههایی که برق AC را به DC و یا برعکس تبدیل می کنند را آداپتور (Adapter) یا (inverter) می گویند.
اساس تولید برق در ژنراتورهای AC قانون فارادی است و پیلها توسط خواص شیمیایی و فیزیکی تولید انرژی برق می نمایند.
روشهای ژنراتوری بر مبنای قانون فارادی می باشند . در این قانون چنانچه شار مغناطیسی عبوری از یک صفحه یا سیم پیچ با زمان تغییر کند روی سیم پیچ جریان ایجاد می گردد.
میدان الکتریکی از یک سطح بسته می گذرد . اگر سطح بسته شود باری که روی سطح بسته است :
میدان مساحت = شار الکتریکی
تولید توان الکتریکی به روشهای زیر انجام می شود که در ادامه شرح هر بخش به تفصیل خواهد آمد :
2- 1-1 منابع توان الکتروشیمیایی
منبع توان الکتروشیمیایی یا باتری وسیله‌ای است که از واکنش شیمیایی انرژی الکتریکی ایجاد می کند. کاربردهای منابع توان الکتروشیمیایی شامل سلولهای دکمه‌ای کوچک که در ساعتهای الکتریکی استفاده میشوند ، باتریهای سرب ـ اسیدی برای راه اندازی ، روشنایی و تولید جرقه در وسائط نقلیه با موتورهای احتراق داخلی است. کاربرد دوم آنها که احتمالاً طی بیست سال آینده اهمیت بیشتری خواهد یافت، قابلیت بعضی سیستم‌های الکتروشیمیایی در ذخیره انرژی الکتریکی است که از طریق یک منبع خارجی ، تأمین نیروی محرکه خودروهای الکتریکی به صورت منابع تغذیه اضطراری و یا به صورت بخشی از سیستم‌های تغذیه برق شهر جهت برآوردن پیک‌های تقاضای کوتاه مدت (ترازبندی بار) یا در ارتباط با منابع انرژی تجدید پذیر مثل توان خورشیدی، موج یا باد به کار می‌روند.
اولین توصیف موثق در مورد باتری الکتروشمیایی توسط Alcssandro Volta پروفسور فلسفه وفیزیک دانشگاه پاویا درایتالیا در نامه‌ای به جامه سلطنتی ( لندن) در سال 1800 ارائه شد.
2- 1-2 نامگذاری
استفاده از واژگان مربوط به وسایل الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می‌کنند همراه با کمی سردرگمی است. در بسیاری موارد خواص این وسایل با گذر زمان تغییر کرده اما اسامی اولیه خود را حفظ کرده‌اند. در بقیه موارد واژه‌های متداول روشنگر ماهیت وسیله نیست. واژه باتری در اصل در مورد گروهی از « سلولها » با آرایش سری یا موازی بکار می‌رفت اما اکنون به یک سلول منفرد یا گروهی از سلولها اتلاق میشود.
سیستم اولیه سیستمی است که عمر مفیدش وقتی تمام میشود که واکنشگرهای آن با پروسه دشارژ مصرف شده باشند. برخلاف آن، سیستم ثانویه هنگامی قادر به شارژ یا دشارژ میشود که واکنشگرهای آن مصرف شده باشند. با عبور جریان از سلول در جهت مخالف دشارژ ، واکنش الکتروشیمیایی خود به خود را می توان معکوس نمود. بنابراین باتری ثانویه را می‌توان واحدی برای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی در نظر گرفت. اما به این نکته توجه کنید که در این باتریها انرژیی که از جریان خارجی حاصل میشود، نه به صورت انرژی الکتریکی همچون یک خازن، بلکه به صورت انرژی شیمیایی ذخیره می‌گردد. سایر واژه‌هایی که گاهی جهت توصیف این سیستم‌ها بکار می روند نظیر انباره ( این واژه به همراه « سلول» و « مدار» توسط Davy معرفی شد)، باتری ذخیره کننده، باتری قابل شارژ و غیره میباشند. در سلول رزرو یک جزء (معمولاً الکترولیت) از بقیه باتری جدا بوده یا در شرایط غیرفعال نگهداری می‌گردد تا زمانی که سلول فعال شود. چون در چنین سلولهایی دشارژ خود به خود و سایر پروسه‌های شیمیایی به حداقل می رسد، لذا نگهداری آنها به مدت طولانی در شرایط آب و هوایی ناسازگار امکان پذیر است. نمونه کاربردهای سلول رزرو در چراغ جلیقه نجات یا قایق نجات یا در سیستم سلاح‌های موشکی میباشد.
در اینجا در مورد سلولهای سوختی که معرفهای[1] کاتودیک و آنودیک آنها معمولاً به شکل گازی بوده و در خارج ذخیره شده و قارند به طور مداوم، سلول الکتروشیمیایی را تغذیه کنند، بررسی انجام نمی گردد. در این مورد اخیراً کتبی نوشته شده است. در اینجا اصطلاح « سلول هیبریدی» برای توصیف منبع توانی بکار رفته است که یکی از معرفهای فعال آن مانند اکسیژن هوا در حالت گازی است. با این مضمون اصطلاح «هیبرید» را نبایستی با مفهوم آن در اصطلاح «خودروهای برقی هیبریدی» اشتباه کرد، زیرا در آنجا به وسائط نقلیه‌ای اشاره می‌کند که بیش از یک منبع توان دارند.
نام سلول الکتروشیمیایی به رایج ترین روش با قرار دادن الکترود منفی در چپ الکترود و مثبت در راست نوشته میشود. بنابراین با گفتن نام سلول سدیم ـ گوگرد در می‌یابیم که سدیم معرف فعال در الکترود مثبت است. جهت تطبیق با اصطلاحات رایج در اینجا سه استثناء قائل می‌شویم بدین صورت که سلول سرب ـ اکسید سرب را « سرب ـ اسید» سلول کادمیوم ـ اکسید نیکل را « نیکل ـ کادمیوم» و سلول روی ـ دی اکسید منگنز را سلول « سلول لاکلانش» می‌نامیم.
2- 1-3 رنسانس در توسه باتری
تا همین اواخر باتریهای « سنتی» که از الکترودهای جامد و الکترولیت‌های آبی استفاده می‌کردند برای اکثریت کاربردهای عمومی رضایت بخش بودند. سیستم‌های اولیه سنتی مانند سلول لاکلانش Zn-Mno2 و سلول منگنز آلکالاین منابع توان مناسبی برای تجهیزات برقی پرتابل بوده (و هنوز تا حد زیادی هستند). باتریهای قابل شارژ دیرپا مانند باتریهای سرب-اسیدی یا نیکل ـ کادمیوم مدت زمان مدیدی است که به عنوان واحدهای ذخیره کننده انرژی کوچک و متمرکز ( در مناطقی مثل روستاها، سیستم‌های تلفن و راه آهن و غیره) و به عنوان منابع توان کمکی در حمل ونقل زمینی، هوایی و دریایی بکار رفته‌اند. طی سالیان دراز تحقیق و توسعه در صنعت باتری اساساً جهت بهبود این سیستم‌های شناخته شده به ویژه در حوزه طراحی مهندسی و تولید آنها بوده است.
به هر حال طی 25 سال گذشته این وضعیت به طور قابل ملاحظه‌ای تغییر کرده است. اولاً ارتقای فن آوری نیمه‌هادی‌ها منجر به تولید انبوه مدارهای مجتمع (LSI, VLSI, ULSI) شد که صنعت الکترونیک را دگرگون نمود. اکنون اجزاء میکروالکترونیکی، ارزان قیمت بوده و به طور وسیعی در تولید ماشین حساب‌های جیبی، ساعتهای الکتریکی و وسایل مشابه بکار می‌روند. در سال 1990 تولید جهانی ساعتهای باتری دار 108*4 عدد بود. به زودی توسعه گسترده وسیعی از چنین محصولات مصرفی الکترونیکی، مساحت منابع تغذیه مینیاتوری را با انرژی در واحد حجم بسیار بالاتر و خواص دشارژ برتر در مقایسه با باتریهای سنتی ایجاب نمود.
2- 1-4 بررسی انواع و کاربردهای متعارف باتریها
انرژی قابل استفاده کل یک باتری معیاری از میزان برقی است که می‌تواند تأمین نماید (این انرژی معمولاً بر حسب Wh سنجیده میشود) و نسبت مستقیم با سایز باتری دارد. یک نوع طبقه بندی باتریها طبقه بندی بر حسب سایز میباشد. همانطورکه درجدول 2-1 رایج ترین انواع باتری هی تجاری برطبق سایز طبقه بندی شده‌اند. گستره انرژی باتریها حداقل تا بیش از 15 مرتبه بزرگی امتداد می‌یابد. در پایین گستره سلولهای تجربی به مساحت cm1/0 با الکترولیت جامد PbF2 قرار دارند که انرژی کل آنها تنها در حدود Wh6-10*1 است. انرژی کوچکترین سلولهای دکمه‌ای تجاری در حول و حوش 100 mwh میباشد در حالی که انرژی سلولهای استوانه‌ای معمول با سایز D و حجم کل 3cm45 در حدود 2 تا 15 وات ساعت است. سلولهای قابل شارژ مورد استفاده در ابزار قدرتی و سایر وسایل برقی بی سیم قادر به تأمین 20 تا 100 وات ساعت میباشند. در بالای گستره، باتریهای سرب ـ اسیدی زیردریایی‌ها با وزن حدوداً 200 تن قرار دارند که انرژی اعلام شده آنها Mwh3 میباشد در حالی که اکنون باتریهای ترازبندی بار 40 مگاوات ساعتی تحقق یافته‌اند.
1ـ مواد شناساگر در یک واکنش شیمیایی به طوری که تنها در شرایط خاصی و با مواد مشخصی واکنش انجام می‌دهند.
2- 1- 5 باتریهای مینیاتوری :
باتریهای مینیاتوری با الکترولیت آبی، غیرآبی و جامد، منابع توان تجهیزات میکروالکترونیکی و سایر تجهیزات مینیاتوری به شمار می روند. در شکل 2-1-2 اندازه و شکل بعضی سلولهای دکمه‌ای به طور نمونه نشان داده شده است. کاربرد نوعی چنین سلولهایی در ساعتهای الکتریکی میباشد که مدار اسیلاتور آنها به طور پیوسته از میکروآمپر جریان می‌کشد و با توجه به نوع نشان دهنده و مقسم فرکانس یک واحد کامل ممکن است برای کار کردن به جریان کل 2/0 تا 5/0 میکرو آمپر نیاز داشته باشد. از این رو مقدار کل انرژی الکتریکی مصرفی برای یک سال کار کردن ساعت، در حدود 15 تا60 میلی وات ساعت است. در حال حاضر باتری‌هایی ساخته میشوند که به مدت 5 تا 10 سال عمر می‌کنند. در باتریهای ساعت، نرخ دشارژ خود به خود بایستی بی نهایت کم بوده و آب بندی نیز بسیار مطمئن باشد تا از نشت باتری جلوگیری شود. بعلاوه این نوع باتریها از نظر طراحی هم محدودیت‌های زیادی دارند تا بتوانند در فضای محدود داخل قاب ساعت جا بگیرند.
از نقطه نظر الکتریکی علاوه بر بالا بودن میزان انرژی (یعنی مقدار انرژی تأمین شده در واحد حجم) لازم است تا جهت دقت کارکرد مدارات ساعت، دشارژ به طور یکنواختی انجام پذیرد. بعلاوه در ساعت‌هایی که صفحات آنها دارای دیود کریستالی مایع است. باتری باید قادر به تحمل پالس‌های دشارژ تصادفی با نرخ بالا باشد، چون این نوع ساعتها معمولاً مجهز به یک لامپ تنگستن کوچک جهت روشنایی زمینه میباشند. راه دیگر تأمین توان ساعتها استفاده از باتریهای مینیاتوری با ظرفیت نسبتاً کم است به طوری که با استفاده از سلولهای خورشیدی، قابل شارژ باشند.
2- 1- 6 باتریهای تجهیزات پرتابل
احتمالاً شناخته شده ترین باتریها، « باتریهای خشک» بسته بندی شده ارزان قیمت هستند که در بسیاری از لوازم روشنایی پرتابل، اسباب بازیها، رادیو و شمار متعددی از سایر کاربردها استفاده میشوند. در شکل 2- 1-4 چند تک سلول استوانه‌ای با سایز استاندارد نشان داده شده‌اند. اکثریت این گروه از باتریها، بر پایه سیستم zn-Mno2 لاکلانش میباشند. اگرچه نسخه اولیه این سیستم در اواخر قرن پیشین ابداع شد، امروزه بهبودهای قابل ذکر و مداومی در ویژگی‌های کاری آن به وجود آمده است ( و این بهبودها هنوز نیز ادامه دارند). اما تنظیم ولتاژ در چنین سلولهایی نسبتاً ضعیف است و پیشرفت دشارژ کاهش می‌یابد. با ابداع سلول zn- HgO روبن ـ ملوری در دهه 1940 منبع دشارژ یکنواخت و دانسیته انرژی بهتر فراهم آمد. اخیراً سلولهای دارای آنود و الکترولیت حلال‌های ارگانیک، دانسیته‌های انرژی بالاتری را نیز بدست داده‌اند. چنین باتری‌هایی در مقایسه با باتریهای لاکلانش، نسبتاً گران قیمت بوده اما در کاربردهایی که داشتن وزن سبک اهمیت داشته است وسیعاً مورد مصرف قرار می‌گیرند.
شامل 216 صفحه فایل word قابل ویرایش
