se indukuje v závitu, který se rovnoměrně otáčí v homogenním magnetickém poli.

Transkript

1

2 se indukuje v závitu, který se rovnoměrně otáčí v homogenním magnetickém poli. u U sin( t) m okamžitá hodnota napětí amplituda napětí (maximální hodnota napětí) 2f frekvence úhlová frekvence = úhlová rychlost závitu

3 Um = 100 V, f = 50 Hz

4 Okamžité napětí dosahuje svého maxima tehdy, je li osa závitu kolmá k magnetickým indukčním čarám. V tom okamžiku, kdy je osa závitu rovnoběžná s indukčními čárami, je napětí nulové. Aplet

5 magnetický indukční tok je nulový, ale jeho časová změna je maximální u = Um u u, Φ u Φ t magnetický indukční tok je sice maximální, ale jeho časová změna je nulová u = 0

6 Alternátor - v magnetickém poli statoru rotuje cívka rotor

7 Jestliže vodivě spojíme svorky zdroje střídavého napětí, začne obvodem protékat střídavý proud. Svorky pak mohu spojit rezistorem, kondenzátorem anebo cívkou. Vzniknou tak jednoduché obvody střídavého proudu

8 Platí Ohmův zákon Odpor vodiče R, X R R okamžitá hodnota proudu i u X R U m sin( X R t) U X m R sin( t) I m sin( t) amplituda proudu

9 X R - rezistance (odpor rezistoru vůči střídavému proudu, totožný s elektrickým odporem, X R = R, [X R ]= ) Střídavé napětí vyvolá střídavý proud. Okamžité hodnoty obou veličin jsou popsány stejnými funkcemi: u U sin( t) sin( t) Proud je ve fázi s napětím, fázový rozdíl je nulový ( = 0) i I m m

10 150 U/V i/ma , ,025 0,05 0,075 t/s

11 Znázorňuje fázový rozdíl mezi u, i U + R I R 0

12 Střídavý U a I znázorňujeme pomocí speciálních rotujících vektorů fázorů Pravoúhlý průmět koncového bodu fázoru vykonává kmitavý pohyb 0 U R i I R u Toto je časový diagram onoho kmitavého pohybu Souvislost fázorového a časového diagramu

13 I kondenzátorem protéká střídavý proud; odpor kondenzátoru vůči střídavému proudu se nazývá kapacitance (Xc). 1 X c C kapacita C

14 Proud již není ve fázi s napětím napětí se oproti proudu zpožďuje o π/2. Do nenabitého kondenzátoru (u = 0) teče maximální proud. Do nabitého kondenzátoru (u = Um) teče nulový proud. 2

15 + I 2 R U R

16 Napětí na kondenzátoru se zpožďuje za proudem o π/ i u t/s 0 0 0,025 0,05 0,

17 i I R u t U R Napětí na kondenzátoru se zpožďuje za proudem o π/2.

18 Odpor kladený cívkou vůči střídavému proudu se nazývá induktance (X L, [X L ]=). L X L L indukčnost cívky

19 U R + I 2 R

20 150 i 100 u ,025 0,05 0,075 t/s Napětí na cívce předbíhá proud o π/2.

21 I R i U R u t Napětí na cívce předbíhá proud o π/2.

22 Složené obvody střídavého proudu vzniknou tehdy, připojíme-li ke svorkám zdroje střídavého napětí určitou kombinaci rezistorů, kondenzátorů a cívek. Sériový RLC obvod Paralelní RLC obvod

23 R L C U

24 U napětí zdroje U L U L - U C U U R U R U C U 2 U 2 R U U 2 L C

25 I C LI RI U C L R Z I C L R U Z impedance (odpor RLC-obvodu vůči střídavému proudu)

26 I RLC obvod způsobuje fázový posuv napětí vůči proudu: I L =I C =I R tg U L U U R C U L - U C U U R tg L R 1 C

27 Impedance obvodu závisí na úhlové frekvenci střídavého napětí zdroje. Graf Z = f() je následující:

28 Z/ Nízké frekvence nepropustí kondenzátor 10 8 R = 1 L = 1 H C = 1 F 6 4 a vysoké zase cívka Impedance je nejnižší (1) pro = 1s -1. RLC obvod je se zdrojem v rezonanci. /s -1

29 Dostane-li se RLC obvod do rezonance, napětí na kondenzátoru a cívce se vzájemně ruší. Impedance je pak minimální a rovna elektrickému odporu. Fázový posuv je nulový. U L U R Z REZ R U C 0

30 U L U C X L I X C I 1 1 f REZ 2 LC L 1 C 2f 1 LC 1 LC

31 L C U

32 Impedance paralelního LC obvodu je určena vztahem: Z L 1 1 C

33 Z/ 10 8 Impedance roste nade všechny meze pro = 1s -1. LC obvod je se zdrojem v rezonanci. R = 0 L = 1 H C = 1 F 6 4 Nízké frekvence projdou cívkou 2 a vysoké zase kondenzátorem. 0 /s

34 Dostane-li se LC obvod do rezonance se zdrojem, nabude jeho impedance nekonečně velké hodnoty. Zdroj proto nedodává do obvodu proud. Elektrická energie se však kumuluje přímo v LC obvodu, který se silně rozkmitá s rezonanční frekvencí 1 1 f REZ 2 LC

35 I L f f C U REZ I = 0

36 Vstupní člen radiových přijímačů V anténě se naindukuje celá řada střídavých proudů od různých vysílačů odlišných svojí frekvencí. Ty jsou přivedeny do paralelního LC obvodu, který se pak silně rozkmitá pouze s tou, s níž je v rezonanci. LC oscilátor - hodinky

37

38 činný výkon Je roven teplu, které se v obvodu uvolní za jednotku času. V případě elektromotoru je to pak práce vykonaná za 1s. zdánlivý výkon (Ps) výkon bez L, C P UI P VA S S

39 efektivní hodnota proudu účiník P UI cos efektivní hodnota napětí fázový posuv napětí vůči proudu

40 Nechá se dokázat, že mezi efektivními hodnotami proudu a napětí a amplitudou těchto veličin platí vztah: u/v U m = 100 V U U m 0, 71U 2 m ,025 0,05 0,075 t/s I I m 0, 71 2 U = 71 V I m -150

41 V obvodu s (ideálním) kondenzátorem je činný výkon nulový, protože fázovému posuvu -/2 odpovídá nulový účiník. Během prvé půlperiody si kondenzátor půjčuje elektrickou energii ze zdroje a nabíjí se. Avšak při vybíjení během druhé půlperiody ji zase zdroji vrátí. P UI cos UI cos( ) 0 2

42 V obvodu s (ideální) cívkou je činný výkon nulový, protože fázovému posuvu /2 odpovídá opět nulový účiník. Během prvé půlperiody si cívka půjčuje elektrickou energii ze zdroje a vytváří si magnetické pole. V druhé půlperiodě magnetické pole zaniká a energie se zdroji vrací. P UI cos UI cos( ) 2 0

43 V obvodu s rezistorem je činný výkon maximální, protože fázovému posuvu 0 odpovídá účiník o hodnotě 1. Elektrická energie se nevratně mění na teplo a do zdroje se žádná nevrací. P UI cos UI cos 0 UI

44 Rotor elektromotoru na střídavý proud je cívka, jejíž účiník je však blízký nule. V důsledku toho sice elektromotor odebírá ze sítě velké proudy, ale jeho výkon je velmi nízký. Účiník zvyšujeme připojeným kondenzátorem. Jiný příklad - zářivka

45 /default.aspx

46

47 Trojfázový alternátor

48 Elektrickou energii vyrábíme v trojfázových alternátorech, které se skládají ze statoru a rotoru. Statorem jsou tři cívky, jejichž osy svírají úhel 120. Rotorem je permanentní magnet anebo elektromagnet. rotor stator

49 Pohybující se rotor vytváří nestacionární magnetické pole, které indukuje v cívkách statoru tři shodná střídavá napětí (u1, u2, u3) fázově posunutá o úhel 120. Výhodné je odebírat elektrický proud z nepohyblivého statoru než přes různé kartáčky nebo uhlíky z rotoru. u u u U U U m m m sin( t) sin( t sin( t 2 ) 3 4 ) 3

50 u1 u u 2 3 U 2 U 1 U 3

51 u u Elektrickou energii vyvedeme ze statoru pomocí čtyřech vodičů. Spojením třech vývodů cívek vznikne nulový vodič. Nechá se dokázat, že jeho potenciál je nulový. u 1 U m u 2 u 3 sin( t) U m sin( t 2 ) 3 U m sin( t nulový vodič (označení N či R) 4 ) 3 0

52 u1 u u 2 3 U 2 U 1 U 3 u 1 +u 2 +u 3 =0

53 K ostatním třem vývodům pak připojíme tzv. fázové vodiče. 1. fázový vodič (R či L 1 ) 2. fázový vodič (S či L 2 ) 3. fázový vodič (T či L 3 )

54 Jestliže máme do domácnosti přivedeno střídavé trojfázové napětí, můžeme spotřebiče zapojovat dvěma způsoby, a to: do hvězdy, tj. do třech obvodů mezi nulový vodič (označen modře) a fázové vodiče (označeny hnědě anebo černě). Mezi nulovým a fázovými vodiči naměříme tzv. fázové napětí, jenž má hodnotu 230 V. do trojúhelníku, tj. do třech obvodů vždy mezi dva fázové vodiče, mezi nimiž je tzv. sdružené napětí 400 V. Mezi fázovým napětím (Uf) a sdruženým napětím (Us) platí jednoduchý vztah: U 3 s U f

55 Celá soustava nese označení 3400V / 230V /50 Hz

56 Trojfázový elektromotor

57 S trojfázovým alternátorem je konstrukčně shodný elektromotor na trojfázový proud. Stator je opět tvořen třemi cívkami, které připojené ke zdroji trojfázového napětí vytvářejí tzv. točivé magnetické pole.

58 N N N N

59 Točivé magnetické pole nám prokáže rotující magnetka.

60 Rotor (tzv. kotva) je pak cívka se speciálním klecovým vinutím,

61 v němž točivé magnetické pole indukuje velké proudy.

62 V důsledku toho si rotor vytvoří dva magnetické póly a roztočí se s frekvencí nižší než je frekvence střídavého proudu v síti. Mluvíme pak o asynchronním elektromotoru. Jeho otáčky nejsou konstantní, ale závisejí na zátěži.

63 neustále pronásleduje tento severní pól statoru. N S N N Tento jižní pól rotoru

64 Zkoumáním vlastností vícefázových elektrických proudů a experimenty s vysokým napětím se zabýval geniální americký elektroinženýr srbského původu Nikola Tesla. Mezi jeho nejdůležitější vynálezy patří transformátor nebo systémy produkující a využívající střídavý proud, zejména trojfázový elektromotor. Navrhl systém, který předjímal celosvětovou bezdrátovou komunikaci, faxové přístroje či radar. Během svého života získal patent na více než stovku vynálezů. Nikola Tesla posunul světovou vědu dopředu jako málokdo před ním i po něm.

65 Nikola Tesla

66 Transformátor

67 Transformátor je elektrotechnické zařízení, které mění velikost střídavého napětí a proudu.

68 Tzv. primární cívka má N 1 závitů, tzv. sekundární cívka N 2 závitů a obě jsou na společném jádře.

69 Připojíme-li primární cívku ke zdroji střídavého napětí (U 1 ), začne jí procházet střídavý proud (I 1 ), jenž vytvoří proměnné magnetické pole. To je jádrem dovedeno do cívky sekundární, v níž se indukuje střídavé napětí (U 2 ). Jsou li vývody sekundární cívky vodivě propojeny, začne jí procházet i střídavý proud (I 2 ).

70 Neodebíráme li ze sekundární cívky žádný proud (tzn. I 2 = 0), platí mezi napětími jednoduchý vztah: U 2 N 2 k U 1 N 1 transformační poměr

71 Jestliže jsou vývody sekundární cívky vodivě spojeny, prochází jí nenulový proud I 2. Proudy se pak transformují v opačném poměru, tzn.: I N I N k 1 2

72 Vedle výše popsaného jednofázového transformátoru existují samozřejmě i transformátory trojfázové:

73 Použití transformátorů:

74 rozvod elektrické energie

75 elektrické svařování aj.

76

77 Dle pracovního režimu: základní (pracují trvale) špičkové (pracují jen v energetických špičkách = ráno a večer)

78 Tyto elektrárny využívají tepelnou, chemicky vázanou energii uvolňovanou při spalování fosilního paliva (uhlí, ropa, zemní plyn ap.). Princip spočívá v parním kotli, kde se spaluje většinou uhlí, (plyn nebo ropa). Vysoká teplota uvede do varu vodu proudící v trubkách ve stěnách kotle. Tím vznikne pára o vysokém tlaku a teplotě (kolem 500 C). Přehřátá pára vstupuje nejdříve do vysokotlakového tělesa turbíny, pak do středotlakého tělesa a nakonec do nízkotlakého tělesa. V nich roztáčí lopatky turbíny a postupně ztrácí své teplo. Odpadní pára se v kondenzátoru zchladí a znovu se mění na vodu a prochází zpět do kotle. (Doplní se přídavná voda a celý děj se opakuje.) Výhodou je velký výkon. Nevýhodou je malá účinnost, velká spotřeba uhlí, plynu,, devastace krajiny, velké množství zplodin a problém s odpadem. (Spaliny jsou vedeny komínem do ovzduší.)

79 Vodní elektrárny využívají pohybové nebo polohové energie vody. Na vodní tok navazuje jez nebo přehrada, která usměrňuje přítok a zvyšuje spád. Voda je vedena přivaděčem přes česle, které zadržují mechanické nečistoty. Proud vody roztočí vodní turbíny a voda putuje dál odpadními kanály a vrací se zpět do svého koryta. Podle spádu: nízkotlaké (do 20m), středotlaké (od 20 do 100m) a vysokotlaké (nad 100) Dle typu se dělí na: přehradní, průtočné a přečerpávací:

80 Přehradní vodní elektrárna (Akumulační = nahromaďování) K pohonu turbíny využívají vodu z umělé nádrže vytvořené přehradou. (př. Lipno, Orlík, Kamýk, Slapy ) Průtočná vodní elektrárna Staví se v rovinných oblastech, kde se vodní tok přehradí nízkým jezem. Přečerpávací vodní elektrárna Pracuje jen ve špičce (ráno a večer). Má dvě nádrže (horní a dolní). V době přebytku el. energie (v noci) se voda pomocí čerpadla, které je poháněno motorem, přečerpává z dolní do horní nádrže. V době nedostatku (během dne) se voda z horní nádrže pustí a roztáčí turbínu. (Dlouhé stráně)

81 Pracují v podstatě stejně jako vodní elektrárny, jen místo vody otáčí lopatkami vítr, a tím vzniká mechanická energie. Ta je přenášena přes převodovku do generátoru, kde se mění na elektrickou energii. Nejčastěji se používají rotory s horizontální osou rotace: Vrtule má nejvyšší možnou dosažitelnou účinnost (45%). Počet listů vrtule bývá 1 až 4. Lopatkové kolo počet lopatek bývá 12 až 24 Rotory s vertikální osou rotace mají výhodu, že dosahují větší rychlosti: Darrieův rotor skládá se ze dvou či více křídel, které rotují kolem vertikální osy. Účinnost je až 38%. Savoniův rotor je tvořen dvěma plochami ve tvaru půlválců, které jsou vzájemně přesazeny. Vhodná místa pro větrné elektrárny jsou většinou ve vyšších nadmořských výškách, kde vítr dosahuje vyšších rychlostí Nevýhodou je poměrně vysoká hlučnost.

82 Obvykle se sluneční záření zachycuje zařízeními s parabolickým tvarem, která mají zrcadlový povrch. V ohnisku zrcadla leží potrubí, jímž protéká nemrznoucí kapalina (většinou olej - má větší schopnost udržet teplotu než voda.) Zahřátá kapalina přechází do kotelny, kde se její tepelná energie využívá na výrobu páry, která pohání turbíny elektrárny. Nejčastěji se používají fotovoltaické články, což jsou v podstatě polovodičové diody. Nejznámější jsou asi křemíkové články, které mění světelnou energii v elektřinu pomocí PN přechodu. Další možnost je sluneční pec. Skládá se většinou z mnoha rovinných zrcadel, která automaticky sledují dráhu Slunce a otáčí se za ním. Sluneční záření se odráží na nepohyblivé zrcadlo pece, kde se vyrábí pára k pohonu turbín na výrobu el. energie. Plány do budoucna jsou, že se sluneční energie, zachycená v kosmu pomocí družic, bude mikrovlnami vysílat na zem.

83 GEOTERMÁLNÍ ELEKTRÁRNY Geotermální energie se dá využít tam, kde se přirozeně nacházejí hlubinné horké prameny a gejzíry, nebo se dají uměle vytvořit. Do dutiny země se udělá hloubkový vrt, kde teplota dosahuje až několik tisíc stupňů Celsia. Do vrtu se načerpá voda, která se změní v páru a je odvedena druhým vrtem na povrch. A tam pohání turbínu. PŘÍLIVOVÉ ELEKTRÁRNY Využívají rozdílu výšky vodní hladiny mezi přílivem a odlivem. Při přílivu se nádrž naplní vodou a při odlivu vytékající voda pohání vodní turbíny. (! doba odlivu neodpovídá době, kdy je zvýšená spotřeba energie.) Další metodou jsou Příbojové elektrárny, ty využívají sílu vln, nebo tzv. OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion, kde se využívá rozdílná teplota hlubinné a povrchové vrstvy mořské vody. (Pomocí uzavřeného nebo otevřeného okruhu vody se může vyrábět el. proud.)

84 Základem je jaderný reaktor, v němž je aktivní zóna, kde dochází ke štěpení izotopů uranu a tím vzniká tepelná energie. Elektrárny mají dva okruhy, primární a sekundární. V primárním probíhá štěpná reakce uranu a teplo se odvádí do výměníku tepla. A v sekundárním okruhu se ve výměníku tepla vytvoří pára, která pohání turbínu a pak se mění opět na kapalinu a celý děj se opakuje. Jaderný reaktor Je ocelová nádoba, jejíž stěny jsou min. 20cm tlusté a váží přes 300 tun. Ve spodní části jsou kazety s jaderným palivem (uranem) a moderátor (grafit, těžká voda) a v horní části jsou řídící tyče, vyrobené z kadmia.

85 Štěpení probíhá tak, že do jádra uranu 235 narazí volný neutron, jádro se rozletí na dvě části a vyletí z něj 2 až 3 neutrony, které štěpí další atomy uranu. Moderátor, který je mezi uranem, zpomaluje neutrony (protože jen pomalejší neutrony jsou schopné štěpit další atomy). Řídící tyče mají schopnost pohlcovat neutrony, takže zasouváním a vysouváním tyčí se dá řídit rychlost reakce. Při štěpení vzniká teplo, které je odváděno vodou. Vysoký tlak zabraňuje vodě ve varu. Z reaktoru proudí ohřátá voda do tepelného výměníku v sekundárním okruhu. Tlak vody v tomto okruhu je nižší (než v primárním okruhu) a voda se tudíž může přeměnit v páru o vysokém tlaku a teplotě. Pára proudí do turbíny, kterou roztáčí a z turbíny je odváděna do kondenzátorů, kde se sráží na vodu

86 Biomasa je všechna hmota, organického původu. V energetice je to nejčastěji dřevo, sláma, zemědělské zbytky a exkrementy užitkových zvířat. Energii lze získávat z biomasy termochemickou nebo biochemickou přeměnou. Rozlišujeme biomasu "suchou" (např. dřevo) a "mokrou" (např. kejda). Procesy na přeměnu biomasy na energii jsou suché = termochemické (spalování, zplynování) a mokré = biochemické (fermentace a anaerobní vyhnívání). Suchá biomasa se zahřeje a uvolní se z ní plynné složky (tzv. dřevoplyn). Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Tyto procesy se v podstatě neliší od běžných spalovacích zařízení.