Studijní opory předmětu Elektrotechnika Doc. Ing. Vítězslav Stýskala Ph.D. Doc. Ing. Václav Kolář Ph.D. Obsah: 1. Elektrické obvody stejnosměrného proudu... 2 2. Elektrická měření... 3 3. Elektrické obvody střídavého proudu... 4 4. Trojfázové obvody... 5 5. Elektrické přístroje... 6 6. Základy polovodičové techniky... 7 7. Transformátory... 8 8. Asynchronní stroje... 9 9. Synchronní stroje... 9 10. Stejnosměrné stroje... 10 11. Bezpečnost v elektrotechnice, ochrana před úrazem elektrickým proudem... 10 Jako studijní literaturu použijte sylaby předmětu Elektrotechnika Katedry elektrotechniky uložené na webových stránkách Katedry elektrotechniky, případně dodané vaším vyučujícím. http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/bakalarske_fmmi/predn_fmmikomo.htm Jako doplňkovou literaturu je možné použít například: - Smejkal, J.: Elektrotechnika. Skripta VUT Brno, Fakulta strojní, Brno, 1991. - Šoral, J.: Elektrotechnika I. Skripta VŠB Ostrava, 1988. 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 2018 1
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 = 0,027 10-6 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
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
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
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
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
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
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
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. 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