FYZIKA II. Petr Praus 10. Přednáška Elektromagnetické kmity a střídavé proudy (pokračování)



Podobné dokumenty
Digitální učební materiál

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek. Určeno pro studenty komb. formy FBI předmětu / 06 Elektrotechnika

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Elektro-motor. Asynchronní Synchronní Ostatní DC motory. Vinutý rotor. PM rotor. Synchron C

Elektro-motor. Asynchronní Synchronní Ostatní DC motory. Vinutý rotor. PM rotor. Synchron C

1.1. Základní pojmy 1.2. Jednoduché obvody se střídavým proudem

Elektrický výkon v obvodu se střídavým proudem. Účinnost, účinník, činný a jalový proud

2 Teoretický úvod 3. 4 Schéma zapojení Měření třemi wattmetry (Aronovo zapojení) Tabulka hodnot pro měření dvěmi wattmetry...

STŘÍDAVÝ ELEKTRICKÝ PROUD Trojfázová soustava TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Fázorové diagramy pro ideální rezistor, skutečná cívka, ideální cívka, skutečný kondenzátor, ideální kondenzátor.

Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

Vznik střídavého proudu Obvod střídavého proudu Výkon Střídavý proud v energetice

Tématické okruhy teoretických zkoušek Part 66 1 Modul 3 Základy elektrotechniky

TRANSFORMÁTORY Ing. Eva Navrátilová

1 ELEKTRICKÉ STROJE - ZÁKLADNÍ POJMY. 1.1 Vytvoření točivého magnetického pole

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

Ele 1 asynchronní stroje, rozdělení, princip činnosti, trojfázový a jednofázový asynchronní motor

4.7.1 Třífázová soustava střídavého napětí

1 JEDNOFÁZOVÝ INDUKČNÍ MOTOR

Základy elektrotechniky

Střídavý proud, trojfázový proud, transformátory

STŘÍDAVÝ PROUD POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Základy elektrotechniky a výkonová elektrotechnika (ZEVE)

Elektrické stroje pro hybridní pohony. Indukční stroje asynchronní motory. Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY

Asynchronní stroje. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TUO. Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Katedra elektrotechniky.

Transformátor trojfázový

Základy elektrotechniky

Elektřina a magnetizmus závěrečný test

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_355

Stejnosměrné generátory dynama. 1. Princip činnosti

Mgr. Jan Ptáčník. Elektrodynamika. Fyzika - kvarta! Gymnázium J. V. Jirsíka

21. Výroba, rozvod a užití elektrické energie

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

Energetická bilance elektrických strojů

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, transformátory a jejich vlastnosti

NESTACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Základy elektrotechniky

Základy elektrotechniky (ZELE)

Osnova kurzu. Elektrické stroje 2. Úvodní informace; zopakování nejdůležitějších vztahů Základy teorie elektrických obvodů 3

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2)

FYZIKA II. Petr Praus 8. Přednáška stacionární magnetické pole (pokračování) a Elektromagnetická indukce

Zadané hodnoty: R L L = 0,1 H. U = 24 V f = 50 Hz

Pojetí vyučovacího předmětu

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

princip činnosti synchronních motorů (generátoru), paralelní provoz synchronních generátorů, kompenzace sítě synchronním generátorem,

20ZEKT: přednáška č. 10. Elektrické zdroje a stroje: výpočetní příklady

Základy elektrotechniky

19. Elektromagnetická indukce

2. STŘÍDAVÉ JEDNOFÁZOVÉ OBVODY

6. Střídavý proud Sinusových průběh

Ele 1 Synchronní stroje, rozdělení, význam, princip činnosti

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Výkon střídavého proudu, účiník

Stejnosměrné stroje Konstrukce

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. Fakulta elektrotechnická. České vysoké učení technické v Praze.

Studijní opory předmětu Elektrotechnika

Vítězslav Stýskala TÉMA 1. Oddíly 1-3. Sylabus tématu

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

Ele 1 základní pojmy, požadavky a parametry, transformátory - jejich význam. princip činnosti transformátoru, zvláštní transformátory

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, synchronní stroje. Pracovní list - příklad vytvořil: Ing.

Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava 8. TRANSFORMÁTORY

Rezonanční elektromotor II

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

Systémy analogových měřicích přístrojů

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL

AS jako asynchronní generátor má Výkonový ýštítek stroje ojedinělé použití, jako typický je použití ve větrných elektrárnách, apod.

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Název: Téma: Autor: Číslo: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Elektrotechnika SOUBOR PŘÍPRAV PRO 3. R. OBORU M/01 Strojírenství

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

C L ~ 5. ZDROJE A ŠÍŘENÍ HARMONICKÝCH. 5.1 Vznik neharmonického napětí. Vznik harmonického signálu Oscilátor příklad jednoduchého LC obvodu:

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Pohony šicích strojů

Název: Autor: Číslo: Listopad Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

ELEKTRICKÉ STROJE ÚVOD

1. Pracovníci poučení dle 4 Vyhlášky 50/1978 (1bod):

Transformátory. Teorie - přehled

Cvičení 11. B1B14ZEL1 / Základy elektrotechnického inženýrství

=2πf. i(t)=im.sin(ωt)

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

Synchronní stroje. Φ f. n 1. I f. tlumicí (rozběhové) vinutí

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, konstrukce a princip činnosti stejnosměrných strojů

5. POLOVODIČOVÉ MĚNIČE

Elektromagnetický oscilátor

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

Elektromagnetismus 163

LABORATORNÍ PROTOKOL Z PŘEDMĚTU SILNOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA

Účinky měničů na elektrickou síť

TROJFÁZOVÁ SOUSTAVA ZÁKLADNÍ POJMY

Doc. Ing. Stanislav Kocman, Ph.D , Ostrava

Elektromagnetické kmitání

ELEKTRICKÉ STROJE Ing. Eva Navrátilová

NESTACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Přehled veličin elektrických obvodů

Věra Keselicová. květen 2013

Transkript:

FYZIKA II Petr Praus 10. Přednáška Elektromagnetické kmity a střídavé proudy (pokračování)

Osnova přednášky činitel jakosti, vektorové diagramy v komplexní rovině Sériový RLC obvod - fázový posuv, rezonance Paralelní RLC obvod Výkon střídavého proudu, vyjádření při užívání komplexní symboliky Účiník Transformátory Třífázový proud Točivé magnetické pole Princip asynchronního motoru

Vektorové diagramy a komplexní impedance

Vektorové diagramy a komplexní impedance

Vektorové diagramy a komplexní impedance

Sériový RLC obvod fázový posuv Z pravoúhlého trojúhelníku fázorů určíme fázový posuv ϕ

Sériový RLC obvod fázový posuv

Sériový RLC obvod rezonance Rezonanční křivky:

Sériový RLC obvod činitel jakosti

Sériový RLC obvod činitel jakosti

Paralelní RLC obvod Na prvcích tohoto obvodu je stejné napětí, ale proudy v jednotlivých větvích jsou různé. Liší se nejen svou hodnotou, ale i fází: proud má stejnou fázi jako napětí, proud se za napětím opožďuje a proud ho předbíhá. Vzhledem k různým fázím proudů, není možné získat celkový proud obvodu aritmetickým součtem proudů v jednotlivých větvích. Pro efektivní hodnotu I výsledného proudu dostaneme: jedná se o efektivní proudy Celková impedance: Admitance: I u paralelního RLC obvodu je možné hovořit o rezonanci. Ta nastává opět při rezonanční frekvenci, při níž je fázový rozdíl proudu a napětí nulový a tedy impedance je maximální (u sériového obvodu je impedance minimální) resp. admitance je minimální. Rezonanční frekvence splňuje podmínku: Při rezonanci prochází obvodem minimální proud. I při paralelním spojení prvků obvodu se při rezonanci chová obvod tak, jako kdyby v něm byl zapojen pouze rezistor.

Výkon ve střídavých obvodech

Výkon ve střídavých obvodech Zavedení efektivních hodnot U a I umožňuje, abychom střední hodnoty ztrát ve střídavých obvodech (střední výkony) v ustáleném stavu vyjádřili formálně stejným vztahem jako pro stejnosměrné proudy. Pro střídavé proudy můžeme definovat efektivní hodnotu napětí a emn: Součinitel úměrnosti platí pro všechny 3 proměnné Podíl R/Z je roven kosinu fázového posunu φ

Měření efektivního napětí Přenos energie - pokud je zdroj zatížen pouze rezistorem, je účinník roven 1, přiložené efektivní emn je rovno efektivnímu U na zátěži a při efektivním proudu je dodaný výkon do zátěže: efektivní napětí a proudy se standardně v elektrotechnice popisují bez označení efektivními hodnotami. Přístroje pro měření harmonických napětí zpravidla měří efektivní hodnoty. Často nalezneme označení RMS (root mean square) a přístroje označené True RMS přístroj měří metodou střední kvadratické hodnoty a je přesnější i pro zkreslené sinusové průběhy V rozvodných soustavách je výhodné z důvodu bezpečnosti a účinnosti strojů pracovat s nízkými napětími na straně elektrárny a spotřebitele. Při přenosu energie však potřebujeme minimalizovat ztráty dané odporem v přenosovém vedení Jouleovým teplem. Potřebujeme tedy jednoduše měnit (transformovat) napětí a proud. Ztráta při přenosu energie z elektrárny pro různá napětí: K přenosu energie je potřeba použít co nejmenší proud a co nejvyšší napětí

Transformátory Spínač rozepnut

Transformátory

Transformátory

Transformátory impedanční přizpůsobení Maximální přenos výkonu do R zátěže probíhá pokud je odpor zdroje a zátěže stejný. Pro střídavý proud platí analogicky, že impedance generátoru musí být přizpůsobena zátěži, což můžeme dosáhnout zařazením tzv. impedančního transformátoru s vhodným poměrem závitů N1/N2.

Teslův transformátor Slouží k získávání vysokofrekvenčních velmi vysokých napětí. Původně měl sloužit pro dálkový přenos energie. Dnes je známý zejména díky svému využití ve formě speciálních efektů, například na koncertech.skládá se z primárního vinutí několika závitů tlustého drátu a ze sekundárního vinutí navinuté stovkami až několika tisíci závity tenkého drátu. V primárním obvodu je nutné ještě připojit kondenzátor a jiskřiště. Oba obvody je nezbytné naladit na stejný rezonanční kmitočet. Pokud se pak zařízení připojí ke zdroji vysokého napětí, začne se nabíjet kondenzátor v primárním obvodě. Naroste-li napětí na takovou úroveň, že přeskočí jiskra v jiskřišti, vybije se kondenzátor tlumenými kmity rezonanční frekvence. V sekundárním vinutí se pak indukuje velmi vysoké napětí. Kmitočet proudu dosahuje stovek khz až několika MHz. Tak velké frekvence při určitých napětích již umožňují vznik tzv. skin efektu, který způsobuje, že proud teče pouze po povrchu vodiče. Z tohoto důvodu je zařízení relativně bezpečné i na dotek. Nikola Tesla 1856-1943

Třífázový střídavý proud Soustavu střídavých napětí, z nichž každé má jiný fázový posun nazýváme mnohofázovou soustavou napětí. V praxi se používá soustavy třífázové. Generátor má tři cívky, které jsou vzájemně pootočeny o úhel 120. Magnet otáčející se úhlovou rychlostí ω vytváří v cívkách harmonicky proměnný magnetický indukční tok. V cívkách potom v důsledku elektromagnetické indukce vznikají střídavá elektrická napětí téže amplitudy, posunutá však vzájemně o 120. U = U e 1 jω t 2π 4π j ( ω t ) j ( ω t ) 3 3 2 = U e U 3 = U e U Jejich součet je identicky roven nule U + U + U 0 1 2 3 = Pro odběr proudu se cívky spojují, a to dvojím způsobem buď do hvězdy (a) nebo do trojúhelníku (b). Při spojení do hvězdy jsou začátky cívek vzájemně spojeny a jejich vývod představuje tzv. nulový vodič.

Třífázový střídavý proud Hvězda Amplituda napětí mezi body 1 a 2 tj. mezi dvěma fázemi amplituda sdruženého napětí je podle vektorového diagramu dána rozdílem fázových napětí U = U U = 2U cos 30 = 3 1,2 1 U 2 1,2 U Pro amplitudu sdruženého napětí mezi kterýmikoliv dvěma cívkami potom platí U = 3 kde indexy f a s je označení hodnoty fázové a sdružené s U f Proud procházející nulovým vodičem je podle Kirchhoffova zákona I 0 = I1 + I 2 + I I 3 1 I 2 = I 3 = I = 0 0 Trojúhelník napětí fázové je rovno napětí sdruženému U = U I = I 3 s f s f Výkon trojfázového proudu Při průchodu proudu o efektivní hodnotě I f cívku s efektivním napětím U f, dostaneme na jedné fázi výkon P = U f. I 1 f cos ϕ P = 3 P 1 = 3 U f I f cosϕ Při spojení cívek do hvězdy nebo do trojúhelníka a po zavedení sdružených hodnot napětí a proudu je výkon v obou zapojeních stejný a je roven P = 3. U s. I s cosϕ

Točivé magnetické pole Připojíme tři stejné cívky otočené vůči sobě o 180 a spojené do hvězdy ke zdroji třífázového proudu. V jednotlivých cívkách se průchodem střídavého proudu vytvářejí harmonická magnetická pole o magnetických indukcích stejných amplitud, posunutých o 120 B = 2 1 B sinω t B2 = B sin ( ω t π ) 3 4 B3 = B sin ( ω t π ) 3 Středem systému položíme souřadný systém X Y a vypočteme složky výsledné magnetické indukce B x a B y : 3 3 π 3 Bx = B1 x + B2 x + B3 x = ( B2 B3 ) = B 2sin cosω t = B cosω t 2 2 3 2 1 1 π 3 By = B1 y + B2 y + B3 y = B1 ( B2 + B3 ) = Bsinω t + B2 cos sinω t = Bsinω t 2 2 3 2 Obě složky indukce magnetického pole B x a B y představují dva harmonické kmity na sebe kolmé a posunuté ve fázi o π / 2. Jejich složením dostaneme pohyb po kružnici s poloměrem rovným výsledné amplitudě B 2 2 y B0 = Bx + By = 3/ 2. B a s kruhovou frekvencí plynoucí ze vztahu tg ϕ = = tg ω t B Mezi cívkami vzniká tedy magnetické pole, jehož vektor magnetické indukce má velikost B 0 a otáčí se kolem středu s úhlovou rychlostí ω - vzniká točivé magnetické pole.ˇnachází široké využití v elektrických točivých strojích x

Princip třífázového motoru Umístíme-li do středu mezi cívky napájené třífázovým proudem o kruhové frekvenci ω permanentní magnet, bude se po udělení dostatečného počátečního rotačního impulsu otáčet společně s točivým magnetickým polem úhlovou rychlostí ω. Toto uspořádání představuje princip synchronního třífázového motoru. Rotor může být tvořen i cívkou protékanou stejnoměrným proudem. Asynchronní motor můžeme v principu realizovat závitem spojeným nakrátko umístěným mezi cívky namísto permanentního magnetu. Kotva může být tvořena např. i dutým válcem nebo cívkou spojenou nakrátko. Točivé magnetické pole vyvolává v ploše kotvy proměnný magnetický tok, jehož změna způsobuje vznik indukovaného proudu v kotvě. Ten se podle Lenzova pravidla snaží změně indukčního toku zabránit, svými silovými účinky působí proti otáčení magnetického pole a podle principu akce a reakce se kotva začne sama otáčet. Je zřejmé, že kotva se nemůže otáčet se stejnou úhlovou rychlostí ω jako točivé magnetické pole. Neměnil by se totiž indukční magnetický tok v kotvě, nevznikal by indukovaný proud a nepůsobily by tak síly, které vedou k otáčení kotvy. Kotva se tady otáčí s menší úhlovou rychlostí ω. Rozdíl obou úhlových rychlostí ω - ω = ω s je veličinou, určující velikost otáčivého momentu, který kotva předává (tzv. skluz). Při zvětšení zátěže kotvy klesá její úhlová rychlost ω, tím stoupá hodnota rozdílu ω s. V důsledku toho dochází ke zvýšení změny indukčního magnetického toku a tedy i ke zvýšení intenzity indukovaných proudů, zvýšení výkonu stroje a tím k opětnému vzrůstu úhlové rychlosti kotvy. Asynchronní motor si tak sám reguluje výkon podle svého zatížení.