热电仪 热电仪属电子、电磁、机械的技术领域。
在国民生产中的能量生产方面,需要将热能转化为电能。其主要方式是将热能(核热能,煤、石油、天燃气、植物遗体的化学热能,太阳光的聚焦热能)经过热机先转化为机械能,再经过发电机转化为电能。这种转化方式因热机的效率和发电机的效率及能量的几经周折转化的制约,使得其转化效率很低,只有30%左右。要提高其转化效率,最有效的途径就是在其转化过程中不经过热机这一环节直接将热能转化为电能(高中物理课本上册,分子运动论——热和功章、能量的利用和能源的开发节)。热电仪便是为适应这一需要而发明的把热能直接转化为电能的仪器。
热电仪与电子二极管 先看下列的一些物理现象:
——水在换热器中可以转化为水蒸汽,相反,水蒸汽通过换热器也可以转化为水。
——封住自行车打气筒的出气口,用力压缩活塞后再放开,活塞会自行返回。
——导线在磁场中做切割磁力线的运动会产生电流,相反,给导线通电,导线会做切割磁力线的运动。
………从这些现象中可以试得一个结论:能量和物质的状态在某一条件下可以转化为另一种状态。相反,其转化后的状态也可以在此条件下逆向转化为原来的状态。把这个结论引伸到热能和电能的互逆转化上来,可以这样考虑:现实生产、生活中有许多电能转化为热能地现象,能否通过其转化条件再把热能转化为电能呢?事实上普通电热器无法实现这一考虑。但真空热电子二极管的原理却可以实现这一考虑(高中物理课本下册、电子技术初步知识章、电子二极管节)。
电子二极管的两极接上与之相应的电池组两极后,电子二极管内的两极间产生真空热电子电流而形成了通路,电子二极管消耗电能。相反,使电子二极管内的两极间用其它的方法产生真空热电子电流而形成通路后,此电子二极管便对外输出电能。图1是产生这一逆反现象的实验图。
图1中所示在一根长1米的试管内插入一个适当长度的T形支架,支架上从左至右依次安装阴极静电板、灯丝、接收极、阳极静电板,与之相连的相应导线全是带绝缘度的导线。静电极板上套有瓷或者耐火泥制成的屏,以绝热绝缘,向试管内倒满汞后再倒置在一个也装有汞的量杯内,这便使灯丝处在真空中。按图所示接入电池组、灯炮、电压表和电流表。
先给灯丝通电发热至高温发射电子,再使静电极板带上高压电,会看到输出电路灯泡发亮,电压、电流表指针摆动。这表明灯丝和接收极之间产生了真空热电子电流而形成了通路并对外输电。增大灯丝电路电流强度后输出电路功率也相应增大,而静电电路电压增大后输出电路几乎没有变动。这是因为灯丝发热功率决定其发射电子的多少,而输出电路功率又受这些电子控制。静电电压的意义仅在于把灯丝所发射的电子送到接收极与输出电路中和。灯丝的热能通过真空热电子电流转化为了电能,其转化效率可以根据灯丝电路功率、输出电路功率,工作时间计算而得,可以达到90%以上。静电电路因不需接通而没有消耗。
热电仪 热电仪是根据上述实验结果而制成的。图2是它的结构展示图。其主要部分和上述实验结构相同,区别在于把灯丝改成了发射极。发射极由输原料细管,燃烧室、发热细管相连通构成。输原料细管一端与输送气泵相连通,另一端与燃烧室连通。内部又装有一根气、液两态燃料管,一根打火器管,空气则从这两根管的间隙供入燃烧室。燃烧室出口与发热细管相连通以便把使用燃料燃烧后的燃气的热能传给发热细管,发热细管又是螺旋状,更利于吸收燃气热能,其出口与输原料细管一样穿过仪座伸出仪外,并排出废燃气。输原料细管、发热细管伸出仪外的部分和整个打火器管都是瓷制成。
用燃料对发射极加热时,若是气或液态燃料,先将其装入其专用箱(见图2),从气泵送来的空气压缩箱内的活塞,活塞又压缩燃料经其管喷入燃烧室。若是固体燃料,则需先将其粉碎成粉末状后装入其专用漏斗,漏斗出口与气泵进气口相连通,粉状燃料随气泵气流吹入燃烧室,燃料的点燃用强烈电弧点燃,也可用电热丝点燃。
使用会聚太阳光对发射极加热时,让太阳光穿过热电仪上的凸透镜,其焦点恰好在发射极燃烧室上。
※使用核热能对发射极加热时,把从核反应谁出来的汽态金属钠流经发射极管道后液化再返回核反应堆。从而对发射极输送热能。
热电仪的起动、停止采用电气控制,其电路图见图2。L1、L2是继电器线圈,各控制三个开关。K1是停止开关。K2是起动开关。起动时由起动电池组供电,用于按合K2气泵和点火器电路接通,热电仪开始工作。由热电仪产生的电流通过L2线圈时,起动电池组停止对气泵和点火器供电,由热电仪电流单独对气泵供电。还可以用手按合K3对起动电池组充电。停止时用手按断K1,气泵断电后热电仪也停止工作。
热电仪组 单个热电仪的输出电路电压比较低。若把成百上千个热电仪串连起来便可以得到高电压。就是把多个热电仪的输出电路正负极象电池组那样依次相连,其它部分则各自独立。其示意图见图4。
换流机 为了使单个热电仪的低压直流电升压及把热电仪组的高压直流电变换成实际生产、生活中所用的交流电,得要有能把直流电变换成交流电的设备,这就是换流机。再配上变压器就可以了。图3是换流机的原理和结构图。它主要由其专用的单相同步电动机和通断器组成,见图3-(1)。变压器和电容器都是配套元件。
图3-(2)是单相换流机的原理结构图。亚字形塑料管就通断器。其四个角上各有一个电刷,与之相应的四个半圆形是滑环。四个电刷用轴承固定在四个与之相应的四个转轮轮边上。转轮圆心上也有一个轴承,将四个转轮固定在一个正方形的四个角上。整个通断器装在一块塑料板上。按图中箭头所示转动转轮,亚字形塑料管及其它三个转轮也都转动起来。上边两个电刷和下边两个电刷依次同时接通各自近的半圆滑环,把电池组的直流电变换成了交流电。相反,把50H2的交流电接在电池组的相对端电路上,若通断器的转动频率也是50H2,那就可以把这个交流电变换成脉冲直流电。电容器的作用是把脉冲直流电变换成平稳直流电。
单相同步电动机是使通断器保持50H2频率转动的动力源。其原理见图3-(3)。其磁铁用人造磁铁,转子上只有一根导线,导线两端分别接在转轴上,通过电刷和滑环受电工作。此电动机使用的是50H2交流电,并与此交流电同步运行。当交流电处于正半周时,转子导线从B处移动到A处,接着过零值,随负半周从A处转回B处,周而复始地转动下去。其电压、电流、频率都是在额定的条件下才能正常工作,否则电机会摆动而不能正常转动。电动机的转轴接在通断器上的一个转轮圆心上带动其工作。直流电可以变换为50H2的交流电,又可以把50H2的交流电变换为直流电。电动机的电源是串连在通断器交流电端电路上的一个相应功率变压器。这样使得通断器通过电动机,串连变压器与所要换流的交流电同步运行。图3-(2)(3)便是它们同步运行的某一瞬间。
在通断器上有一根弹簧,叫定位弹簧,其倔犟系数不是很大。它的作用是使通断器在静止时有一个固定的位置。在定位弹簧附近的两个半圆滑环上各有一个弹性阻反键,其原理和结构同自行车飞轮上的风丝,作用是保持通断器转动方面不变。通断器受弹簧牵引在静止状态时使通断器上边的两个电刷定位在紧靠弹性阻反键的位置上。也就是通断器静止时处于接通状态。电动机的转子也相应处于某半周的刚开始状态。其只有在有电源和用电器的条件下才能工作。
当直流电向交流电转换时,因通断器的定位处于接通状态,刚接通电路的那一瞬间,电动机受电转动,使上面的两个电刷向远离弹性阻反键的方面运动。到达零值时,电刷离开半圆滑环,电路断开,电机也断电。受惯性作用,通断器越过零值使下面的两个电刷接触其半圆滑环,电路又接通,电路和电机转子上的电流方面与原来相反,使电机继续转动,电路电流方向继续改变,直流电变换为交流电。若没有定位弹簧和弹性阻反键,就有可能出现通断器处于断开状态而不能起动的现象。
当交流电向直流电转换时,若换流机刚开始工作的那一瞬间,交流电正处于正半周开始,通断器会随交流电同步运行,换交流为直流。当这一瞬间正是交流电正半周最大值时,通断器电刷转动到半圆滑环中央又返回到阻反键部位。受阻反键阻碍停在那里至负半周完成后过零值随下一个正半周同步运行。当这一瞬间是正半周刚结速或是零值或是负半周任意值时,电刷都会停在阻反键处至正半周到来时随即同步运行。这样便使得通断器的转动方向和直流电端正负极保持不变。
换流机的电刷和滑环在其工作时不断地进行着点触,如果所换电路电压太高,电刷和滑环会出现电弧而烧坏电刷和滑环。这个电压便是换流机所能承受的极限电压,只有在低于这个电压的电路中换流机才能正常工作。所以在高压电路中的换流机的电刷和滑环的接触面积比较大,半圆滑环直径也大于电刷转动轨迹。电刷处于零值时四个滑环都不与之接触,过零值相接触和相离开到零值的那一瞬间,电刷与滑环大面积接触,大面积离开。根据需要还可把通断器处在绝缘油中转动。
换流机虽然有一定的功率消耗,但在大功率电路中,这个消耗是微不足道的,可以忽略不计。
三相换流机 为了适应电动机的需要,得把直流电变换成三相交流电,这由三相换流机来实现。其构成是把三个单相通断器叠加在一起,用一个单相同步电动机及其串连变压器带动。三个通断器按依次落后1/3周期到达零值和最大值的原则定位,电机转轴上装有三个齿轮,齿轮的直径和通断器上的12个转轮的直径相等,定位弹簧和弹性阻反键只用一个通断器上的即可。电机转轴上的三个齿轮分别带动三个通断器上的一个转轮转动换流。它可以把直流电变换成三相交流电,也可以把三相交流电变换成直流电。见图3-(1)(4)。图2中仪座下面的换流机便是三相换流机。
热电仪实现了热能向电能的直接转化。使电能的生产效率大为增加,可广泛运用于核电站、火电站及民用上。换流机实现了直流电和变流电的互相转换,使热电义能够在生产、生活中得到实际运用。它还可以运用于直流输电方面。通过它可以把水电站发出的三相交流电和热电仪组发出的直流电变换成高压直流电进行远距离直流输送,以解决交流输电中存在的电感、电容损耗电能,又使输电距离有限和同步起动大电网中的多个发电机困难的问题。其具体方式见图4。
热电仪的制造同电子管的制造,换流机也同于普通电动机械,现有的电子、电磁、机械制造技术完全可以胜任。