Elektrotechnika. Ing. Radim Vajda

Transkript

1 Elektrotechnika Ing. Radim Vajda

2 Předmluva Tato publikace je určena studentům III. ročníku Střední odborné školy chemické akademika Heyrovského v Ostravě. Publikace se věnuje elektrotechnice a automatizaci v rozsahu, který studentům umožní rozšířit si znalosti z fyziky a dalších oborů, ve kterých se setkávají s elektrotechnickými nebo automatizačními zařízeními. Zvláštní poděkování patří Ing. Janě Vajdové, Bc. Lence Ďuríškové a Janě Kohoutové, kteří se podíleli na přípravě a tisku skript. autor

3 Vliv elektromagnetických polí a elektřiny na lidský organismus...5 Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus...5 Vlastnosti elektrotechnických materiálů...6 Vodiče...6 Rezistor...8 Vlastnosti rezistorů:...8 Dělení podle hodnoty odporu:...8 Dělení podle technologie:...8 Kondenzátory...9 Vlastnosti kondenzátorů:...9 Druhy kondenzátorů:...9 Cívky...10 Druhy cívek:...11 Polovodiče...12 Vlastnosti polovodičů...12 Druhy polovodičových diod :...12 Tyristor...13 Tranzistory...14 Bipolární tranzistory...14 Unipolární tranzistory...15 Shrnutí:...15 Usměrňovače...16 Krytí elektrických zařízení...18 Chlazení elektrických zařízení...18 Provoz zařízení v prostorách s nebezpečím výbuchu...19 Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny třídí takto...20 Instalace v prostředí V1:...20 Instalace v prostředí V Instalace v prostředí V3:...21 Instalace ve složitém prostředí:...21 Elektrická zařízení a vliv prostředí...22 Elektrický oblouk...23 Elektrické přístroje...24 Zkrat...24 Přepětí...25 Pojistka...26 Jistič...27 Proudový chránič...29 Přepěťové ochrany...30 Vypínače...32 Bezkontaktní spínače...35 Hybridní spínače...36 Elektromagnet...37 Elektrické stroje...38 Tvary elektrických strojů...38 Transformátor...39 Stejnosměrný stroj...41 Asynchronní stroj...43 Synchronní stroj...48 Výroba elektrické energie...50 Podíl zdrojů na výrobě...50 Tepelné elektrárny...51 Jaderná elektrárna...54 Vodní elektrárny...56 Osvětlení...60 Automatizace...62 Důvody automatizace...62 Očekávání od automatizace...63 Automatizační prostředky...63 Snímače polohy...63 Kapacitní snímače...65 Optické snímače...65 Měření teploty...66

4 Měření tlaku Měření výšky hladiny Měření průtoku a proteklého množství Měření složení Typy regulačních obvodů Teoretický základ logického řízení Seznam použité literatury... 97

5 Při studiu účinků elektromagnetického pole záleží na indukci magnetického pole, tvaru pole, kmitočtu, individuální citlivosti objektu a na řadě dalších faktorů. Vzhledem k tomu, že se jedinec po celý život setkává s nejrůznějšími magnetickými poli, je třeba uvažovat o určité adaptibilitě vytvářené během celého vývoje (viz následující tabulka vybraných zdrojů magnetického pole). Magnetická indukce (mt) na hlavu na trup Indukovaný proud (ma/m) Biologická odpověď možné extrasystoly a ventikulární fibrilace, značné zdravotní nebezpečí změny v dráždivosti centrál. nerv. syst., možné zdravotní poškození výrazný terapeutický efekt, 2,5 25 0, objevení se magnetosfémů, příznivý vliv na nerv. systém, snadnější hojení ran a zlomenin 0,25 2,5 0,06 0, minimální biolog. efekt 0,25 0,06 1 Žádný efekt Příčinou smrti při úrazech elektřinou bývá nejčastěji: křečovité stažení srdečního svalu nebo svalů hrudníku (plic) spojené se ztrátou vědomí, při němž nastává zadušení, fibrilace srdečních komor, kterou způsobuje jen střídavý proud průmyslové frekvence; místo pravidelného smršťování srdečního svalu nastane nepravidelné chvění s hmatatelným pulsem, které postupně slábne až se úplně přeruší; někdy je možná záchrana včasným poskytnutím vnější masáže srdce se současným poskytováním umělého dýchání, defibrilaci a vnitřní masáži srdce po chirurgickém zákroku; popáleniny vysokého stupně a ve velkém rozsahu, které mohou být při stejnosměrném proudu spojené s elektrolytickými účinky (rozkladem krve). El. proud v ma Pocity a účinky do 1 počátek pocitu u většiny lidí při 0,5-0,6 ma 1 4 brnění rukou 4 5 chvění rukou 5 7 prsty lze téměř vždy rozevřít a vyprostit z kontaktu 8 13 křeče rukou, vyproštění prstů z kontaktu násilím je možné pouze postižený, který uchopil pevně předmět pod napětím, nemůže jej obvykle uvolnit bez cizí pomoci křeče působící na celý organismus, zrychlení dechu, bez následků ochromení srdeční činnosti, někdy bezvědomí, záchrana možná těžké bezvědomí s vážnými následky, nebezpečí smrti nad 100 zpravidla smrt

6 Materiály dělíme podle vodivosti na vodiče, polovodiče a izolanty. Vodiče Mezi vodiče patří všechny kovy, které jsou základním materiálem pro výrobu kabelů, kontaktů, vinutí strojů, apod. Zpravidla u nich požadujeme minimální elektrický odpor, maximální pevnost v tahu, tvrdost, odolnost proti otěru a korozi. Příčinou jejich vodivosti jsou volné elektrony. Kovy mají v pevném skupenství polykrystalovou strukturu. Jádra atomů, které tvoří krystalovou mřížku, mají kladný náboj. Vazby mezi jádrem atomů a valenčními elektrony jsou velmi volné, elektrony se pohybují neuspořádaně ve všech směrech. Připojí-li se kovový vodič ke zdroji napětí, stane se tento pohyb uspořádaný ve směru vektoru intenzity elektrického pole E. Nazýváme jej I elektrický proud I. Jeho plošnou hustotu označíme J =, kde S je S průřez vodiče. Platí, že J = γ. E, kde γ je měrná vodivost (konduktivita) materiálu. Jedná se o základní vyjádření Ohmova zákona (diferenciální tvar), který platí v každém místě vodiče. Po jeho sumarizaci (integraci) zavedením obvodových veličin proudu a napětí získáme U vzorec Z =. I Platí: γ = n. e. b, kde n je počet elektronů v jednotce objemu, e náboj elektronu (1, C) a b pohyblivost elektronu. Vidíme tedy, že vodivost každého kovu určuje především jeho vnitřní struktura. Jednotkou měrné vodivosti je siemens na metr [S.m -1 ]. V praxi používáme její převrácenou hodnotu, která se nazývá měrný odpor (rezistivita) ρ [Ω.m]. U kovů bývá 10-8 až 10-5 Ω.m. Krystalová mřížka kovů klade uspořádanému pohybu volných elektronů určitý odpor. Ten závisí na délce l, průřezu S a materiálu vodiče l R = ρ. S Odpor kovů se udává při teplotě 20 C a roste s teplotou přibližně lineárně (v rozsahu C). R t = R 20 C (1 + α R (t 20)), kde α R je teplotní součinitel odporu. Teplotní součinitel odporu udává, o jakou hodnotu se změní odpor 1 Ω vodiče, zvýší-li se jeho teplota o 1 K. U většiny kovů má hodnotu 0, 004 K -1. Vzrůst odporu kovů s rostoucí teplotou vysvětlujeme tepelným pohybem jader atomů, které tak brání volným elektronům v pohybu. Při hlubokém ochlazení některých kovů nebo slitin pod tzv. kritickou teplotu, která je v blízkosti absolutní nuly, klesne náhle odpor na velmi malou, téměř nulovou hodnotu. Tento jev nazýváme supravodivost.

7 Nejčastěji používané vodiče Měď (Cu) 0, µω m, α = 0, K -1. Má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Přidáním příměsí se měrný odpor zvyšuje. Na jejím povrch vzniká červená vrstva kysličníků, která chrání povrch před korozí. Má dobré mechanické vlastnosti, je tvárná za studena i za tepla. Podle mechanických vlastností se dělí na měkkou (např. kabely, šňůry, vinutí), polotvrdou a tvrdou (např. vodiče velmi vysokého napětí). Není odolná proti kyselinám. Dobře se pájí i svařuje. Hliník má 1,6 krát větší měrný odpor než měď. Proto při náhradě měděného vodiče hliníkovým musí být použit 1,6x větší průřez, což znamená 1,27x větší průměr. Jeho hmotnost oproti mědi je poloviční. Je levnější než Cu, ale má horší mechanické vlastnosti, hlavně nízkou mez tečení. Spoj dotažený šroubem má snahu se uvolnit a vzniká na něm přechodový odpor. Proto je třeba používat na silnoproudé hliníkové vodiče vhodné typy svorek (pružné kontakty). Stříbro (Ag) je nejlepším vodičem elektrického proudu a tepla. Pro svou vysokou vodivost se používá k postříbření vysokofrekvenčních obvodů, např. postříbřený drát nebo dutiny rezonátorů. Ze slitin stříbra se vyrábějí kontakty a vodivé pájky. Zlato (Au) je odolné proti korozi, dobře slévatelné, tvárné, dá se dobře zpracovávat tažením i válcováním. Používá se na kontakty a tenké propojovací vodiče uvnitř integrovaných obvodů.

8 Vlastností je elektrický odpor žádané velikosti, respektive vodivost o velikosti, kde S průřez; l délka vodiče Závislost odporu na teplotě - odpor se mění v závislosti na oteplení podle vzorce, kde R 1 je odpor při 20 o C. Vlastnosti rezistorů: Tolerance odchylka od jmenovité hodnoty. Jmenovité zatížení výkon, který se za určitých podmínek stanovených normou smí přeměnit na teplo aniž by teplota povrchu překročila přípustnou velikost. Provozní zatížení je určeno nejvyšší teplotou povrchu, při které ještě nenastávají trvalé změny jejího odporu a krácení jejího života. Nejvyšší dovolené napětí napětí mezi vývody. Při překročení napětí může dojít k poškození. Teplotní součinitel dovoluje určit změnu odporu způsobenou změnou teploty. Šumové napětí vzniká nerovnoměrným pohybem elektronů v materiálu, vlivem toho vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu - tzv. elektronický šum obvodu. Dělení podle hodnoty odporu: pevné proměnné (potenciometry) Dělení podle technologie: vrstvové drátové

9 Princip: Po přivedení napětí na desky kondenzátoru, se atomy dielektrika polarizují. Elektrony na desce se mezi sebou vzájemně odpuzují elektromagnetickými silami. Čím blíže jsou desky u sebe, tím více jsou elektrony přitahovány opačným pólem druhé desky a snaží se přeskočit na druhou stranu nemají už tolik síly se na desce mezi sebou odpuzovat na desku se vejde vedle sebe více elektronů větší kapacita. Desky kondenzátoru musí být alespoň minimálně tak daleko, aby se mezi ně elektrony vůbec vešly. Velikost kapacity je dána vztahem, kde S plocha desek; d jejich vzdálenost Vlastnosti kondenzátorů: Jmenovitá kapacita výrobcem udávaná kapacita Provozní napětí je největší napětí, které může být trvale na kondenzátoru připojeno, nepřesáhne-li teplota okolí 40 C, rovná se jmenovitému. Při vyšších teplotách je nutné napětí snížit. Izolační odpor odpor mezi elektrodami kondenzátoru měřeném při stejnosměrném napětí a teplotě 20 C 1GΩ 100-ky GΩ Tolerance v % u vzdušných písmenem ±1% až ±20%, v pikofaradech, elektrolitická je nesymetrická 10+30% Provozní napětí závislé na teplotě okolí Poměrné provozní napětí Druhy kondenzátorů: Podle technologie: vzduchové: malá kapacita dnes se nepoužívají papírové: baleno tak, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost, malá odolnost vůči vysokému napětí metalizované: do 1µF slídové: elektrody napařené na tenké destičky z jakostní slídy (výborné dielektrikum), spojeny paralelně pro požadovanou kapacitu, malé ztráty, úzké tolerance, časová i teplotní stabilita), nelze je tvarovat příliš velké plastové: velká elektrická pevnost, malý ztrátový činitel, velký izolační odpor, nestálá kapacita vzhledem k teplotě

10 keramické: teplotně stálé - nahradily slídové kondenzátory, nemůžou se vyrábět velké hodnoty pro VF, stálá ale menší kapacita řádově 1pF až 100pF (jednotky až stovky), dielektrikum tvoří keramika elektrolytické: elektroda polarizována kladně, elektrolyt záporně; desky jsou hliníkové (Al), dielektrikum je oxid desky kondenzátoru (Al 2 O 3 ); elektrolyt se nesmí napěťově namáhat a nesmí se přepólovat; většinou se přemosťují keramickým kondenzátorem kvůli setrvačnosti elektrolytu Podle použití: ladící opakované změny kapacity, (často, pf, vzduchové dielektrikum,jedna elektroda se zasouvá do druhé) dolaďovací občasné doladění obvodů (nastavení, 1-ky pf, trubičkové) Vytváří vlastní indukčnost definované velikosti. Skin efekt - povrchová vodivost. Při průchodu střídavého proudu vodičem vzniká v jeho okolí časově proměnné magnetické pole, toto pole vstupuje rovněž do téhož vodiče a indukuje v něm napětí, které při konstantní frekvenci proudu je tím větší, čím větším magnetickým polem je vodič obklopen. Indukované napětí je největší k ose vodiče a směrem k jeho povrchu se zmenšuje. Vlivem toho vznikají uvnitř vodiče proudy, které se podle Lentzova pravidla snaží zmenšit změny, které je vyvolaly. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení proudové hustoty ve vodiči. V prostředku vodiče je téměř nulová, na povrchu maximální. Jelikož je cívka tvořena smotaným drátem, má i určitý nezanedbatelný odpor, který způsobuje ztráty. Proto u cívky určujeme tzv. činitel jakosti: Pro velkou jakost cívky a pro vysoké frekvence se používá stříbro, zlato a platina.

11 Druhy cívek: jednovrstvové a vícevrstvové bez jádra z pevného drátu (bez kostry, s kostrou), plošné cívky, 1-ky mh 1-ky mh (výjimečně) s jádrem nízkofrekvenční (tlumivky, 1-ky H, jádra z transformačních plechů, pásků, které jsou oddělené lakem) a vysokofrekvenční (100-ky mh, feritové jádra Fe, Co, Ni). Jako jádra se používají materiály: Ideální cívka - ϕ = 90 o Skutečná cívka: železo (Fe) do 1kHz mosaz špatné feromagnetikum, ale lze ho použít i na vyšší frekvence feroty do 100MHz paralelně tg ϕ = I l /I r = R p /ωl p = Q = 1/tg υ - činitel jakosti sériově Q = tg ϕ = U l /U r = ωl s /R s - činitel jakosti

12 Vlastnosti polovodičů Polovodiče jsou materiály ze 4. skupiny Mendělejevovy tabulky. Nejznámější jsou germanium (Ge) a křemík (Si). Každý atom má 4 vazby, pomocí kterých se váže na sousední atomy. V čistém polovodiči nejsou volné elektrony, proto vodí špatně elektrický proud. Polovodič N Přidáme-li k prvku 4. skupiny příměs prvku 5. skupiny (např. arsén As), bude při vzájemných vazbách mezi atomy mít atom příměsi jednu vazbu navíc - volný elektron. Atom proto nazýváme donorem. Volný elektron je nositelem elektronové vodivosti. Polovodič P Přidáme-li k prvku 4. skupiny prvek 3. skupiny zvaný akceptor (např. Indium In), bude jeden elektron chybět.vznikne kladný náboj - díra, polovodič má děrovou vodivost. Obrázek a/struktura atomů čistého polovodiče; b/polovodič typu N; c/ polovodič typu P Druhy polovodičových diod : Diody pro síťové usměrňovače Diody pro síťové usměrňovače jsou plošné diody určené pro usměrnění proudů řádově jednotek až desítek ampér při napětí desítek až stovek voltů technických frekvencí. Jsou vyráběny z křemíku převážně difúzní technologií. Základní destička má nevlastní vodivost typu N. Na ní se difúzí boru nebo galia vytvoří vrstva typu P. Silně dotovaná vrstva N+ umožňuje neusměrňující dobře vodivé spojení krystalu s kovovou podložkou, která pomáhá odvádět teplo a tvoří vývod katody. Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody. Důležité vlastnosti usměrňovacích diod popisuje katalog. Pro diodu KY 130/600 se uvádí : střední usměrněný proud I fav <=300 ma, největší anodové napětí v přímém směru U F < 1 V, napětí ve zpětném směru U R < 600 V, proud ve zpětném směru I R <= 10 ma, při U R = 600 V a teplotě +25 C.

13 Diody vyzařující světlo LED LEDky jsou diody, které vyzařují kvanta energie, pokud je vlnová délka tohoto záření ve viditelném spektru můžeme ji vidět. Dělí se podle typu: půlkruhová, plošná, hranově emitující. Světlo vychází z místa přechodu a jen pokud je dioda zapojená v propustném směru. Na LEDce je úbytek podle barvy U F = 1,5 2 V a maximální proud asi I F = ma -> Jedná se o čtyřvrstvou spínací součástku vyrobenou z Si, ve které jsou nad sebou vytvořeny tři přechody PN. Vnější vrstva P je anodou, vnější vrstva N je katodou tyristoru. Těmito elektrodami prochází celkový výstupní proud, ten může u některých typů dosahovat až stovek ampérů! Jedna z vnitřních vrstev je vyvedena jako řídící elektroda G. Bude-li řídící elektroda odpojena a přiložíme-li na anodu malé kladné napětí proti anodě, otevřou se přechody J 1 a J 3. Přechod J 2 zůstává uzavřen, neboť do vrstvy N proniká kladné napětí přes otevřený přechod J 1 a do vrstvy P záporné napětí přes otevřený přechod J 3. Nyní je tyristor zablokován. Odpor mezi katodou a anodou je několik megaohmů. Při zvyšování napětí mezi anodou a katodou dojde ke zvětšování intenzity elektrostatického pole v oblasti J 2. Při určité velikosti tohoto napětí dosáhne intenzita pole své kritické hodnoty a dochází k ionizaci krystalové mřížky odpor se rychle zmenší až na desetiny až setiny ohmu! Přestože stoupl proud, kleslo napětí na 1 až 2V. Tyristor přešel do sepnutého (vodivého) stavu. Doba potřebná k ionizaci se nazývá zapínací doba (asi 1µs a označuje se t on ). Pokud chceme sepnout tyristor již při nižším napětí než U B0, musíme přivést do oblasti uzavřeného přechodu J 2 volné nosiče náboje (proudem do G). Elektrostatické pole je využije k vytrhávání nosičů náboje z vazeb a dojde až k sepnutí tyristoru. Velikostí proudu Ig můžeme řídit velikost spínacího napětí U B. Pokud I G = I GT přechází tyristor plynule do sepnutí a jestliže I G >= I GT nevzniká blokovací stav tzn. tyristor se chová jako usměrňovací dioda. Důležité je, že k udržení vzniklé ionizace krystalové mřížky postačí průchod anodového proudu většího než tzv. přídržný proud I H. Proud I G může zaniknout. Proto je možné uvést tyristor do trvale sepnutého stavu pouze krátkým impulsem I G. Velikost spínacího napětí závisí také na rychlosti, kterou roste napětí mezi anodou a katodou. Jedná se o tzv. kritickou strmost růstu anodového napětí (1 až 100 V/µs).

14 Tranzistory dělíme na: BIPOLÁRNÍ děrová i elektronová vodivost (jedna je vždy v menšině - minoritní, druhá ve většině - majoritní) Podle vodivosti báze na PNP a NPN UNIPOLÁRNÍ pouze děrová nebo elektronová vodivost Podle typu vodivého kanálu: s vodivým kanálem typu P s vodivým kanálem typu N Podle technologie: J-FET Gate má oddělen potenciálovou bariérou JUG-FET bariéra se vytváří PN přechodem MES-FET bariéra se vytváří přechodem kovpolovodič IG-FET Gate má oddělen mechanicky MIS-FET má kovový Gate izolovaný od polovodiče MOS-FET má kovový Gate od polovodiče izolovaný oxidem Bipolární tranzistory Základní zapojení tranzistoru: se společným emitorem - nejčastější se společnou bází se společným kolektorem Tranzistor se společným emitorem Pro zapojení tranzistoru se společným emitorem je charakteristickou vlastností jeho univerzálnost. Zapojení SE má velké jak proudové, tak i napěťové zesílení, z toho vyplývá, že výkonové zesílení které je dáno součinem zesílení napěťového a proudového bude také velmi značné. Toto zapojení tranzistoru otáčí fázi o 180. Jestliže vložíme do emitorového výstupu tranzistoru paralelně k odporu R E kondenzátor C E zvedne se nám zesílení na vyšších frekvencích. Pracovní bod tranzistoru je stabilizován zápornou zpětnou vazbou v emitoru. Toto zapojení je nejpoužívanější druh zapojení tranzistoru v elektrotechnice.

15 Unipolární tranzistory Tranzistory řízené elektrickým polem FET (Field Electric Tranzistor).Tento typ tranzistoru nemá dva polovodičové přechody a při řízení činnosti využívá pouze nosiče náboje jednoho druhu (díry nebo elektrony). Proud nosičů náboje se neovládá proudem ale elektrickým polem napětím. Mohou být s vodivým kanálem typu P nebo N. MOS-FET s indukovaným kanálem Místo kanálu s vodivostí N je použit čistý polovodič pokud přivedeme na kolektor S a emitor D napětí (napětí na U G = 0) nebude kanálem protékat proud (což je změna oproti MOS-Fetu s izolovaným kanálem). Jinak zapojení a ostatní princip je stejný při zvyšování napětí U G budou opět elektrony z P přitahovány do kanálu a proud I C bude stoupat (samozřejmě až od určité hodnoty U G tzv. prahového napětí). Schematická značka: D Su G S Shrnutí: Rozdíly mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem Běžnější jsou tranzistory bipolární, které mají dva polovodičové přechody a tři elektrody zvané báze, emitor a kolektor. Při činnosti se pohybují proti sobě nositelé záporného náboje (elektrony) a nositelé kladného náboje (díry). Na vstupní elektrodu (bázi) musíme přivést napětí a vyvolat vstupní proud. Unipolární tranzistory pracují s nosiči pouze jednoho druhu, buď se zápornými nebo kladnými. Vstupní proud se ovládá pouhým napětím na vstupní elektrodě. Proud jím prochází vždy, i když na vstupní elektrodě není žádné napětí (kromě MOS-FET s indukovaným kanálem). Proti bipolárním tranzistorům mají tyto tranzistory nesrovnatelně větší odpor (řádově o 10 6 Ω).

16 Nejjednodušším představitelem je jednocestný usměrňovač. Jednocestný usměrňovač využívá jen jednu ze dvou půlperiod přiloženého napětí. To může být i výhoda, např. když potřebujeme snížit střední hodnotu napětí, např. pro stejnosměrný motor s nižší jmenovitou hodnotou napětí než je ta, kterou usměrňujeme, nebo pro žárovku, chceme-li úsporné osvětlení. Obecně lze říci, že jednocestný usměrňovač použijeme tam, kde nám nevadí, že nevyužijeme celou periodu. Výhoda jednocestného usměrňovače je také v jeho jednoduchosti a tedy nízké ceně. Usměrňovač, který využívá obou půlperiod napětí, nazýváme dvoucestný. Pro jeho konstrukci pak potřebujeme minimálně dvě diody a transformátor se sekundárním vinutím s vyvedeným středem Obě diody se ve vedení proudu v každé půlvně střídají, vede-li např. v první půlvně horní dioda, vede ve druhé půlvlně spodní dioda atd. Střední proud každé z diod je tedy dán stejným vztahem jako pro jednocestný usměrňovač, střední proud zátěží bude dvojnásobný, tj. 2I o /π. Tím jsou dány i požadavky na diody: každá musí být dimenzována na minimálně polovinu středního proudu, který se předpokládá zátěží a každá musí být dimenzována (pro čistě odporovou zátěž) na celou amplitudu střídavého napětí, které je na sekundáru transformátoru, v závěrném směru.

17 Pro případ, že nemáme k dispozici transformátor s dvojitým, bifilárně vinutým sekundárním vinutím, můžeme pro dvojcestné usměrnění použít tzv. Graetzovo nebo můstkové zapojení. U tohoto zapojení prochází proud v každé půlvlně dvěma diodami v sérii se zátěží. Z hlediska požadavků na proudové zatížení diod se tím nic nemění ve srovnání s předchozím zapojením dvoucestného usměrňovače; každou z diod je tedy potřeba dimenzovat na polovinu předpokládaného středního proudu, který poteče zátěží.

18 Kód IP je kód pro označení druhu krytí elektrických strojů a přístrojů jako evropská norma EN Tento kód definuje soubor opatření, kterými se stroj nebo zařízení zajišťují před vniknutím cizích předmětů a vody, a které chrání obsluhující osoby před úrazem. IP X 1) X 2) X 3) X 4) IP International Protection 1) První číslice 0 až 6 nebo písmeno X proti vniknutí těles nebo ochrana osob 2) Druhá číslice 0 až 8 nebo písmeno X proti vniku vody 3) Přídavné písmeno A, B, C, D nepovinné, ochrana před nebezpečným dotykem 4) Doplňující písmeno H, M, S, W nepovinné proti vniknutí pevných těles ochrana před nebezpečným dotykem 0 bez ochrany bez ochrany 1 průměr do 50 mm hřbetem ruky 2 průměr do 12,5 mmprstem 3 průměr do 2,5 mm nástrojem 4 průměr do 1 mm drátem 5 proti prachu drátem 6 prachotěsný drátem stříkající voda 5 tryskající voda 6 silný proud vody!"#$% 7 dočasné zaplavení 8 trvalé ponoření A vzduch proti vniknutí vody bez ochrany svislé kapky kapky odchýlené o 15 rozprášená voda Chlazení proces jehož prostřednictvím se odvádí ztrátové teplo z elektrického zařízení. Označení IC X a) X b) X c) Druh chladícího média F freon H vodík N dusík C oxid uhličitý W voda U olej

19 Nová zařízení musí být zrevidována podle ČSN Pravidelné revize se provádí podle ČSN Zařízení která byla delší dobu mimo provoz musí být prohlédnuta. Je-li tato doba delší, jak stanovuje místní předpis, potom musí být podrobena periodické revizi. Po ukončení každé práce na el.zařízení, se přezkouší izolační stav a provozuschopnost zařízení. Jakákoliv prozatímní zařízení se v těchto prostorech zakazují! Napojení těchto objektů je jak pro silnoproud, tak i pro slaboproud prováděno pouze kabely uloženými v zemi. Nad těmito objekty nesmí křižovat jakékoli elektrické vedení. Rozvody instalace musí být opatřeny výkonovým vypínáním a vypínač musí být na snadno dostupném a přehledném místě zřetelně označeném a obsluhované i pracovníky bez elektrotechnické kvalifikace, pracovníky provozovatele. Polohy vypínačů zapnuto - vypnuto musí být trvale označeny. Povrchová teplota elektrických zařízení nesmí překročit teplotu o 50 C nižší, než je teplota vzduchu nebo rozkladu výbušiny, nejvýše však teplotu 160 C. Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím se provádí podle ČSN s rozdělením sítě TN-S, kde vodič PE a N se spojuje až v rozvaděči. Ochrana před účinky statické elektřiny musí být provedena podle ČSN a ČSN Elektrická zařízení musí dále splňovat požadavky ochrany před účinky zápalných mechanických jisker podle ČSN Ruční nářadí a jiné spotřebiče se mají používat v třídě II. a III. Ruční svítidla musí být vždy ve třídě II. nebo III. s pracovním napětím 24 V. Podmínky pro používání těchto spotřebičů musí být uvedeny v místních bezpečnostních předpisech. Kontrola a revize těchto spotřebičů se provádí podle ČSN a ČSN Poškozené nářadí musí být vyřazeno z užívání a musí být zajištěno před možným použitím. Ruční nářadí nesmí být pro použití v místech, kde by mohlo dojít k iniciaci výbušniny. Spotřebiče a pohyblivé přívody se musí jednou za 14 dní prohlédnout a změřit izolační stav. Poškozená zařízení musí být odstraněna z užívání. O měření musí být veden písemný záznam. Elektrické stroje se musí pravidelně čistit na povrchu i uvnitř ve lhůtách stanovených v protokolu. Nátěry elektrických zařízení se musí obnovovat takovým zbarvením, aby usazená výbušina byla dobře viditelná. Prostředí se stanovuje podle ČSN , přičemž se přihlíží k vlastnosti a stavu výbušin, možnosti styku s elektrickým zařízením a působením ostatních vlivů prostředí. Komise zpracuje příslušný materiál a vydá protokol. Prostředí se vyznačí do dokumentace.

20 Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny třídí takto: V 1 - výbušina nepráší, neodpařuje se, nesublimuje a k iniciaci elektrickým proudem může dojít jen za zcela výjimečných situací V 2 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje jenom výjimečně a k iniciaci elektrickým proudem může dojít pouze výjimečně V 3 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje kdykoliv a k iniciaci elektrickým proudem dochází trvale Instalace v prostředí V1: krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv je IP44 krytí živých částí dávajících popud k iniciaci výjimečně je IP43 jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti ic musí být v krytí IP 43 Svítidla musí mít krytí IP44, jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí mít ochranný koš nebo sklo a musí vyhovovat rázové zkoušce 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Bez ochranného krytu nesmí být tělesa zainstalována nad zařízením s výbušninou Hlavní rozvaděče jsou v těchto prostorách zakázány Podružné rozvaděče musí být v krytí IP 44 Dveře rozvaděčů musí být z nehořlavých materiálů Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení venkovním Instalace v prostředí V2: Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv: krytí IP 54 v pevném závěru v kapalinovém závěru v závěru s vnitřním přetlakem ve speciálním závěru Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci jen výjimečně: v krytí IP 44 v zajištěném provedení v krytí IP 44 jiskrově bezpečná zařízení musí být v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti ic" a v krytí alespoň IP 44 Svítidla v krytí IP 54, v pevném závěru, v kapalinovém závěru, v závěru s vnitřním přetlakem, ve speciálním závěru a jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí být opatřena ochranným krytem, vyhovující mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Svítidla bez ochranného krytu nesmí být montovány nad výbušinami. Hlavní rozvaděč není v tomto prostoru povolen instalovat podružný rozvaděč musí mít krytí alespoň IP 54. Kryty rozvaděčů musí být nehořlavé. Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení těsně zavřeném

21 Instalace v prostředí V3: Živé části dávající popud k iniciaci kdykoliv: krytí alespoň IP 65 v pevném závěru v závěru s vnitřním přetlakem Živé části dávající popud k iniciaci výjimečně: v krytí IP54 v zajištěném provedení s krytím IP 54 jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti ic a v krytí IP 54 Svítidla v krytí IP 65, v pevném závěru nebo v závěru s vnitřním přetlakem a jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí být opatřena ochranným krytem, vyhovující mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Instalace ve složitém prostředí: Instalace v prostorách s nebezpečím požáru nebo výbuchu musí ještě odpovídat svým krytím a provedením ostatním druhům stanovených prostředí.

22 Na každé elektrické zařízení působí jeho okolí a naopak. Toto působení je definováno v elektrotechnických předpisech (ČSN ) jako vnější vlivy. Je třeba, aby elektrické zařízení bylo vybráno a instalováno v souladu s požadavky, které jsou dány vnějším prostředím. Vnější prostředí se třídí do stupňů. Každý stupeň vnějšího vlivu je označen dvěma písmeny velké abecedy a číslicí. První písmeno označuje všeobecnou kategorii vnějšího vlivu: A = prostředí B = využití C = konstrukce budovy Prostředí Zahrnuje vlastnosti okolí vytvořené jím samým nebo předměty, zařízeními apod. v prostoru umístěnými. Jedná se o tyto povahy vnějšího vlivu: teplota okolí, vlhkost, nadmořská výška, přítomnost vodní masy, výskyt cizích těles, výskyt korozívních nebo znečisťujících látek, mechanické namáhání, výskyt flóry či fauny, přítomnost elektromagnetických, elektrostatických a ionizujících působení, sluneční záření, seizmické účinky, četnost výskytu bouřek a pohyb vzduchu. Využití Znamená uplatnění objektů nebo jejich částí dané: vlastnostmi osob vycházejících z jejich duševních a pohybových schopností, stupně jejich elektrotechnických znalostí, elektrického odporu lidského těla, četností osob v prostoru a možností jejich úniku, vlastnostmi zpracovávaných látek Konstrukce budov Je souhrn vlastností budovy vyplývající z povahy užitého konstrukčního a dekorativního materiálu, provedení budovy a její fixace k okolí.

23 Definice elektrického oblouku: Elektrický oblouk je výboj hořící v plynu, schopný samostatné existence, pokud jej nepřerušíme vhodným zásahem do jeho mechanizmu. Prakticky se jedná o změnu kapalného (plynného) prostředí na plazmatické skupenství, které umožní vedení elektrického proudu napříč tímto prostředím. Tento proces se nazývá ionizace. Existují dva způsoby ionizace plynu: Tepelná ionizace vlivem zahřívání plynu dochází k zrychlenému pohybu částic v plynu způsobující nepružné srážky, a tím vznik elektronů. Tento princip se uplatňuje u vypínání pojistkou a všech kontaktních přístrojů. Nárazová ionizace vlivem velké energie se z osamocených volných nosičů náboje v izolantu vytvoří další volné částice, vzniká lavina a elektrický průraz. Tento princip se uplatňuje u bleskojistek a kontaktních přístrojů u zapínání (vn, vvn) Vlastnosti elektrického oblouku Elektrický oblouk se projevuje vysokou teplotou rostoucí s tlakem (10-ky tisíc K). Malý úbytek mezi elektrodami. Vysoká proudová hustota především v oblasti katody (10 8 A/m) Intenzivní vyzařování energie v celém spektru (světelná, tepelná energie). Z těchto vlastností je patrné, že oblouk je nežádoucí prvek, napadající všechny materiály. U spínání elektrického obvodu doba hoření nesmí překročit únosnou míru ( µs). Je nutné najít takovou rychlost, aby oblouk nehořel příliš dlouho, ale aby nedošlo k odskoku kontaktů. Při vypínání dochází vždy k oblouku, proto musí být vypínače vybaveny zhášedly. Mezní doba hoření oblouku je 30 ms.

24 Zkrat Zkrat je vzájemné vodivé spojení různých fází v daném místě elektrizační soustavy bez spojení se zemí nebo současně se spojením se zemí. Může se jednat o náhodné nebo úmyslné spojení přes zanedbatelný odpor nebo impedanci dvou nebo více bodů obvodu, které mají při normálním provozu různá napětí. V sítích se středem spojeným přímo se zemí (TN) se zkratem rozumí také spojení jedné fáze se zemí, v sítích s izolovaným středem (IT), v kompenzovaných sítích nebo v sítích se středem spojeným přes impedanci (TT) se v tomto případě jedná o zemní spojení. Podle počtu postižených fází rozeznáváme zkraty: trojfázový, trojfázový úplný zkrat (spojen se zemí), dvoufázový, dvoufázový zemní, jednofázový zemní. Zkraty a zemní spojení jsou způsobeny často atmosférickými vlivy (vítr, námraza, bouřka), které způsobují přetržení vodičů, vyvrácení nebo zlomení stožárů nebo porušení izolace přepětím. Mezi jiné vnější vlivy patří úmyslné poškození nebo chybná manipulace. Zkraty mohou být též způsobeny vnitřními vlivy, např. proražení izolace kabelů, izolátorů nebo izolace strojů. V místě zkratu klesne napětí teoreticky až na nulu, do místa zkratu tečou zkratové proudy ze všech zdrojů soustavy podle jejich výkonu a elektrické vzdálenosti. Místem zkratu protéká výsledný zkratový proud, který je obvykle mnohonásobkem normálního proudu. V celé soustavě se projeví pokles napětí. Zkratový proud má v závislosti na čase charakteristický průběh, který je většinou podle časové osy nesouměrný a lze jej rozložit na složku souměrnou střídavou a aperiodickou složku stejnosměrnou. Při zkratu musí být postižené zařízení automaticky vypnuto ochranou nebo ochrana musí dát popud k vypnutí vypínače před místem zkratu. Zařízení musí být dimenzována tak, aby vydrželo zkratový proud po dobu, dokud není zkrat vypnut.

25 Přepětí Přepětí v síti je každé napětí mezi fází a zemí nebo mezi fázemi, jehož nejvyšší hodnota přesahuje nejvyšší napětí pro zařízení. Přepětí se podle původu dělí na vnitřní přepětí, které je vyvolané změnou provozního stavu elektrizační soustavy vnější přepětí neboli atmosférické přepětí, způsobené atmosférickými výboji na venkovních vedeních. Vnitřní přepětí Je vyvolané změnou provozního stavu elektrizační soustavy. Vyskytuje se při poruchových stavech soustavy, při spínání a v rezonančních obvodech. V sítích s izolovaným středem (IT) nebo v kompenzované síti, případně v síti se zhášecím transformátorem dochází při poruše jedné fáze k zemnímu spojení. Přepětí vzniká při zapnutí nebo vypnutí zemního spojení a jeho amplituda může být až 3,5 násobek fázového napětí. V soustavě s uzemněným středem (TN) dochází při poruše jedné fáze ke zkratu. Při vypínání zkratu vzniká přepětí, které se skládá z přechodné složky superponované na složku s průmyslovým kmitočtem a jehož výsledkem je zotavené napětí. Proud zkratu se přeruší, když zotavené napětí soustavy roste pomaleji než zotavující se elektrická pevnost vypínané dráhy. Při vypínání kapacitních proudů (kondenzátory, dlouhá vedení naprázdno, kabelová vedení) vzniká spínací přepětí. Na nožích vypínače se objevuje dvojnásobná vrcholová hodnota napětí, kterou se může vypínací dráha prorazit. Oscilace vyvolávají přepětí, které může činit až 5-ti násobek fázového napětí. Při vypínání vedení naprázdno vznikají přepětí do 3,5 násobku fázového napětí. Při vypínání induktivních proudů může docházet k opětovným zapálením oblouku, dokud vzdálenost mezi kontakty odolá zotavenému napětí. Amplituda přepětí může dosáhnout až 2,5 násobek fázového napětí. Rezonanční přepětí se vyskytuje v rezonančních obvodech s indukčnostmi a kapacitami, případně i odpory. Rezonanční kmitočet je dán Thomsonovým vztahem (viz. ferorezonance, harmonická rezonance).

26 Vnější přepětí Vzniká přímými údery blesku do fázových vodičů, do stožárů a do zemnících lan nebo také nepřímými údery blesku v blízkosti vedení (indukované přepětí). Při přímém úderu do fázového vodiče se od místa úderu šíří na obě strany přepěťová vlna, jejíž amplituda může značně překročit izolační hladinu vedení. Přepěťová vlna indukuje též napětí v sousedních vodičích. Při přímém úderu do stožáru vznikne přepětí úbytkem napětí na impedanci stožáru a odporu uzemnění a může dojít ke zpětnému přeskoku. Přepětí závisí také na velikosti rozpětí, vlnové impedanci vodičů a zemnicích lan. Přímý úder do zemnicích lan vyvolá šíření přepěťových vln podobně jako při úderu do fázového vodiče. Ve vodičích se též indukuje napětí. Jestliže je napětí mezi zemnicím lanem a vodičem vyšší než přeskokové napětí izolátorů, dojde ke zpětnému přeskoku. Indukované přepětí se tvoří elektrostatickou a elektromagnetickou indukcí od kanálu blesku v blízkosti vedení (elektrostatický výboj). Toto přepětí je nebezpečné pouze pro vysokonapěťová vedení. Pojistka Pojistka je přístroj určený k jednorázovému jištění elektrických zařízení před účinky nadproudů.její základní vlastností je, že omezuje zkratový proud, tzn. že ho přeruší dříve než dosáhne své vrcholové hodnoty. V oblasti malých nadproudů nelze pojistku použít, protože z důvodu výrobních nepřesností není v této oblasti vhodným jistícím prvkem. Je vhodné ji kombinovat s jističem. Podstata působení pojistky: Tavný vodič pojistky představuje nejslabší místo v elektrickém obvodu => vznikají v něm nejrychleji tepelné ztráty.

27 Základní parametry pojistek: jmenovité napětí (uvedeno patroně) jmenovitý proud (pojistka ho musí trvale snést, aniž by oteplení přesáhlo přípustnou mez) krajní proud zkratový výkon předpokládaný výkon v obvodu při zkratu u závitových pojistek se vyjadřuje proudem v ka (25 40 ka) u nožových stovky ka u vn se vyjadřuje v MVA (součin jmenovitého napětí a předvídaného proudu), ( MVA) speciální pojistky u MTN až tisíce MVA, případně se udává jako. Jistič Je to samočinný vypínač, který slouží k ochraně elektrických obvodů před zkratem, nadproudem a podpětím. Hlavní části jističe vypne. Proudovodná dráha začíná a končí na svorkách a je tvořena spojovacími částmi, kontakty, někdy vyfukovací cívkou, nadproudovou a zkratovou spouští. Spoušť je součástka (malý elektromagnet, bimetal), který mechanicky zatlačí na volnoběžku a jistič Volnoběžka je pákový mechanismus, který udržuje stlačenou vypínací pružinu a umožní její mžikové vypnutí malou spouštěcí silou od spouště. Nadproudová spoušť viz dále Elektromagnetická zkratová spoušť je malý elektromagnet, jehož kotva v odpadlém stavu dává velkou vzduchovou mezeru a k jejímu přitažení dojde do 0,2s při zkratovém proudu (7 x I n ). Na menší proudy nereaguje jsou vybaveny tepelnou spouští

28 Kataraktová spoušť je to elektromagnet, který reaguje s časovou závislostí na nadproudy a bez časové závislosti na zkraty. Jádro tvoří mosazný váleček vystupující na jedné straně cívky. V mosazném válečku je železné jádro vytlačované pružinou a olejová náplň. Při nadproudu se jádro vtahuje do cívky, klesá vzduchová mezera a po vtažení se kotva přitáhne (nadproudová ochrana). Při zkratu se kotva přitáhne při plné vzduchové mezeře. Podpěťová spoušť je to elektromagnet připojený na napětí, jehož kotvička odpadne, poklesne-li napětí pod 65 % U n. Tepelná spoušť Tato spoušť se používá v oblasti přetížení spotřebiče. Spoušť má možnost nastavení ±15 % jmenovité hodnoty. Jmenovitý proud jističe je dán jmenovitým proudem tepelné spouště. Tepelná spoušť tvořená nepřímo vytápěným bimetalem se při průchodu nadproudu vyhřeje, prohne a uvolní volnoběžku a jistič vypne. Nevýhody tepelné spouště z bimetalu: Velká tepelná setrvačnost zapneme-li jistič opětovně, hned po výpadku, pak vypne, protože pásek tlačí na zámek do doby, než se ochladí. Malá mechanická pevnost není dána pevností vlastního materiálu dvojkovu, ale je dána pevností galvanické ho spojení těchto dvou materiálů. Bývá okolo 30 MPa (10% pevnosti Fe) Dnes se zkouší místo dvojkovů použití kovů s tvarovou pamětí. Je to speciální slitina, která za teplot (-50 až +600 C) podle chemického složení mění v určitém rozsahu teplot svou krystalickou strukturu. Odlije se slitina (na bázi Ni, Ti) v poměru 1:1, která se následně leguje. Podle legur docílíme pracovní teploty, kterou potřebujeme. Můžeme pak vyrobit pásek, u kterého definujeme tzv. originální tvar to je tvar, do kterého se pásek dostane v okamžiku zahřátí na pracovní teplotu. V tomto originálním tvaru se materiál zpracuje, pak se nechá schladit a nyní se mechanicky narovná. Po zahřátí se vrátí opět do originálního tvaru. Jestliže se tento cyklus několikrát zopakuje, pak se naučí ohýbat sám. Výhody: rozsah teplot (-50 až +600 C) mechanická pevnost 800 MPa

29 Proudový chránič Proudové chrániče jsou moderní ochranné prvky, které zaručují vysokou citlivost ochrany před úrazem elektrickým proudem a chrání majetek před vlivem požáru od elektrické instalace. Princip proudového chrániče: Proudový chránič se skládá ze součtového transformátoru proudu, velmi citlivého vybavovacího relé a spínacího mechanismu. Proudovým transformátorem procházejí všechny pracovní vodiče, které jsou potřebné pro funkci spotřebiče. Jestliže vznikne porucha za chráničem, vznikne i rozdíl mezi porovnávanými pracovními proudy, protože část proudu uniká do země. Tento rozdíl proudů indukuje, v sekundárním obvodu transformátoru, napětí, které pomocí vybavovacího relé uvede v činnost spínací mechanismus a porucha je rychle odpojena. Vznikne-li ovšem nadproud v pracovních vodičích a ne proti zemi, proudový chránič to nevyhodnotí jako poruchu, protože součet proudů v součtovém transformátoru je roven nule. Z toho vyplývá, že proudový chránič nejistí před obvod nadproudy.

30 Přepěťové ochrany Svodič přepětí je elektrický přístroj chránící zařízení před přepětími. Existují tyto základní typy přepěťových ochran : koordinační jiskřiště svodiče přepětí pracující s obloukem (se zhášedly) ventilová bleskojistka Koordinační jiskřiště Tvoří součást vysokonapěťových přístrojů (např. odpojovač). Chrání povrchovou cestu pevných izolantů. Tvoří jej kovové hroty umístěné proti sobě jeden na armatuře izolátoru (část pod napětím) a druhý na základním rámu (země). Jeho vlastnosti nelze citlivě měnit, představuje spíše podružnou ochranu. Její význam spočívá v tom, že průrazná dráha vzduchu se posune od povrchu izolátoru, takže se zabrání zničení izolátoru tepelným účinkem oblouku vzniklého po přeskoku. Nejčastěji je v provedení hrot - hrot. Torokova trubice (vyfukovací bleskojistka) Má dvě sériově zapojená jiskřiště. Jedno (vnější) má funkci odpojovače, druhé (vnitřní) umístěné v trubce z plynotvorného materiálu zajišťuje zhášení elektrického oblouku. Jedná se o zhášedlo s vlastní zhášecí energií využívající pevné hasivo. Značné množství plynů vzniklé rozkladem materiálu trubky tepelným účinkem oblouku, ochlazuje při výtoku dutou elektrodou oblouk a v nule proudu, po oslabení ionizačních pochodů, zabrání opětovnému zapálení oblouku. Vnější jiskřiště je tam proto, protože elektrická pevnost vnitřního povrchu je zmenšena zuhelnatěním plynotvorného materiálu účinkem oblouku. Při trvalém připojení napětí by z tohoto důvodu mohly nastávat přeskoky.

31 Vnější povrch trubky se opatřuje vrstvou s velkým odporem, která upravuje el. pole vnitřního jiskřiště. Při normálním provozu sítě způsobuje, že dolní elektroda vnějšího jiskřiště má potenciál země. Vznikne-li přepětí, nastane proto přeskok nejdříve na vnějším jiskřišti. Nyní začne odporovou vrstvou procházet proud, postačující k vytvoření takového úbytku napětí, který potom vyvolá přeskok na vnitřním jiskřišti. Po uhasnutí oblouku mezi elektrodami vnitřního jiskřiště omezí odporová vrstva proud výboje na vnějším jiskřišti natolik, že výboj zanikne bez jakýchkoliv dalších zásahů. Nevýhoda : Jednoznačně definovaná vypínací schopnost (malý proud oblouk nevytvoří dostatečné množství plynu, takže oblouk nemůže být uhašen; velký proud vznikne tolik plynu, že jeho nadměrný tlak způsobí rozrušení trubky. Dnes už se nepoužívají, je to historie). Ventilová bleskojistka Principiálně se jedná o sériovou kombinaci jiskřiště a nelineárního prvku. Hodnota zápalného napětí se dá částečně řídit : odporem tvarem jiskřiště Jiskřiště ventilových svodičů přepětí je tvořeno soustavou dílčích jiskřišť řazených sériově. Touto úpravou se současně řeší dva požadavky. Prvním je vznik průrazu s co nejmenším zpožděním, aby vlna přepětí nepronikla příliš daleko za svodič přepětí. Druhým je vytvoření podmínek k intenzivnímu zhášení oblouku vytvořeného následným proudem, který je splněn tím, že každé jiskřiště představuje jedno zhášedlo. Tato úprava jiskřiště umožňuje vytvářet stavebnicovou konstrukci. Jedno jiskřiště a jeden rezistorový kotouč tvoří jednotku pro určité napětí. Skládáním jednotek lze vytvořit svodič přepětí pro libovolné napětí

32 Vypínače Kontaktní ústrojí elektrických spínacích přístrojů Kontakt je ta část proudovodné dráhy, kde se mechanicky stýkají vodiče vlivem vnější přítlačné síly, a ve kterém dochází vlivem vytvoření proudových úžin ke změně proudové hustoty. Zajišťuje přechod ze zapnutého do vypnutého stavu a naopak. Kontakt má dvě základní polohy: stav vypnuto: je charakterizován izolační vzdáleností, která je dána normou. Celkový průřez v tomto okamžiku je nulový. stav zapnuto: je charakterizován schopností kontaktů přenášet elektrický proud a určuje tvar a základní vlastnosti kontaktu: spolehlivost, životnost; bezpečnost funkce celého přístroje. Kontaktní styk nevznikne na celé kontaktní ploše, ale právě jen v určitých místech, kde se nacházejí proudové úžiny. To je způsobené tím, že žádný povrch není dokonalý a jsou na něm nerovnosti způsobené technologií výroby, ale hlavně působením elektrického oblouku. Při určování stykového odporu musíme rozeznávat čistě kovový odpor mezi kontakty a dodatečný odpor cizích vrstev na povrchu kontaktů, které bývají chemického nebo mechanického původu. Kovové plochy, které na sebe dosednou, na sebe působí v závislosti na přítlačné síle napřed pružně a potom plasticky. a) kovový stisk pod mezí pružnosti vratná změna A) čistý kovový styk Požadavky na kontakty: Co největší elektrická a tepelná vodivost Odolnost proti korozi Výborné mechanické vlastnosti Odolnost vůči účinkům elektrického oblouku (minimální úbytek napětí, špatná svařitelnost)

33 Kontaktní materiály 1) Ryzí kovy 2) Slitiny špatná elektrická vodivost 3) Slinutiny jsou křehké 4) Pseudoslitiny velmi výhodné kontaktní vlastnosti (Cu+W, Ag+W, Cu+Cr, Ag+Cr) Ušlechtilé kovy: Au, Pt nereagují s prostředím potahují se kysličníky až při vysokých teplotách ( C) použití: lékařství, kosmický výzkum drahé Poloušlechtilé kovy: Stříbro povlak je měkký a relativně nestálý, zaniká při 200 C malá tvrdost a malá odolnost proti elektrickému oblouku nejlepší elektrická vodivost (i jeho kysličníky jsou dobře vodivé) Nikl, Wolfram používají se do slitin Wolfram je pro svou velkou tvrdost a vysokou teplotu tavení materiálem používaným na opalovací kontakty. Neušlechtilé kovy: Měď: má při čistém povrchu dobré kontaktní vlastnosti, ale snadno se pokrývá kysličníkem a pak může způsobit nadměrné oteplení. Používáme ji všude tam, kde je dostatečný tlak k rozrušení cizích vrstev, a na kontakty ponořené do oleje. Pro zlepšení vlastností se Cu a Ag legují přísadami: Stříbro-nikl: 30% Ni, dobrá odolnost proti opotřebení el. obloukem, má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a tvrdost. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-uhlík: přítomnost uhlíku snižuje možnost svaření kontaktů. Používá se stříbro s 5% C. Odolnost proti opotřebení je nízké. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-wolfram: má vysokou odolnost proti el. opotřebení, vysoký bod tavení a tvrdost, má horší el. a tep. vodivost a sklon ke korozi. Používá se na opalovací kontakty. Vyrábí se práškovou metalurgií. Na opalovací kontakty pod olejem se používá wolfram měď.

34 Vypínač Je rychlý, výkonový spínací prvek se svým pohonem a je schopný vypnout zkratové proudy, anebo snést zapnutí do zkratu. Oblouk se zháší různými způsoby, nejznámější byl olej (utopení oblouku v kotli), tlakovzduch (sfouknutí oblouku), maloolej (olejové páry), SF 6 (nevodivý plyn). Další poslední způsob byl zřejmě motivován úvahou " proč vymýšlet zhášení dielektrikem, nedávejme tam nic a ionty nemohou proudit" a vznikly vypínače vakuové. Odpojovač Otevřený přístroj, který je laciný, je na něj vidět a vypnutý stav se dá opticky kontrolovat. Umí sice vést velké jmenovité i zkratové proudy, ale neumí vypínat, prostě proto, že chybí deionizační zařízení. Určitá výjimka je spínání malých transformátorů vn/nn, ale jen naprázdno. U skříňových rozváděčů bývá odpojovač nahrazen výsuvným podvozkem vypínače nebo výsuvnou kazetou. Protože vypínač má přívodní a vývodové roubíky, nahrazuje výsuvná část dva odpojovače, přípojnicový i vývodový. Uzemňovač Někdy jen zemní nože u odpojovače slouží pro zajištění bezpečnosti při pracech na odpojených částech. Jsou většinou dimenzovány na zkratový proud jako příslušný odpojovač. To proto, že by někdo zapnul vypnuté vedení z druhé strany. Samozřejmě svádí i indukované napětí. Pohony odpojovačů a uzemňovačů jsou buď ruční nebo strojní. Strojní pohony používají vzduchové válce nebo elektromotory. Zatímco vzduch (stlačený ve vzdušnících) byl k dispozici i při výpadku rozvodny, u elektromotorů je zajištěna funkce při výpadku rozvodny jen napájením DC nebo AC zajištěných (rozumí se střídač). Musíme rozhodnout jaké napětí bude použito (nezajištěné AC, zajištěné AC, event.dc) a na jaké kobky (např. DC pro všechny nebo jen důležité: přívody, spínače přípojnic, transformátor vlastní spotřeby). Od tlakovzduchu se však upouští (náročná údržba, poruchové ovládací ventily a jednotky). Stykače a relé Stykače jsou dálkově ovládané spínače, které jsou drženy v zapnuté poloze silou elektromagnetu a nesmí být v této poloze aretovány, přičemž stabilní poloha je poloha vypnuto. Používají se pro časté, ale krátké spínání až 3000 sepnutí za hodinu, životnost spínače je několik miliónů sepnutí. Podle zhášení oblouku jsou : vzduchové SF 6 (fluorid sírový) Olejové, ve výjimečných případech Relé je přístroj, který reaguje na změnu v hlídaném elektrickém obvodu. Tuto změnu signalizuje, nebo svými kontakty zajistí vypnutí pomocí výkonového vypínače nebo stykače.

35 Bezkontaktní spínače Spínání vychází ze základního vztahu: σ = n e b kde : σ proudová hustota n koncentrace nosičů nábojů e elementární náboj b hybnost Základní součástky pro bezkontaktní spínání Dioda Tyristor Tranzistor Triak Výhody bezkontaktního spínání spínací proces je v pevné fázi hmoty nemá zhášedlo není žádný mechanizmus zapínací a vypínací časy velmi malé nepřítomnost mechanizmů vykazuje vyšší životnost i spolehlivost při správném dimenzování : až sepnutí (kontaktní maximálně 10 8 ) nízká úroveň rušení kompatibilita s logickými přístroji velká vstupní citlivost Nevýhody bezkontaktního spínání nedochází ke galvanickému odpojení obvodu zdroje od spotřebiče - velký úbytek napětí na přechodu v zapnutém stavu (až 10 0 V) citlivost na přepětí a rychlé změny napětí v síti citlivost na přetížení náchylné na změny tepelného režimu velká pořizovací cena u VN a VVN (u NN srovnatelná)

36 Hybridní spínače Spojení kontaktního a bezkontaktního spínaní. Princip spínání Zapínání zasunutí pohyblivých kontaktů do polohy (1) zapnutí tyristorů Ty úplné zasunutí pohyblivého kontaktu až do polohy (2) Vypínání zapnutí tyristorů Ty vysunutí pohyblivých kontaktů z polohy (2) do polohy (1) vypnutí tyristorů Ty úplné vysunutí pohyblivého kontaktu Výhody hybridního spínání řeší některé problémy bezkontaktního spínání galvanické oddělení obvodu zdroje od spotřebiče není úbytek napětí na přechodu PN vyzkratováno pohyblivým kontaktem Nevýhody hybridního spínání pořizovací cena velikost

37 Elektromagnet Během zdvihu kotvy koná elektromagnet práci. Doba zdvihu je však velmi krátká, proto jej řadíme k elektrickým přístrojům. U elektromagnetů nás zajímá především průběh tahové síly. Odvození vztahu pro tahovou sílu : dwm Obecně síla ze zákona zachování energie F =, kde dδ Wm = 1 L I 2 2, kde 2 L = N λ Magnetomotorické napětí F m = N I W 1 =, kde magnetic- 2 ká vodivost pro vzduchovou mezeru Dosadíme-li Hopkinsonův zákon Φ B S F m = = pak síla elektro- λ δ λ δ 1 S B S magnetu F = µ δ λ δ Tento vztah platí pouze : 2 λ δ 2 m λ F m S = µ 0 W δ 1 S =. 2 δ 2 m µ 0 F m 2 B S F == 2 µ Za předpokladu velmi malé reluktance feromagnetika eliminuje se činitelem sycení k s Za předpokladu, že v celém průřezu vzduchové mezery je magnetické pole rozloženo rovnoměrně (homogenní mag.pole) eliminuje se činitelem vyklenutí magnetického pole ε. Předpoklad ad1) je splněn při velkých vzduchových mezerách, předpoklad ad2) je naopak splněn při malých vzduchových mezerách. Proto se v dnešní době rozvíjí výpočet numerickým modelováním (Ansys atd.). 0

38 Tvary elektrických strojů Tvar stroje takové uspořádání, které respektuje polohu stroje, upevnění, uspořádání ložisek, konec hřídele, způsob montáže umístění hřídele na osu stroje Označení IM X a X b X c X d ad a) 1.. patkové jen s ložiskovými štíty nebo štítem 3.. přírubové příruba na ložiskovém štítu ad b) 0.. stroj má normální patky bez převodovky 1.. stroj má zvýšené patky ad c) 0.. vodorovná hřídel 1.. volný konec hřídele je svisle dolů 2.. volný konec hřídele je svisle nahoru ad d) 0.. hřídel není vyvedena 1.. jeden válcový konec hřídele 2.. dva válcové konce hřídele Příklad: IM 1001 patkový s normálními patkami s vodorovnou hřídelí jeden vyvedený válcový konec. H V d N E K L

39 Transformátor Transformátor je stroj bez pohyblivých části, který mění velikost napětí střídavého proudu při nezměněném kmitočtu. Transformátor se skládá z uzavřeného magnetického obvodu, složeného z křemíkových plechů a obvykle ze dvou vinutí. Vstupní vinutí P (primární) je napájeno ze zdroje střídavého proudu. Z výstupního vinutí S (sekundárního) odebíráme napětí jiné velikosti. Při chodu naprázdno je výstupní vinutí otevřeno a transformátor odebírá ze sítě proud potřebný pro vybuzení magnetického toku v magnetickém obvodu. Střídavý magnetický tok indukuje v jednom závitu každého vinutí napětí u 1. Má-li výstupní vinutí N 2 závitů, indukuje se v něm napětí. Napětí se transformuje v přímém poměru počtu závitů. Protéká-li při zatížení sekundárním obvodem proud I 2, pak spotřebič odebírá z transformátoru výkon Ve vstupním vinutí, které má N 1 závitů indukuje tentýž střídavý tok Tento výkon se musí transformátoru přivést ze zdroje při napětí U 1 a proudu I 1 je tedy napětí Poměr indukovaných napětí obou vinutí (cívek) transformátoru Zanedbáme-li ztráty v transformátoru, můžeme psát, že příkon se rovná výkonu; pak platí je roven poměru počtu závitů a nazývá se převodem transformátoru. Zanedbáme-li poměrně malé úbytky napětí ve vstupním vinutí transformátoru, můžeme místo indukovaných napětí dosadit svorková napětí, takže velmi přibližně platí:

40 Jestliže se cosϕ 1 rovná cosϕ 2, dostaneme a z toho pak Proudy v transformátoru jsou v nepřímém poměru k převodu. Z posledního vztahu také plyne rovnost magnetomotorických napětí

41 Jmenovitý výkon transformátoru je zdánlivý výkon v kva nebo v MVA podle štítku, a to při jmenovitém proudu a jmenovitém napětí na straně výstupní a při jmenovitém kmitočtu a sinusovém průběhu napětí na straně vstupní. Jmenovitý proud transformátoru na straně vstupní i výstupní vypočítáme jen ze jmenovitých hodnot výkonu a napětí. Magnetický obvod se skládá z transformátorových křemíkových plechů. Aby byly ztráty vířivými proudy malé, musí být jednotlivé plechy proti sobě dobře izolovány. Izolujeme je papírem, lakem nebo fosfátováním. Používané transformátorové plechy mívají měrné ztráty Dp 1,0 =1,3 až 1,1 W/kg i méně podle jakosti. Orientované plechy s keramickou izolací mají měrné ztráty Dp 1,0 =0,7 až 0,35 W/kg. Magnetický obvod je tvořen jádry a spojkami. Na jádrech je navlečeno vinutí (cívky). Podle konstrukce magnetického obvodu rozeznáváme transformátory jádrové, vinutí obklopuje plechy, a plášťové, plechy obklopují vinuti. Jednofázový transformátor jádrový má dvě navinutá jádra s polovicí vinutí vyššího napětí vn a s polovicí vinuti nižšího napětí nn a dvě spojky. Jednofázový plášťový transformátor má navinuté jen prostřední jádro, na němž je cívka vyššího i nižšího napětí. Spojky mají poloviční průřez a jsou uzavřeny po obou stranách nenavinutými krajními jádry rovněž polovičního průřezu. Průřez jader bývá čtvercový, obdélníkový, křížový nebo několikrát odstupňovaný, aby se kruhový otvor cívky co nejvíce vyplnil jádrem (nejkratší obvod, úspora mědi nebo hliníku). Cívky transformátoru jsou buď válcové nebo kotoučové. U vinutí pákového jsou cívky vyššího i nižšího napětí soustředně na sobě, cívky nižšího napětí obvykle blíže k jádru. Válcové vinutí bývá nejčastěji u jádrových transformátorů. Stavíme je se svislou osou, aby kolem vinutí mohl vzduch nebo olej přirozeně proudit. U vinutí kotoučového jsou cívky vyššího a nižšího napětí střídavě na jádře. Tohoto vinutí používáme nejvíce u plášťových transformátorů a pro magnetickou souměrnost dáváme na konce jader poloviční cívky nižšího napětí. Kotoučové vinutí se staví s vodorovnou osou, aby chladicí kanály mezi cívkami byly svislé.

42 Stejnosměrný stroj Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstarší a konstrukčně nejsložitější užívané elektrické stroje. Jejich snadná regulovatelnost jim zajistila donedávna výsadní postavení v oblasti elektrických pohonů. Nutnost použití usměrňovačů je však o toto výsadní postavení připravila. Vlastnosti elektrických strojů Stejnosměrné stroje se vyznačují: Snadná regulace otáček (napětím kotvy, nebo budícím proudem) Velký kroutící moment Snadná přizpůsobivost momentových charakteristik (zapojením budícího vinutí) Velká přetížitelnost Možnost užití v těžkých podmínkách Výkony 1W - 7,5MW Napětí 1, V Konstrukce: Kostra slouží jako jho. Budící vinutí je umístěno na hlavních pólech, jejich vzdálenost definuje pólovou rozteč, budící vinutí může být nahrazeno permanentními magnety. Mezi hlavními póly jsou umístěny pomocné póly pro zlepšení komutace (nemusejí být vždy). Počet pólů je vždy sudý. V hlavních pólech je uloženo kompenzační vinutí pro kompenzaci reakce kotvy. Rotor ss. stroje je složen z plechů, komutátoru a vinutí. Rotorové vinutí může obsahovat vyrovnávací spojky prvního a druhého řádu. Sběrné ústrojí je tvořeno kartáči (počet řad kartáčů odpovídá počtu pólů), držáky kartáčů, roubíkem a brejlemi. Kluzný kontakt tvoří kartáč klouzající po komutátoru. Princip činnosti: Motor funguje na základě působení elektrodynamických účinků mezi proudem ve vodičích kotvy a magnetickým polem hlavních pólů.

43 Konce cívek jsou připojeny ke komutátoru, k němuž jsou přiloženy kartáče. Otáčíme-li cívkou bude se indukovat napětí. Pod S pólem U a, pod J pólem U b. Komutátor působí v podstatě jako mechanický usměrňovač, musí mít minimálně 3 lamely, pro vyhlazení proudu se používá větší počet lamel (až 900).