1
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
© Stýskala, 2002
Elektrické stroje
jsou zařízení,která přeměňují jeden druh energie
na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň
jedna z nich je elektrická.
2
T O Č I V É NETOČIVÉ
GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY(jedno a trojfázové)
MĚNIČE
Stej
nosm
ěrné
Stříd
avé
(Alte
rnát
ory)
Stej
nosm
ěrné
Stříd
avé
Kom
utát
orov
é
• cizím buzením• derivační• kompaudní• sériové
• cizím buzením• derivační• kompaudní• sériové
• synchronní• asynchronní
• asynchronní• synchronní
• usměrňovače• střídavé měniče
napětí• střídače• pulzní měniče• měniče kmitočtu
ELEKTRICKÉ STROJE
• síťové (výkonové)
• pecní• svařovací (rozptylové)
• měřící (MTP, MTN)
• speciální (autotransformátory,
bezpečnostní, izolační, atd.)
Rozdělení elektrických strojů
S
J
u(t)
Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační
(využívaný ve většině běžných AC generátorů)
i(t) - (střídavý proud – obou polarit)
~ VOLTMETR
Mag. indukce B
Rychlost otáčení,resp. otáčky n
Časový průběh indukovaného napětí
ωt
u(t) – střídavé indukované napětí
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 elektromagneticképole
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
J J
J J
S S
S S
U = 0
U = 0
4
Dva konstrukční typy AC generátorů
s otáčejícím se rotoremje nejpoužívanější prakticky u všech elektroenergetických zdrojů – synchronních generátorů;- nutnost kroužků a kartáčů pro buzení
s otáčející se kotvou
Ve většině států světa a v celé Evropě má síťovéAC 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 = 3 000 min-1 = 50 s-1
Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru
5
Trojfázové elektrické zdroje napětíAlternátory = AC generátory
V jeden konstrukční celek, zpravidla 3f synchronníalternátor 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.120o el.).
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 elektroenergeticenejvíce používané - trojfázovéKmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některégenerátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika)Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribučnísíti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 VVýkonu: největší synchronní generátory v ČR majívýkony 200 - 500 MW, výjimečně i 1 000 MW (JE Temelín)Typu: na turboalternátory a hydroalternátory
6
Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně
3f statorové vinutí
Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje
Kartáče
kroužkytři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru
L1 L2 L3
Nulový vodič
DC BUDIČ
+
L1
L2L3
N (S)
S (J)
Pohled na 3f synchronní hydroalternátor(vodní dílo Lipno, 2x 60 MW)
7
Viz: další odkaz k tématu
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/stroje_2.html
3f synchronní alternátory
Průmyslová výroba elektrické energieElektrárny a zdroje
UhelnéJadernéSluneční
VodníVodní přečerpávací
TermálníVětrné
Kogenerační jednotkyPalivové články
Perspektivní zdroje
8
Stále rostoucí potřebu elektrické energiepro průmysl, dopravu i domácnosti
mohou uspokojit jen dostatečněvýkonné 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 neboenergie mořského přílivu.
V České republice patří k dostupným zdrojůmpro výrobu elektrické energie především
fosilní paliva (uhlí, mazut, plyn)jaderná energievoda
Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou
Komín
Skladka uhlí
Zásobník užitkové vody
Chladící voda
Dopravník uhlí
Parní potrubí -parovod
TurbínaAlterátor
ROZVODNA
Blokový transformátor
Parní kotel Kondenzor -chladič
vn vvn
Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/tepelna/index.htm
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/02/vyroba_5.htmhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/elektrarny_2.htm
9
Reaktor Parní turbína
Turbolternátor+ blokový
transformátor
Oběhováčerpadla
vvn vedení
Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně
Chladící voda
G
Řez jadernou elektrárnou
Kontejment
Chladícívěž
Turbína
Parní potrubí - parovod
Čerpadlo
Čerpadlo
REAKTOR
Řídící tyče
Reaktorovánádoba
Turboalterátor
Kondenzátorchladič vody
Vyvíječpáry
10
Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem
Hlavní parovody
Budova reaktoru –sekundární kontejment
Vývod el. energie
do rozvodnyReaktor
KondenzátorvodyNapájecí
pumpy
Primárníkontejment
Řídící tyče
Odtok
Vícestupňová turbína a turboalternátor
Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/jaderna/index.htm
Více na odkazu:
http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
Sluneční elektrárna
11
MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICESPrincip solární fotovoltaické
elektrárny
Fotony
Střídač
Elektrická rozvodná síť
Tok elektronů
Atomy
Elektrony
Zpětně odraznáplocha
Přední propustnáplocha
Více k tématu na:http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/fotoclanky_2.html
MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICESPohled na solární
fotovoltaickou elektrárnu
Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
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.
13
QUESTIONS?Řez vodní elektrárnou
hydroalternátor
Vodníturbína
Vodnínádrž
Tlakové potrubí
Přívod vody
Budova elektrárny
Blokový transformátor
vn vvn
Řeka
Přehradníhráz
Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/vodni/index.htmhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/vodnielektr_1.html
Elektrická
energie
Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energie
Hydralternátor
Elektrické vedení
Stožár vvnvedení
14
PřítokHorní nádrž
RozvodnaDispečink
Řez akumulační přečerpávací elektrárnou
Výtah
OdtokVyrovnávací komora
Hlavní vstupní tunel
Transformovna
Brzda
Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo)
Dolní nádrž
vn / vvn
Více k tématu na:http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/energie_2.html
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/06/precerpel_1.html
PRINCIP ČINNOSTI
Tekuté zemské jádro
Proudy horké vody
Geotermální zásobník
Ochlazená vodaOchlazená
voda
zpětná
Řez geotermální elektrárnouTurbína + alternátor
15
Větrné elektrárny
Větrná energie představuje energii prouděnívzduchu 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 dobřepředevším v oblastech se silným
a pravidelným větrem.
Mezi takové lokality patří především horya přímořské kraje.
Přes nesporný užitek, který výstavbavětrných elektráren jakožto
obnovitelných zdrojů elektrické energiepřináší, nelze pominout ani estetická hlediska.
16
Alternátor
Sestava a princip činnosti větrnéelektrárny s turboalternátorem 500 kW(při rychlosti větru 15 m/s)
Pohled na větrnou elektrárnu(„ větrnou farmu “
neboli„větrný park“)
17
Pohled na větrnou elektrárnuVíce k tématu na
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/prednosti_3.htm
Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule
Více k tématu na odkazu:http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=652
Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie)
18
Kogenerační jednotka(srovnání energetických bilancí)
Oddělená výroba tepla a el. energie
Kombinovaná výroba tepla a el. energie
Ztráty 72%
Ztráty 13%
ELEK
TRIC
KÁ
ENER
GIE
TEPE
LNÁ
ENER
GIE
PALIVO 100 %
PALIVO 100 %
PALIVO 59 %
Princip palivového článku
ELEKTROLYT
KATODA
ANODA
Elektrickénapětí
19
TOKAMAK - TOroidnajaKAmera a MAgnetnyje Katuški)
Jedná se v podstatě o obrovskýtransformátor, jehož sekundární cívkamající pouze jeden závit má tvartoroidní trubice. Plazma tvořenédeuteriem a tritiem (izotopy vodíku) se nachází právě uvnitř této trubice, vekteré je jinak vakuum. Elektrický proud procházející primárním vinutímtransformátoru indukujeelektromotorické napětí v sekundárnímobvodu (toroidu). V plynu D+T vzniknevýboj, plyn se ionizuje a indukovanýproud jej zahřívá na velmi vysokouteplotu (přibližně 100 milionů °C). Magnetické pole tohoto proudu udržívzniklé plazma v ose toroidu, takže se stěn toroidu nedotýká.
Díky magnetickému poli, které udržujeplazma v dostatečné vzdálenosti odstěn, se sníží tepelné zatížení stěnkomory na technologickyzvládnutelnou hodnotu (předpokládáse teplotní zatížení stěn kolem 1000°C).
Perspektivní energetické zdroje
Vice k tématu nahttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/reaktory_9.htm
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/synteza_8.htmll
Výroba, přenos a distribuce elektrické energie
Výroba
Přenos
Distribuce
Přípojky
20
Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdrojů v ČR
Vodní
Uhelné
Jaderné
Elektrický rozvod slouží k přenosuelektrické energie z místa jeho výroby
k místu jeho spotřeby a tvoří ho
elektrické sítě s různým napětím,
elektrické stanice a
elektrické vedení.
Elektrický rozvod
21
ELEKTRÁRNA
Lehký průmyslMěsta a vesnice
Těžký průmysl
Zemědělství,menší firmy
Transformace na 400kV,
resp. 220kV
Transformace na 110kV
TR
TR TR TR
TR
TR
Transformace na 22kV
22 kV(6kV)
22 kV/6 kV
22 kV 400V/230V
400V/230VTransformace
na
400V/230V
Transformace na 22kV
22 kVVzdálené osamocené odběrná místa
Alternativní a místní zdroje
PŘENOS (přenosová soustava ČR,
ČEPS, a.s.)
DISTRIBUCE (regionální distribuční společnosti, např SME, a. s.)
Rozdělení vedení přenosové a distribučnísoustavy v ČR
G
OSTRAVA
220 kV400 kV
Mapa přenosové sítě ČR
22
Distribuční soustava(příklad)
domdomáácnosticnosti
zabezpečují přenos a rozvod elektrické energiez míst její výroby do míst její spotřeby.
Podle významu se sítě dělí na:napájecí (tranzitní), na přenášení výkonu bez meziodběrupřenosové, 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 apřipojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojkMI, měřícími zařízeními apod., pro rozvodel. energie)
místní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebo obce přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení.
Elektrické sítě
23
Elektrické staniceElektrické stanice jsou součástí elektrického rozvodu a rozdělují se na :
transformovnyspínací stanice měnírny
V transformovnách se transformuje napětí na jinou velikost a rozvádíse elektrická energie při různém napětí, slouží také ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé.
Ze spínacích stanic se rozvádí elektrická energie při stejném napětíbez transformace.
Měnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. na usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, případně naopak) .
Elektrické vedeníje součástí přenosových a rozvodných sítí.Podle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení:
vnějšíkabelovévnitřní
malé napětí, do 50 Vvedení mn
nízké napětí, 50 až 1000 V vedení nn
vysoké napětí, 1000 V až 52 kVvedení vn
velmi vysoké napětí, 52 až 300 kVvedení vvn
zvlášť vysoké napětí, 300 až 800 kVvedení zvn
ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 kVvedení uvn( není v ČR )
Tab. č. 1 - Dělení el. vedení podle úrovně napětí
24
Spotřeba a
využitíelektrické 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.
25
Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca 11 000 MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW.
MAXIMUM
Graf č. 1 – Diagram denní spotřeby el. energie
MINIMUM
zima - jaro jaro - l é t o - podzim zima
Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících.
Graf č. 2 – Diagram roční spotřeby el. energie
26
Využití elektrické energie
v elektrických strojích
v tepelných spotřebičích
+ ztráty !!!!!
Synchronní motory
Mají řadu výhodných vlastností
konstantní otáčky n = n1
dobrou účinnost,
velmi dobrý řiditelný účiník
značnou momentovou přetížitelnost
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 n1, jeho mechanická charakteristika nemá
společný bod s osou momentu !
28
n = n1= konst.
n, Ω
M0 Mm
Mechanická charakteristika SM; spouštění
klec AM
Ml
cca 0,95 ·n1
vtažení do synchronismu
MN
Pomocnérozběhovéklecové vinutí
Pólový nádstavec
3f stator
Póly
Řez 3f synchronnímmotorem
ss budicívinutí
29
Řez 3f synchronnímmotorem
Detail čela statoru a rotoru a montáž 3f SM – 260 kW
30
3f SM se používajíjako pomaluběžné motory
středních a velkých výkonů pro pohonůbez 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 pecía při kmitočtovém řízení
i pro pohony těžních strojů, výtahůa pro některé unikátní aplikace.
Jednoduchý princip silového působenístatoru a rotoru synchronního motoru
31
Princip činnosti3f synchronního motoru
STATOR STATOR
Zátěžný úhel
Vliv zatížení SM na zátěžný úhel
ROTOR
32
Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně
Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru
33
3f SM – 760 kW s rotačním budičem
3f SM – 21 MW
34
Lineární 3f SM
3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích
35
3f SM lineární - 3D
36
3f SM s velmi vysokým momentem
3f SM – 90 kW
37
Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety
3f vn SM – 6 MW pro pohon kompresoru
38
3f AM s cylindrickým rotorem pro pohonteplé válcovny hliníkových plechů
3f SM s vysokým momentem pro pohon vytlačovacího lisu
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.
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.).
