Studijní opory předmětu Elektrotechnika

Transkript

1 Studijní opory předmětu Elektrotechnika Doc. Ing. Vítězslav Stýskala Ph.D. Doc. Ing. Václav Kolář Ph.D. Obsah: 1. Elektrické obvody stejnosměrného proudu Elektrická měření Elektrické obvody střídavého proudu Trojfázové obvody Elektrické přístroje Základy polovodičové techniky Transformátory Asynchronní stroje Synchronní stroje Stejnosměrné stroje Bezpečnost v elektrotechnice, ochrana před úrazem elektrickým proudem Jako studijní literaturu použijte sylaby předmětu Elektrotechnika Katedry elektrotechniky uložené na webových stránkách Katedry elektrotechniky, případně dodané vaším vyučujícím. Jako doplňkovou literaturu je možné použít například: - Smejkal, J.: Elektrotechnika. Skripta VUT Brno, Fakulta strojní, Brno, Šoral, J.: Elektrotechnika I. Skripta VŠB Ostrava, Tato skripta jsou k dispozici v knihovně VŠB-TU Ostrava. Doc. Ing. Vítězslav Stýskala Ph.D. Doc. Ing. Václav Kolář Ph.D. Katedra elektrotechniky VŠB-TU Ostrava

2 1. Elektrické obvody stejnosměrného proudu Prostudujte si sylabus Elektrické obvody stejnosměrného proudu Předpokládaná doba studia cca 2 hodiny. - Vysvětlete pojmy uzel, větev a smyčka v elektrickém obvodě, znázorněte na náčrtku. - Vysvětlete co je aktivní a pasivní prvek v elektrickém obvodě. Vyjmenujte základní aktivní a pasivní prvky. - Jaký je rozdíl mezi ideálními a reálnými prvky v elektrickém obvodě. - Napište vztah pro Ohmův zákon a I. a II. Kirchhoffův zákon. - Uveďte vztahy pro výslednou hodnotu sériového a paralelního řazení prvků RLC. - Uveďte alespoň tři metody řešení lineárních obvodů. - Uveďte příklady lineárních a nelineárních elektrických prvků. - Vyřešte následující příklady: Příklad 1.1: V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. I I2 R2 I5 R5 Zadáno: UZ = 30 V R1 = 30 R2 = 40 R3 = 40 R4 = 60 R5 = 90 R6 = 30 Určit: UZ celkový odpor RC, I, I1, I2, I3, I4, I5, U3, P6 (výkon na rezistoru R6) I1 R1 I3 I4 R3 R4 U3 R6 Schéma 1. RC=20Ω, I =1,5A, I1=1A, I2=0,5A, I3=0,25A, I4=0,167A, I5=0,083, U3=10V, P6=0,2083W. I 2 Příklad 1.2: Ze stejnosměrného zdroje jsou dvouvodičovým vedením zadané délky a průřezu z hliníku napájeny tři spotřebiče, jejichž odpor známe. Vypočítejte napětí na spotřebičích, proud tekoucí ze zdroje a proudy jednotlivými spotřebiči, přitom uvažujte úbytky napětí na vedení.. I Zadáno: UZ = 220 V I 1 RZ1 = 200 l1 = 180 m U Z U 1 R Z1 U 2 R Z2 RZ2 = 100 l2 = 65 m RZ3 = 140 l3 = 140 m l 1 l 2 S = 1 mm 2 Al = 0, m l 3 I 3 U 3 R Z3 Určit: U1, U2, U3, I, I1, I2, I3 U1=182,03V, U2=175,8V, U3=172,8V, I=3,903A, I1=0,91A, I2=1,758A, I3=1,234A 2

3 2. Elektrická měření Prostudujte si sylabus Elektrická měření Předpokládaná doba studia cca 1,5 hodiny. - Jak dělíme elektrická měření podle účelu? - Jaké znáte druhy elektrických měřicích přístrojů podle měřené veličiny? - Jakými způsoby (metodami) můžeme měřit odpor a impedanci? - Jakými způsoby (metodami) můžeme měřit výkon? - Nakreslete zapojení pro měření napětí v elektrickém obvodě na rezistoru R1, jestliže obvod sestává ze stejnosměrného zdroje a rezistorů R1 a R2 řazených do série. - Nakreslete zapojení pro měření proudu v elektrickém obvodě, jestliže obvod sestává ze stejnosměrného zdroje a rezistorů R1 a R2 řazených do série. - Jaká je maximální chyba měření napětí voltmetrem, který má rozsah 120V a třídu přesnosti 0,5, přičemž měřené napětí je 36V? 3

4 3. Elektrické obvody střídavého proudu Prostudujte si sylabus Elektrické obvody střídavého proudu Předpokládaná doba studia cca 2 hodiny. - Načrtněte průběh střídavého harmonického napětí. Ukažte na něm periodu a amplitudu. - Vysvětlete pojmy střední hodnota a efektivní hodnota elektrického proudu nebo napětí. - Napište vztah mezi amplitudou a střední hodnotou harmonického elektrického napětí. - Napište vztah mezi amplitudou a efektivní hodnotou harmonického elektrického napětí. - Co je reaktance cívky a kondenzátoru? Napište vztah pro jejich výpočet. - Co je impedance v elektrickém obvodě? Napište vztah pro výpočet impedance sériového a paralelního obvodu sestávajícího z prvků R, L, C. - Jaké známe druhy výkonů ve střídavých elektrických obvodech? Jak se vypočítají?+ - Vyřešte následující příklady: Příklad 3.1: V obvodě sestávajícím ze sériové kombinace rezistoru, reálné cívky a kondenzátoru vypočítejte požadované veličiny, určete také charakter obvodu a nakreslete fázorový diagram proudů a napětí naznačených ve schématu. Parametry reálné cívky vyjádříme pomocí indukčnosti a odporu. I Určete: I, UR, UL, UC, P, Q, S. I=0,3495A, UR=5,24V, UL=11,25V, UC=33,71V, P=2,68W, Q=-7,95war, S=8,39VA Příklad 3.2. Skutečné schéma U R U L U C Zadané hodnoty: R = 15 RL = 7 L = 0,1 H C = 33 F U = 24 V f = 50 Hz Máme skutečnou cívku, jejíž náhradní schéma si můžeme představit jako sériovou kombinaci odporu a indukčnosti. K cívce byl nejprve připojen stejnosměrný zdroj s napětím UAV a v obvodě byl naměřen proud IAV, pak střídavý zdroj s napětím U a byl naměřen proud I, viz obrázek. Určete parametry náhradního schématu cívky. U R ~ I L (L, R L ) U ~ A C U av I I av A Náhradní schéma U R U L U C R L C L R R L U ~ skutečná cívka Zadáno: U = 12 V; I = 7,3 A; Uav = 220 V; Iav = 5,2 A; fi = 50 Hz Určete: R, L R=9,23Ω, L=0,131H 4

5 4. Trojfázové obvody Prostudujte si sylabus Trojfázové obvody Předpokládaná doba studia cca 1,5 hodiny. - Jaké jsou výhody trojfázového střídavého proudu oproti jednofázovému? - Načrtněte schéma trojfázového spotřebiče tvořeného třemi rezistory zapojeného do hvězdy. Vyznačte v něm fázová napětí, sdružená napětí a fázový proud. - Načrtněte schéma trojfázového spotřebiče tvořeného třemi rezistory zapojeného do trojúhelníka. Vyznačte v něm fázová napětí (z pohledu spotřebiče) neboli sdružená z pohledu sítě a fázový a sdružený proud. - Napište vztah mezi fázovým a sdruženým napětím a proudem. - Napište vztah pro výpočet činného, jalového a zdánlivého výkonu v trojfázové souměrné soustavě. - Vyřešte následující příklady: Příklad 4.1. Na trojfázovou síť s fázovým napětím 220 V je připojen nesouměrný odporový spotřebič zapojený do hvězdy podle následujícího schématu. Vypočítejte: proudy ve fázových vodičích I1, I2, I3 proud ve středním vodiči IN celkový trojfázový výkon P I1 = 10A, I2 = 10A, I3 = 20A, IN = 10A, P = 8800W L1 N L2 L3 U f U f U f I 1 I N I 2 I 3 R 2=22 R 1=22 R 3=11 Příklad 4.2. Trojfázový spotřebič zapojený do trojúhelníka má jmenovité parametry Usn = 400V, Pn = 1200W. Vypočítejte jmenovitý fázový a sdružený proud v zapojení do trojúhelníka, Ifn=?, Isn=? Spotřebič byl přepojen do hvězdy, napětí v síti zůstalo nezměněné. Jaký bude jeho výkon a fázový proud ve hvězdě, PY=?, IYf =? Ifn=1A, Isn=1,732A, PY=400W, IYf =0,577A 5

6 5. Elektrické přístroje Prostudujte si sylabus Elektrické přístroje Předpokládaná doba studia cca 2 hodiny. - Jaké je rozdělení elektrických přístrojů? - K čemu slouží pojistka, nakreslete její schématickou značku a vysvětlete princip činnosti. - K čemu slouží jistič, nakreslete jeho schématickou značku a vysvětlete princip činnosti. - K čemu slouží proudový chránič, nakreslete jeho schématickou značku a vysvětlete princip činnosti. - K čemu slouží stykač, nakreslete jeho schématickou značku a vysvětlete princip činnosti. - Nakreslete a vysvětlete vypínací charakteristiku pojistky a jističe. 6

7 6. Základy polovodičové techniky Prostudujte si sylabus Základy polovodičové techniky Předpokládaná doba studia cca 2 hodiny. - Vysvětlete k čemu slouží usměrňovací dioda a nakreslete její schématickou značku. - Nakreslete voltampérovou charakteristiku usměrňovací diody. - Vysvětlete k čemu slouží tyristor a nakreslete jeho schématickou značku. - Vysvětlete k čemu slouží bipolární tranzistor a nakreslete jeho schématickou značku. - Nakreslete schéma jednofázového jednopulzního usměrňovače. - Nakreslete schéma jednofázového dvoupulzního usměrňovače. - Napište vztahy pro výstupní napětí jednofázového jednopulzního a dvoupulzního usměrňovače bez filtračního kondenzátoru. - Jaký polovodičový prvek tvoří základ řízeného usměrňovače? - K čemu slouží měnič kmitočtu? - Vyřešte následující příklady: Příklad 6.1. Elektromagnet s odporem R a indukčností L je napájen z dvoupulzního jednofázového diodového usměrňovače. Úbytky napětí zanedbejte. Zadané hodnoty: U = 230 V, R = 40 L = 0,6 H. Určete střední hodnotu proudu elektromagnetem Id. Ud = 207,5V Id = 5,18A U Schéma: ~ Ud Id R L náhradní schéma elektromagnetu Příklad 6.2. Neřízený šestipulzní můstkový usměrňovač napájený z trojfázové sítě s fázovým napětím U1 napájí elektromagnet, který má činný odpor R. Vypočítejte střední hodnotu proudu elektromagnetem Id. Zadané hodnoty: U1 = 230 V, R = 300 Ud = 538V Id = 1,79A 7

8 7. Transformátory Prostudujte si sylabus Transformátory Předpokládaná doba studia cca 1,5 hodiny. - Nakreslete schématickou značku jednofázového transformátoru a vysvětlete k čemu slouží. - Vysvětlete princip činnosti jednofázového transformátoru. - Napište vztah pro převod transformátoru. - Jaké jsou konstrukční části transformátoru? - K čemu slouží autotransformátor, jaký je rozdíl oproti klasickému transformátoru? - K čemu slouží měřicí transformátory proudu a napětí? - Vyřešte následující příklad: Příklad 7.1. Jednofázový transformátor o výkonu 600 VA, jmenovité primární napětí U1n = 230 V, jmenovité sekundární napětí U2n = 50 V. Počet závitů primárního vinutí N1=420 závitů. Vypočítejte převod transformátoru k, počet závitů sekundárního N2. Vypočítejte proud při jmenovitém zatížení I1n a I2n, přitom ztráty zanedbejte. k = 4,6, N2 = 91 závitů, I1n = 2,61A, I2n = 12A. 8

9 8. Asynchronní stroje Prostudujte si sylabus Střídavé stroje Předpokládaná doba studia cca 2 hodiny. - Z jakých částí se skládá asynchronní motor? - Vysvětlete princip činnosti asynchronního motoru. - Jaké jsou druhy asynchronních strojů (podle počtu fází, podle druhu rotorového vinutí)? - V jakých režimech může pracovat asynchronní stroj kromě motorického? - Na čem závisí otáčky asynchronního motoru? Napište vztah pro otáčky. - Nakreslete momentovou (mechanickou) charakteristiku asynchronního motoru, včetně popisu os. - Jak lze řídit otáčky asynchronního motoru? - Jak lze rozbíhat asynchronní motor? - Vyřešte následující příklad: Příklad 8.1. Trojfázový asynchronní motor s kotvou nakrátko má tyto údaje: jmenovitý výkon Pn=1,5kW jmenovité napájecí napětí Un = 400 / 230 V jmenovité otáčky nn = 1350 min -1 účinnost motoru η = 78 % jmenovitý účiník cos(φ) = 0,75 jmenovitý kmitočet f = 50 Hz Určete příkon motoru, jmenovitý proud, počet pólových dvojic motoru. P1 = 1923W, In = 3,7A, p = 2 9. Synchronní stroje Prostudujte si sylabus Střídavé stroje Předpokládaná doba studia cca 1 hodina. - Z jakých částí se skládá synchronní stroj? - Jaké využití mají synchronní stroje? - Vysvětlete princip synchronního generátoru. - Vysvětlete princip synchronního motoru. - Napište vztah pro synchronní otáčky. - Jaké jsou možnosti řízení otáček synchronního motoru? - Jaké jsou možnosti rozběhu synchronního motoru. 9

10 10. Stejnosměrné stroje Prostudujte si sylabus Stejnosměrné stroje Předpokládaná doba studia cca 1,5 hodiny. - Z jakých částí se skládá stejnosměrný stroj? - Jaké využití mají stejnosměrné stroje? - Vysvětlete princip činnosti stejnosměrného motoru. - Vysvětlete princip stejnosměrného generátoru (dynama). - Jaké jsou druhy stejnosměrných motorů podle zapojení rotoru a statoru? - Nakreslete momentovou (mechanickou) charakteristiku cize buzeného stejnosměrného motoru. - Nakreslete momentovou (mechanickou) charakteristiku sériově buzeného stejnosměrného motoru. - Jakými způsoby lze řídit rychlost stejnosměrného motoru? 11. Bezpečnost v elektrotechnice, ochrana před úrazem elektrickým proudem Prostudujte si sylabus Bezpečný provoz elektrických zařízení Předpokládaná doba studia cca 1,5 hodiny. - Vysvětlete jaký je rozdíl mezi sítí IT, TN, TN-C a TN-S. - Která z výše uvedených sítí se u nás nejčastěji používá? - Jak se značí stupeň krytí elektrického zařízení? - Jaký je rozdíl mezi živou a neživou částí elektrického zařízení? - Jaké známe třídy ochran elektrických zařízení. - Vysvětlete jak funguje ochrana automatickým odpojením od zdroje u spotřebiče třídy I, když dojde k poškození izolace mezi živou a neživou částí. A to pro případ, že je ochranným prvkem pojistka (jistič) a nebo je-li ochranným prvkem proudový chránič. - Do jakých kvalifikačních stupňů se dělí pracovníci v elektrotechnice podle vyhlášky 50/78? - Na čem závisí závažnost úrazu, dojde-li k zasažení osoby elektrickým proudem? 10