1. Elektrické obvody 1.1. Základní veličiny a zákony Náboj Q[C]Q= I

Transkript

1 1. Elektrické obvody 1.1. Základní veličiny a zákony Náboj Q[C]Q= I t Proud I,i[A] Napětí U,u[V] Měrný odpor, odpor ρ, R[ Ω ] Ohmův zákon U = R I 1. Kirchhoffův zákon pro uzel 0 = I. Kirchhoffův zákon pro smyčku 0 = U Elektromagnetická indukce pro magnetický tok uind 1.. Rozdělení elektrických obvodů a) podle účelu přenos energie přenos informací Φ = t analogové (spojitá veličina) číslicové (nespojitá veličina) b) podle elektromagnetického pole soustředěné parametry rozložené parametry c) podle linearity prvků obvodu lineární (pouze lineární prvky) nelineární (alespoň 1 nelineární prvek) d) stav obvodu stejnosměrný ustálený střídavý periodický přechodný neustálený 1.3. Prvky elektrických obvodů Rozdělení prvků a) počet svorek pro zapojení do obvodu dvojpóly (baterka, žárovka) trojpóly (tranzistor) čtyřpóly N póly b) energetické hledisko pasivní (žárovka) aktivní (baterka) c) stupeň idealizace ideální prvky (popsané jednou dominantní vlastností) reálné prvky (popsané více dominantními vlastnostmi) d) linearita prvku lineární prvky (závislost U,I je lineární) nelineární prvky (žárovka, polovodičové prvky) popis některých prvků a) pasivní ideální prvky U rezistor: vlastnost: odpor, R = I i induktor: vlastnost indukčnost, u = L, má nulový odpor t

2 u kapacitor: vlastnost kapacita, i= C, má oo odpor t b) pasivní reálné prvky rezistor: El.En. mění na teplo a ElMag pole, přibližně ideální vlastnosti cívka: sériově zapojený induktor a odpor kondenzátor: paralelně zapojen kapacitor a odpor c) aktivní ideální prvky napěťový zdroj (stejnosměrný, střídavý), VA charakteristika: U = U0 d) aktivní reálné prvky napěťový zdroj s vnitřním odporem, VA char.: U = U0 Ri I, tvrdý zdroj: U0 Ri I 1.4. Stejnosměrné obvody 1 1 Řeší buď metodou postupného zjednodušení ( = ; RSER = Ri ) nebo metodou smyček RPAR i Ri i (1KZ + KZ) Střídavé obvody Aktuální hodnota proudu, napětí i = Im sin ( ω t+ α) ; u = Um sin ( ω t+ β) Fázové posunutí ϕ = α + β Střední hodnota harmonického proudu IA = 0,636 Im Im Efektivní hodnota harmonického proudu I A = Výkon harmonického proudu Střední výkon PW [ ] = U I cosϕ Zdánlivý výkon PS [ W] P Účinník cosϕ [ ] = P S = U I Chování pasivních prvků v harmonickém obvodu Rezistor: U je harmonické, o stejné frekvenci s nulovou počáteční fází s proudem. Iduktor: U má stejnou frekvenci, předbíhá proud o π Kapacitor: U má stejnou frekvenci, zaostává za proudem o π ω L U Cívka: fázový rozdíl ϕ = arctg = arctg ˆ L R U R Iˆ Kondenzátor: ϕ = arctg ( R ω C ) = arctg I ˆC R 1.7. Trojfázové obvody U = 3 U SDRUŽ FÁZ Označování: 3x400V/30V,50Hz 400V napětí sdružené (L 1 L ), 30V napětí fázové (L 1 N), frekvence 50Hz

3 . Elektronické obvody Od elektrických obvodů se liší tím, že obsahují polovodičové prvky (z polovodivého materiálu).1. Základní pojmy Polovodič elektrické vlastnosti jsou mezi vodičem a nevodičem 4 8 měrný elektrický odpor ρ 10 ;10 Ω m záporný teplotní koeficient: s rostoucí teplotou se odpor snižuje bipolární vodivost: vodivost způsobená +/ částicemi vlastní polovodiče: Ge Germánium, Si Křemík nevlastní polovodiče: N: převažují elektrony, přidán 5ti mocný prvek P: převažují pozitrony, přidán 3oj mocný prvek PN přechod: závěrný směr: +P vyprázdněná oblast N NP přechod: propustný směr: +P zaplněná oblast N.. Polovodičové prvky a) dioda: 1946, dvojpól, katoda vždy na N rozdělení podle použití všeobecné (víceúčelové diody) usměrňovací (usměrňovače) spínací (polovodičový spínač) stabilizační (stabilizátory) rozdělení podle výroby hrotové (zastaralé) plošné (dnes 100%) rozdělení podle přiloženého napětí nízkonapěťové (do 300V) vysokonapěťové (nad 300V) rozdělení podle druhu materiálu Germániové Křemíkové b) tyristor: trojpól (Anoda, Katoda, Gate řízení) se 4vrstvou strukturou, 3 přechody blokovací stav: A=+ K= závěrný stav: A= K=+ propustný stav: A=+ K= G< I G c) tranzistor: trojpól (Emitor Ckolektor Báze) PNP přechod, E >P, B >N, C >P rozšířenější NPN, E >N, B >P, C >N NPN zapojení se společnou bází SB nejčastější NPN zapojení se společným emitorem SE NPN zapojení se společným kolektorem SK d) optoelektronické prvky: jsou ovlivněny nebo samy vydávají záření zdroje: LED dioda, DND laserová dioda (ukazovátko) detektory: fotorezistor, fototranzistor, fototyristor, fotodioda, LCD, Plasma.3. Elektrické obvody a) tranzistorové zesilovače: slouží k zesílení některé veličiny (U,I,P), základem je tranzistor, analog b) operační zesilovače: několik stupňů, velké U zesílení, velký R in malý R out c) stabilizátory: analog, stabilizuje se U nebo I

4 d) spínače skripta e) číslicová technika skripta 78 88

5 f) měniče: mění parametr energie (U,I,f) usměrňovač: ~ >= stejnosměrný měnič: = >= střídač: = >~ střídavý měnič: ~ >~

6 g) usměrňovače skripta 60 70

7 3. Elektrické stroje Jde o stroje přeměňující elektrickou energii. Má vstup a výstup Rozdělení elektrických strojů a) podle směru toku a druhu in/ou energie generátory: mechanická > elektrická motory: elektrická > mechanická měniče: elektrická > elektrická speciální b) pohyb pracovní části stroje točivé netočivé: transformátory, lineární motor c) druh přeměňované energie stejnosměrné střídavé jednofázové trojfázové d) princip činnosti transformátory asynchronní stroje synchronní stroje stejnosměrné komutátorové speciální stroje 3.. hlavní aktivní části elektrických strojů a) Magnetický obvod složen s elektrotechnických plechů při střídavém Φ vznikají ztráty vířivé proudy (vznikají mezi jednotlivými plechy) hystézní ztráty (legování křemíkem 0,8 4,5%) b) Vinutí měděné vodiče tvarované do cívek izolační odpor řádově M Ω 3.3. Transformátor Netočivý elektrický stroj, kvůli časově proměnnému magnetickému poli se indukuje ve vodiči napětí, f je konstantní, mění se pouze U a I Rozdělení transformátorů a) pro přenos energie b) pro speciální účely oddělovací pecové svařovací trakční přístrojový c) podle směru transformace zvyšující snižující d) podle počtu fází jednofázové transformátory (malý výkon) trojfázové (velký výkon) vícefázové (speciální) e) podle chlazení aktivních částí suché (vzduch) olejové plynem (SF 6 )

8 f) podle poměru vstupní/výstupní vinutí zvyšovací snižovací oddělovací g) podle uspořádání magnetického obvodu jádrový plášťový štítek transformátoru Štítek udává: výrobce, název, logo typ, výrobní číslo, rok výroby počet fází a zapojení hmotnost chladiva, celková hmotnost jmenovitý zdánlivý výkon jmenovité in/out napětí jmenovitý in/out proud napětí nakrátko u k = % frekvence 50Hz provedení 1F a 3F transformátoru a) 1F jeden magnetický obvod (= jádro ) elektrický obvod tvořen vinutími (in/out) mechanické části konstrukce (svorníky, drážky, podpěry) b) 3F navíc má chladicí příslušenství vznik ze 3 kusů 1F transformátorů (nepoužívá se) jeden trojfázový transformátor (hranaté nekonečno s vinutím na vertikálních vzpěrách) Princip činnosti transformátoru Na vstupní vinutí je přiveden U 1, které protlačuje vinutím I 1. I 1 vyvolá magnetický tok o stejné frekvenci jako U 1. Ui = 4, 44 Φmax f Ni Stavy transformátoru a) naprázdno vstupní vinutí připojeno k U 1, výstupní vinutí je rozpojeno ztráty naprázdno ΔP0 Δ PFe ΔP0 účinník naprázdno cosϕ = U0 I0 I0 procentuelní proud naprázdno i0 = 100%, I Name ΔP0 procentuelní ztráty naprázdno Δ p0 = 100% PName ΔP0 ΔP0 pro 3F: sdružená cosϕ0 =, fázová hodnota cosϕ0 = 3 U0 I 3 U 0 0 I0 b) při zatížení na vstupu U 1, na výstupu zátěž c) nakrátko na vstupu U k, výstup je spojen nakrátko bezodpornou spojkou v praxi nežádoucí: havarijní stav F transformátor

9 Označení na štítku Afč A zapojení strany vyššího napětí A { Y; D} f zapojení strany nižšího napětí f { yd ; } č hodinový úhel (fázový posuv in/out) 1hod= paralelní chod transformátoru Požadovaný výkon lze přenést jedním transformátorem nebo více transformátory součastně (které nepotřebují mít tak velký výkon). Pro náhradu paralelními transformátory platí podmínky: stejné jmenovité in/out napětí stejné hodinové úhly stejná napětí nakrátko účinnost transformátoru 1 Δp0 6 určuje se ze ztrát naprázdno a nakrátko: η = + υ Δpk 100 cos ϕ υ 51 υ { 0,5;0,5;0,75;1,0;1,5 } je zatěžovatel Speciální transformátory a) autotransformátor zkušebny, laboratoře, dílny b) svařovací c) pecový d) usměrňovačový transformátor napájení usměrňovačů 3.4. Asynchronní stroje Pracují na principu indukčního zákona, lze nalézt skluz (rozdíl v natočení magnetického pole a otáček rotoru). Místo, kde se indukuje napětí je KOTVA (u asynchronních strojů rotor, u synchronních stator). + nejrozšířenější + nejpoužívanější + nenáročné na údržbu + nízká cena + spolehlivost + široká škála výkonů proudový ráz při zapojení do sítě (až 7xI Name ) moment M = f ( U ) Konstrukce asynchronního motoru a) stator neotáčí se má v sobě drážky pro magnetický obvod 3F vinutí vinutí je připojeno na statorovou svorkovnici b) rotor b.1) spojení nakrátko klecový rotor b.) drážky pro vinutí kroužkový rotor Rozdělení asynchronních strojů a) podle rotoru nakrátko (klecové): nejdůležitější vinutý (kroužkový) b) podle toku elektrické energie motory generátory Použití asynchronních strojů a) Asynchronní motory, zejména 3F nakrátko obráběcí stroje

10 ventilátory čerpadla odstředivky pračky jeřáby výtahy dřevo obráběcí stroje traťová vozidla b) generátor pracující do sítě (malé vodní a větrné elektrárny) samostatně pracující (dieselagregát na chalupě u lesa) c) speciální stroje lineární motory (výrobní stroje, holicí strojky, trakce) indukční měnič indukční spojky Princip činnosti 1 60 f synchronní otáčky n S min = ; ppd = počet pólových dvojic ppd ns n skluz s[ %] = 100; (6 10)% pro malé stroje; ( 4)% střední; pod 1% velké stroje ns 1 60 f otáčky rotoru n min = ( 1 s) ppd a) chod naprázdno stator připojen k 3F, hřídel nezatížena ideální stroj: n ns; S = 0; IROT = 0A reálný stroj: S { 0 10 }%; n ns; IROT 0A b) chod nakrátko s = 1; n= 0; IROT IZKRAT c) chod při zatížení stator připojen k 3F, hřídel v pracovním záběru M Klossův vztah = M s s max max + smax s momentová přetížitelnost Pm = M max { 1, 6, 5 } M závislosti: s RROT ; M IROT ; M U3F PROT účinnost η = P3 F Asynchronní generátor Spouštění asynchronních motorů Při spouštění vzniká proudový ráz, ten ovlivňuje momentové charakteristiky ostatních strojů. I ROT U3F M U a) spouštění asynchronních motorů nakrátko přímé plným (do 3kW, všechny fáze se spínají jedním jističem, není jemný, plné zatížení) statorovým spouštěčem (R na každou fázu>úbytek napětí> M U, jemný odlehčený start) transformátorem (nižší napětí, autotransformátor, velké výkonné stroje) přepínač Y D (sepnu do Y, počkám na 80% n N, přepnu na D, 3 15kW, odlehčený start)

11 60 f U proměnná frekvence ( n= ( 1 s) > n f; Mzvrat = k, musím měnit f i U, jemné, zatížení) ppd f odporová klec ( M zvrat R, materiál rotoru měď > mosaz, výtahy, jeřáby) dvojitá klec (rozběhová a pracovní klec) vírová klec (pro velké stroje) b) spouštění kroužkového motoru méně běžný do rotoru zapojen R (maximálně jednotky Ω) spouštěč je buď kontaktový, nebo elektronický Řízení otáček Jde o úmyslné nastavení otáček jiných, než jmenovitých. a) Změna svorkového napětí není časté malý rozsah M U b) Změna frekvence 60 f n= ( 1 s) ppd frekvenční měnič c) Změna počtu pólových dvojic 60 f n= ( 1 s) ppd konstrukčně složité dříve ve výtazích, jeřábech d) změna skluzu 60 f n= ( 1 s ) s R ppd proměnný odpor rotou velké stroje Brzdění asynchronních motorů a) Protiproudem záměna dvou libovolných fází motoru b) dynamické brzdění nejdokonalejší odpojím stator od sítě, do dvou fází přivedu stejnosměrný proud Jednofázový asynchronní motor Je určen pro jednofázové rozvody, uplatňuje se zejména v domácnosti (pračka, lednička, čerpadlo, ventilátor) Rotor je vždy nakrátko. Stator má jednofázové vinutí. Sám se neroztočí, proto se vinutí rozděluje na rozběhové (1/3) a pracovní (/3) Stejnosměrné stroje Jsou to nejstarší elektromagnetické přístroje. Mají typické části (například komutátor) Konstrukce a) stator litý/svařovaný magnetický věnec s póly a nástavci b) rotor (kotva) začátek a konec vinutí je vyveden na komutátor c) komutátor

12 zajišťuje, aby byl stálý směr proudu > tažná síla a točivý moment působí stejným směrem d) ústrojí držáky kartáčků uhlíkové kartáčky pouzdra e) ventilátor zvyšuje výkon stroje Rozdělení a) dle energie motor generátor (dynamo) b) dle druhu buzení (způsob propojení buzení a kotvy) buzení permanentními magnety buzení elektromagnety napájení z cizího zdroje napájení z kotvy paralelní sériové smíšené