Vítězslav Stýskala TÉMA 2. Oddíl 3. Elektrické stroje

Transkript

1 Stýskala, 2002 L e k c e z e l e k t r o t e c h n i k y Vítězslav Stýskala TÉMA 2 Oddíl 3 Elektrické stroje jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická. 1

2 Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE T O Č I V É NETOČIVÉ GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) MĚNIČE Stejnosměrné cizím buzením derivační kompaudní sériové Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé cizím buzením derivační kompaudní sériové Komutátorové síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN) speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.) usměrňovače střídavé měniče napětí střídače pulzní měniče měniče kmitočtu synchronní asynchronní asynchronní synchronní Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační (využívaný ve většině běžných AC generátorů) u(t) Časový průběh indukovaného napětí S ωt Rychlost otáčení, resp. otáčky n J ~ VOLTMETR Mag. indukce B i(t) - (střídavý proud obou polarit) u(t) střídavé indukované napětí 2

3 Hlavní části generátoru Kotevní vinutí: je nejčastěji 3f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá vyrobená indukovaná elektrická energie Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče (často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole Stator: pevná část generátoru Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím Hnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory... Princip jednoduchého AC zdroje AC generátor (indukované napětí vzniklé v otáčejícím se závitu ve stálém EM poli při různých vzájemných polohách) J S J S J U = 0 J S J S U = 0 3

4 Dva konstrukční typy AC generátorů s otáčejícím se rotorem je nejpoužívanější prakticky u všech elektro energetických zdrojů synchronních generátorů; - nutnost kroužků a kartáčů pro buzení s otáčející se kotvou Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru Ve většině států světa a v celé Evropě má síťové AC napětí kmitočet f = 50 Hz, ale např. v USA a Kanadě je to 60 Hz.? Jakými otáčkami n se musí otáčet např. rotor 2-pólového ( p =1) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz? Platí: n = 60 f / p = min -1 = 50 s -1 4

5 Trojfázové elektrické zdroje napětí Alternátory = AC generátory V jeden konstrukční celek, zpravidla 3f synchronní alternátor jsou konstrukčně vkomponovány 3 jednofázové generátory (prakticky jsou to jejich vinutí, do kterých se naindukují jednotlivá fázová napětí). Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp.120 oel. ). S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a jeho hmotnost. Ze standardního trojfázového rozvodu (3f sítě) je odvozen i jednofázový rozvod (1f síť). Rozdělení alternátorů (synchronních) Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázové Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika) Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční síti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V Výkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony MW, výjimečně i MW (JE Temelín) Typu: na turboalternátory a hydroalternátory 5

6 Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně L1 L3 L2 tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru L1 L2 L3 kroužky 3f statorové vinutí Nulový vodič N (S) Kartáče + DC BUDIČ S (J) Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje Pohled na 3f synchronní hydroalternátor (vodní dílo Lipno, 2x 60 MW) 6

7 Viz: další odkaz k tématu 3f synchronní alternátory Průmyslová výroba elektrické energie Elektrárny a zdroje Uhelné Jaderné Sluneční Vodní Vodní přečerpávací Termální Větrné Kogenerační jednotky Palivové články Perspektivní zdroje 7

8 Stále rostoucí potřebu elektrické energie pro průmysl, dopravu i domácnosti mohou uspokojit jen dostatečně výkonné a spolehlivé elektrárny. Na elektrickou energii se v nich přeměňuje teplo, energie proudící vody, teplo z jaderné reakce. Využívá se i energie větru, slunečnícho záření, geotermální nebo energie mořského přílivu. V České republice patří k dostupným zdrojům pro výrobu elektrické energie především fosilní paliva (uhlí, mazut, plyn) jaderná energie voda Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou Komín Parní potrubí - parovod Turbína Alterátor ROZVODNA Skladka uhlí vn vvn Dopravník uhlí Parní kotel Kondenzor - chladič Blokový transformátor Zásobník užitkové vody Chladící voda Další odkaz k tématu:

9 Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně Reaktor Turbolternátor + blokový transformátor Parní turbína vvn vedení G Chladící voda Oběhová čerpadla Řez jadernou elektrárnou Kontejment Parní potrubí - parovod Turboalterátor Reaktorová nádoba Řídící tyče Vyvíječ páry Čerpadlo REAKTOR Turbína Chladící věž Čerpadlo Kondenzátor chladič vody 9

10 Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem Primární kontejment Budova reaktoru sekundární kontejment Reaktor Hlavní parovody Vícestupňová turbína a turboalternátor Vývod el. energie do rozvodny Řídící tyče Napájecí pumpy Kondenzátor vody Odtok Další odkaz k tématu: Sluneční elektrárna Více na odkazu: 10

11 MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES Princip solární fotovoltaické elektrárny Fotony Tok elektronů Přední propustná plocha Atomy Elektrony Zpětně odrazná plocha Střídač Více k tématu na: Elektrická rozvodná síť MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES Pohled na solární fotovoltaickou elektrárnu Další odkaz k tématu: 11

12 Vodní elektrárny Využívají potenciální* a kinetické** energie vodního toku. * Těleso o hmotnosti 1 kg má potenciální energii 1 J, je-li 0,1 m nad povrchem země. Těleso má tuto energii díky své poloze, např. zemské gravitaci. ** Těleso má kinetickou energii 1 joule, jestliže má hmotnost 2 kg a pohybuje se rychlostí 1 m/s. Kinetická energie je vždy spojena s pohybem. 12

13 Řez vodní elektrárnou QUESTIONS? Přehradní hráz Elektrická energie Vodní nádrž Přívod vody Budova elektrárny Blokový transformátor vn vvn hydroalternátor Tlakové potrubí Vodní turbína Řeka Další odkaz k tématu: Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energie Stožár vvn vedení Elektrické vedení Hydralternátor 13

14 Řez akumulační přečerpávací elektrárnou Dispečink Rozvodna Přítok Horní nádrž Výtah PRINCIP ČINNOSTI vn / vvn Dolní nádrž Odtok Hlavní vstupní tunel Vyrovnávací komora Brzda Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo) Transformovna Více k tématu na: Řez geotermální elektrárnou Turbína + alternátor Ochlazená voda zpětná Geotermální zásobník Ochlazená voda Proudy horké vody Tekuté zemské jádro 14

15 Větrné elektrárny Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí atmosféry. Větrné elektrárny využívají tohoto druhu energie k její přeměně na elektrickou energii v generátoru. Větrné elektrárny se uplatňují dobře především v oblastech se silným a pravidelným větrem. Mezi takové lokality patří především hory a přímořské kraje. Přes nesporný užitek, který výstavba větrných elektráren jakožto obnovitelných zdrojů elektrické energie přináší, nelze pominout ani estetická hlediska. 15

16 Sestava a princip činnosti větrné elektrárny s turboalternátorem 500 kw (při rychlosti větru 15 m/s) Alternátor Pohled na větrnou elektrárnu ( větrnou farmu neboli větrný park ) 16

17 Pohled na větrnou elektrárnu Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule Více k tématu na Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie) Více k tématu na odkazu: 17

18 Kogenerační jednotka (srovnání energetických bilancí) Oddělená výroba tepla a el. energie Kombinovaná výroba tepla a el. energie PALIVO 100 % ELEKTRICKÁ ENERGIE PALIVO 100 % PALIVO 59 % TEPELNÁ ENERGIE Ztráty 13% Ztráty 72% Princip palivového článku ANODA Elektrické napětí ELEKTROLYT KATODA 18

19 Perspektivní energetické zdroje TOKAMAK - TOroidnaja KAmera a MAgnetnyje Katuški) Jedná se v podstatě o obrovský transformátor, jehož sekundární cívka mající pouze jeden závit má tvar toroidní trubice. Plazma tvořené deuteriem a tritiem (izotopy vodíku) se nachází právě uvnitř této trubice, ve které je jinak vakuum. Elektrický proud procházející primárním vinutím transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu (toroidu). V plynu D+T vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na velmi vysokou teplotu (přibližně 100 milionů C). Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se stěn toroidu nedotýká. Díky magnetickému poli, které udržuje plazma v dostatečné vzdálenosti od stěn, se sníží tepelné zatížení stěn komory na technologicky zvládnutelnou hodnotu (předpokládá se teplotní zatížení stěn kolem 1000 C). Vice k tématu na Výroba, přenos a distribuce elektrické energie Výroba Přenos Distribuce Přípojky 19

20 Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdrojů v ČR Vodní Uhelné Jaderné Elektrický rozvod Elektrický rozvod slouží k přenosu elektrické energie z místa jeho výroby k místu jeho spotřeby a tvoří ho elektrické sítě s různým napětím, elektrické stanice a elektrické vedení. 20

21 Rozdělení vedení přenosové a distribuční soustavy v ČR ELEKTRÁRNA PŘENOS (přenosová soustava ČR, ČEPS, a.s.) DISTRIBUCE (regionální distribuční společnosti, např SME, a. s.) Transformace na 110kV Transformace na 22kV TR Transformace na 400kV, resp. 220kV Transformace na 22kV TR Lehký průmysl 22 kv (6kV) 22 kv TR TR TR Města a vesnice 400V/230V G Těžký průmysl 22 kv/6 kv Alternativní a místní zdroje TR Transformace na 400V/230V Vzdálené osamocené odběrná místa 22 kv Zemědělství, menší firmy 400V/230V Mapa přenosové sítě ČR OSTRAVA 400 kv 220 kv 21

22 Distribuční soustava (příklad) domácnosti Elektrické sítě zabezpečují přenos a rozvod elektrické energie z míst její výroby do míst její spotřeby. Podle významu se sítě dělí na: napájecí (tranzitní), na přenášení výkonu bez meziodběru přenosové, sloužící pro dodávku velkých výkonů na velké vzdálenosti (je tvořena zařízeními - konstrukcemi stožárů, elektrickými kabely, měřícími zařízeními apod., pro přenos elektrické energie) rozvodné (distribuční), s rozvodnými stanicemi, odbočkami a připojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojkmi, měřícími zařízeními apod., pro rozvod el. energie) místní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebo obce přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení. 22

23 Elektrické stanice Elektrické stanice jsou součástí elektrického rozvodu a rozdělují se na : transformovny spínací stanice měnírny V transformovnách se transformuje napětí na jinou velikost a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, slouží také ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé. Ze spínacích stanic se rozvádí elektrická energie při stejném napětí bez transformace. Měnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. na usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, případně naopak). Elektrické vedení je součástí přenosových a rozvodných sítí. Podle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení: vedení uvn ( není v ČR ) vedení zvn vnější kabelové vnitřní Tab. č. 1 - Dělení el. vedení podle úrovně napětí ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 kv zvlášť vysoké napětí, 300 až 800 kv vedení vvn vedení vn vedení nn vedení mn velmi vysoké napětí, 52 až 300 kv vysoké napětí, 1000 V až 52 kv nízké napětí, 50 až 1000 V malé napětí, do 50 V 23

24 Spotřeba a využití elektrické energie Diagramy spotřeby elektrické energie Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých ročních obdobích. Denní průběh spotřeby elektrické energie v České republice znázorněn na grafu č. 1. Graf č. 2 ukazuje spotřebu elektrické energie během celého roku. 24

25 Graf č. 1 Diagram denní spotřeby el. energie MAXIMUM MINIMUM Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW. Graf č. 2 Diagram roční spotřeby el. energie zima - jaro jaro - l é t o - podzim zima Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících. 25

26 Využití elektrické energie v elektrických strojích v tepelných spotřebičích + ztráty!!!!! Synchronní motory Mají řadu výhodných vlastností konstantní otáčky n = n 1 dobrou účinnost, velmi dobrý řiditelný účiník značnou momentovou přetížitelnost 26

27 Jejich základním nedostatkem - složitost rozběhu - nutnost použití budiče pro napájení budícího vinutí Rotor synchronního motoru (SM) se po připojení na střídavou napájecí síť a nabuzení nemůže sám roztočit v důsledku momentu setrvačnosti a nemůže tak skokem dosáhnout synchronních otáček n 1, jeho mechanická charakteristika nemá společný bod s osou momentu! 27

28 Mechanická charakteristika SM; spouštění n, Ω vtažení do synchronismu n = n 1 = konst. cca 0,95 n 1 klec AM 0 M l M N M m M ss budicí vinutí 3f stator Póly Pólový nádstavec Pomocné rozběhové klecové vinutí Řez 3f synchronním motorem 28

29 Řez 3f synchronním motorem Detail čela statoru a rotoru a montáž 3f SM 260 kw 29

30 3f SM se používají jako pomaluběžné motory středních a velkých výkonů pro pohonů bez rázů a s lehkým rozběhem. Nejsou vhodné tam, je nutnost častého spouštění nebo reverzace. Konstruují se převážně s vyniklými póly a používají se pro pohon velkých kompresorů, ventilátorů, cementárenských pecí a při kmitočtovém řízení i pro pohony těžních strojů, výtahů a pro některé unikátní aplikace. Jednoduchý princip silového působení statoru a rotoru synchronního motoru 30

31 Princip činnosti 3f synchronního motoru Vliv zatížení SM na zátěžný úhel Zátěžný úhel STATOR STATOR ROTOR 31

32 Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru 32

33 3f SM 760 kw s rotačním budičem 3f SM 21 MW 33

34 Lineární 3f SM 3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích 34

35 3f SM lineární - 3D 35

36 3f SM s velmi vysokým momentem 3f SM 90 kw 36

37 Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety 3f vn SM 6 MW pro pohon kompresoru 37

38 3f AM s cylindrickým rotorem pro pohon teplé válcovny hliníkových plechů 3f SM s vysokým momentem pro pohon vytlačovacího lisu 38

39 Jednofázové SM s permanentími magnety velmi malých výkonů pro aplikace v časových mechanismech, apod. Otáčky 3f synchronních motorů se řídí zpravidla změnou velikost kmitočtu 3f napájecího napětí. Reverzace otáček obdobně jako u 3f AM, avšak s uvažováním opětovného rozběhu. 39

40 Synchronní motor jako kompenzátor Přebuzený synchronní motor naprázdno se používá jako rotační kompenzátor ke kompenzaci jalového výkonu. V přebuzeném stavu dodává jalový výkon (kap.). 40