Střídavý prod v životě (energetika) Přeměna energie se sktečňje v elektrárnách. Zde pracjí výkonné generátory střídavého napětí alternátory. V energetice se vyžívá střídavé napětí o frekvenci 50 Hz, které se rozvádí do míst spotřeby pomocí elektrické rozvodné sítě. Elektrická energie se získává postpy, které sočasně nepříznivě ovlivňjí životní prostředí. Např. při spalování hlí se dostávají do ovzdší škodlivé chemické látky, výstavba velkých vodních elektráren zasahje do přirozeného prostředí krajiny, případno havárií reaktor jaderné elektrárny se moho dostat do ovzdší nebezpečné radioaktivní látky apod. Generování střídavého prod V elektrárnách je zdrojem střídavého prod trojfázový alternátor. Alternátor požívaný v elektrárnách je z praktických důvodů praven tak, že otáčivý pohyb koná elektromagnet (je to jednodší), který je tvořen rotorem (otáčí se). Střídavé napětí se indikje v sostavě cívek ve stator (nehýbe se). Stator alternátor tvoří tři cívky, jejichž osy svírají navzájem úhly 0. prostřed mezi cívkami se otáčí magnet a v cívkách se indikjí střídavá napětí. Indkovaná napětí mají stejno amplitd a jso navzájem posnta o 3 periody. m Platí pro ně rovnice: = sinω t, m π = sin ωt, 3 m 4π 3 = m sin ωt. 3 Grafické znázornění: f fázové napětí s sdržené napětí
Díky této konstrkci alternátor máme možnost odvádět prod z alternátor pevnými svorkami. Odběr prod je v tomto případě technologicky jednodšší a vznikají menší ztráty, než kdyby se prod odebíral z rotor. Alternátory a trboaleternátory Trojfázové alternátory požívané v energie jso konstrovány na velký výkon, a proto jso charakterické i mohtno konstrkcí. Stator těchto alternátorů je tvořen pláštěm, který je pevně přišrobován k nosné plošině generátor, poněvadž msí odolávat velkém moment síly. Jádro stator je složeno z tenkých izolovaných plechů a jeho drážkách je loženo vintí cívek. Konce cívek jso vyvedeny na svorkovnici alternátor. Rotor alternátor je vlastně silný elektromagnet, ložený na ocelové ose ve střed alternátor. Na obvod rotor jso vyfrézovány drážky, do nichž je vloženo bdicí vintí. Tímto vintím prochází prod z generátor stejnosměrného napětí (dynama), který je místěn na společné ose a nazývá se bdič. Rotory alternátorů jso obvykle konstrovány na frekvenci 3 000 otáček za mint. Tom odpovídá frekvence střídavého napětí 50 Hz. V elektrárnách je alternátor obvykle spojen s hřídelí hnací trbíny. Celé sostrojí se pak označje názvem trboalternátor. Trojfázová sostava střídavého napětí v České repblice Tři fázově posntá napětí z alternátor bychom mohli rozvádět šesti vodiči. V energetice se však vyžívá rozvodná síť, v níž jso vodiče navzájem vhodným způsobem propojeny a k rozvod elektrické energie postačje menší počet vodičů. Nejčastější je trojfázová sostava střídavých napětí založená na poznatk, že sočet okamžitých hodnot střídavých napětí indkovaných v cívkách alternátor je stále nlový: + + 3= Můžeme totiž spojit jeden konec každé z cívek stator do společného bod zl (na obr. O). Ke drhém konci cívek jso připojeny fázové vodiče ( L, L, L3 ) a s zlem je spojen nlovací vodič (N). Rozvod v domácnosti Fázové napětí V běžné síťové zásvce je tedy fázové napětí, takže jedna její zdířka je spojena s nlovacím a drhá s fázovým vodičem (další dvě fáze připojeny nejso) a vykkjící kolík je kostra. V elektrickém rozvod spotřebitelské sítě (tzn. sítě k níž připojjeme spotřebiče např. v domácnosti) je fázové napětí 30V. Sdržené napětí Sdržené napětí 30 3 V = 400 V je mezi dvěmi fázemi a je zhrba,7x větší než napětí fázové. 0.
Bezpečnost a zkošečka Požíváme označení spotřebitelské sítě 3x400 V/30 V. O tom se můžeme přesvědčit zkošečko (testerem), kterým lze fázový a nlový vodič indikovat. Dále většina kvalitních zkošeček mí rčit též velikost jednotlivých napětí. Dotyk fázového vodiče rko nebo vodivým předmětem je však život nebezpečný! Proč se změnilo napětí Dříve se ve spotřebitelské síti požívalo trojfázového napětí 3x380V/0 V. V sovislosti s postpno integrací České repbliky do Evropské nie se mění i normy elektrických napětí. Zvýšené napětí však fnkci a provoz dříve vyrobených spotřebičů podstatně neovlivní. Napětí se zvýšilo i z důvod úspor v el. rozvodech (sníží se ztrátovost). Připojení velký motorů Řada spotřebičů o větším elektrickém výkon (např. elektromotory) se připojje sočasně ke všem fázovým vodičům. Jejich elektrický obvod (např. vintí elektromotor) má tři stejné části zapojené bď spojení do hvězdy, nebo podle do trojúhelník. Spojení do hvězdy Při spojení do hvězdy jso jednotlivé části spotřebiče připojeny k napětí fázovém (30V). Vodiče jso připojeny fázově ( L L, ) a s zlem je spojen nlovací vodič (N). Mezi, L3 fázovými vodiči a nlovacím vodičem jso fázová napětí,, 3. Spojení do trojúhelník Při spojení do trojúhelník jso připojeny k vyšším napětí sdrženém (400V). Proto je výkon spotřebiče při tomto spojení větší. Napětí, 3, 3 mezi libovolnými fázovými vodiči označjeme jako sdržené napětí. Jeho efektivní hodnota je hodnota napětí fázového (např. = 3). 3 krát větší než efektivní Elektromotor na trojfázový prod Synchronní motor Elektromotory jso založeny na pohyb vodičů s prodem v magnetickém poli, které vytváří prod ve vintí stator. Princip elektromotor vidíme na obrázk, kde máme tři cívky, jejich vintí jso spojena do hvězdy. Cívky jso připojeny k trojfázovém napětí. Prod procházející cívkami vytváří v prostor mezi nimi magnetické pole. O tom se přesvědčíme tím, že do střed místíme magnetk, která se začne otáčet. Frekvence otáčení je rovna frekvenci střídavého prod. Magnetka se otáčí synchronně s magnetickým polem. Příčino otáčení magnetky je 3
působení magnetického pole, jehož vektor magnetické indkce periodicky mění směr, tím vznikne točivé magnetické pole. Vznik točivého magnetického pole Popis vznik točivého pole: Asynchronní motor Části trojfázového elektromotor:. Stator má obdobno konstrkci jako stator alternátor.. Rotor neboli kotva je válec zhotovený z ocelových plechů s dražkami v nich je loženo vintí. Požíváme tzv. klecové vintí, které je vytvořeno tak, že se do drážek nalije roztavený hliník. Jeho zthntím vznikne vodivá klec ze silných hliníkových tyčí, které jso v čelech rotor vodivě spojeny hliníkovými prstenci. Vintí kotvy má zanedbatelný odpor a motor ozn. jako motor s kotvo nakrátko. Vzhledem k malém odpor kotvy indkje točivé magnetické pole ve vintí velké prody. To má za následek vznik magnetické síly, která vede rotor do otáčivého pohyb. Kotva se však neroztočí s frekvencí točivého pole. Kdyby tom tak bylo nedocházelo by ke změnám magnetického indkčního tok vintím, zanikl by indkovaný prod a tím i příčina otáčení. Kotva trojfázového elektromotor vždy s menší frekvencí než je 50 Hz, či-li asynchronně. Veličina charakterizjící chod asynchronního elektromotor se nazývá sklz s. Je definován f p f r takto: s =, kde f p f r - frekvence otáčení rotor, f p - frekvence otáčení točivého pole Sklz se vádí v procentech. Pokd kotva při otáčení nepřekonává žádný odpor, tzn. když jde zařízení motorem poháněné naprázdno, je sklz nepatrný a vintím kotvy prochází jen malý prod. Při zatížení motor sklz roste, ve vintí se indkje větší prod a otáčení rotor je drženo větší magneticko silo. V praxi bývá sklz při plném zatížení elektromotor % - 5%. Díky těmto vlastnostem se v praxi požívají častěji a to díky tom, že mají jednodcho konstrkci, snadno se obslhjí, mají dloho životnost a neznečisťjí pracovní prostředí. platňjí se tam, kde není třeba měnit frekvenci otáčení. 4
Transformátor Zařízení možňjící zvyšování nebo snižování napětí v rozvodné síti elektrické napětí. Jeho fyzikální princip je založen na elektromagnetické indkci. Transformátory jso konstrovány jako jednofázové a trojfázové. Jednofázový transformátor tvoří dvě cívky (primární a sekndární) na společném ocelovém jádře z měkké oceli (z plechů). Primární cívka C je připojena ke zdroji střídavého napětí a prochází jí střídavý prod I. Ten vytváří v jádře transformátor proměnné magnetické pole a v libovolném závit primární nebo sekndární cívky se indkje napětí Φ i =. t Závity cívek jso navzájem spojeny za sebo, takže napětí na jednotlivých závitech se sčítají. Celkové napětí na primární cívce s N závity bde Φ = N t a na sekndární cívce s N závity bde napětí = N Φ t. Má cívka primární zanedbatelný odpor, má indkované napětí stejno velikost jako připojený zdroj, má však opačno fázi. Pro poměr efektivních hodnot indkovaných napětí je = N N = k. Veličina k = N / N se nazývá transformační poměr transformátor. Jestliže N > N, je k> a jde o transformaci nahor; při N < N je k < a nastává transformace dolů. Rovnici transformátor jsme odvodili za zjednodšených podmínek. Nevažovali jsme ztráty, které vznikají přeměno elektrické energie na vnitřní energii vintí a jádra transformátor. Transformátor pracoval bez zatížení, naprázdno; sekndárním vintím neprocházel žádný prod ( I = 0). Jestliže odebíráme ze sekndárního vintí prod, zvětšje se také prod I procházející primárním vintím. Třebaže jso odpory cívek malé, vznikají ve vintí ztráty, a proto bývá sekndární napětí zatíženého transformátor o % až 0 % menší než odpovídá transformačním poměr. V transformátor vznikají ztráty zahříváním vodičů cívek, vířivými prody a periodickým magnetováním jádra. Poněvadž tyto ztráty nelze úplně potlačit, bývá účinnost malých transformátorů 90 % až 95 % a velkých transformátorů až 98 %. 5
Výkon transformátor V solad se zákonem zachování energie msí být příkon P transformátor při zanedbatelných ztrátách roven jeho výkon P v sekndární části (za předpoklad, že je transformátor plně zatížen a zátěž má jen rezistenci). Platí tedy pro činné výkony nebo P = P ϕ = I cos I cos ϕ ϕ. Za vedených podmínek jso hodnoty ϕ a malé (cos ϕ,cos ϕ ) a platí I =. I To znamená, že prody se transformjí v obráceném poměr počt závitů. Při vyšším sekndárním napětí můžeme z transformátor odebírat menší prod a naopak. Vyžití Jednofázové transformátory se požívají tam, kde potřebjeme měnit hodnot prod nebo napětí, např. v rozhlasových přijímačích a televizorech, v měřících přístrojích apod. Trojfázový prod K transformaci trojfázového prod v energetice se požívají trojfázové transformátory. Jejich konstrkce je obdobná jako transformátorů jednofázových. Jádro trojfázového transformátor má tři magnetické větve. Každá fáze má vlastní primární a sekndární vintí. Cívky primárního, popř. sekndárního vintí jso navzájem spojeny do hvězdy nebo do trojúhelník. Transformátory pro velké výkony se při práci značně zahřívají, a proto se msí chladit. Větší transformátory bývají ponořeny ve speciální nádobě s olejem, který odvádí teplo a chladí se přes stěny nádoby vzdchem. Příklad: rči ztráty, které by vznikly při přenos MW na elektrickém vedení z Temelína do Prahy a) kdyby byl prod přenášen normálním napětím 30 V b) kdyby byl prod přenášen velmi vysokým napětím 400 000 V. 6