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.
T O Č I V É NETOČIVÉ
GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY(jedno a trojfázové)
MĚNIČE
Ste
jnos
měrn
é
Stř
ídav
é(A
ltern
átor
y)
Ste
jnos
měrn
é
Stř
ídav
é
Kom
utát
orov
é
• cizím buzením• deriva ční• kompaudní• sériové
• cizím buzením• deriva ční• kompaudní• sériové
• synchronní• asynchronní
• asynchronní• synchronní
• usměrňovače
• střídavé měničenapětí
• střídače
• pulzní m ěniče
• měniče kmito čtu
ELEKTRICKÉ STROJE
• síťové (výkonové)
• pecní
• svařovací (rozptylové)
• měřící (MTP, MTN)
• speciální (autotransformátory,
bezpečnostní, izolační, atd.)
Rozdělení elektrických stroj ů
T O Č I V É
GENERÁTORY M O T O R Y
Ste
jnos
měrn
é
Stř
ídav
é(A
ltern
átor
y)
Ste
jnos
měrn
é
Stř
ídav
é
Kom
utát
orov
é
• cizím buzením• deriva ční• kompaudní• sériové
• cizím buzením• deriva ční• kompaudní• sériové
• synchronní• asynchronní
• asynchronní
• synchronní
ELEKTRICKÉ STROJE
SYNCHRONNÍ STROJE
SSSS
JJJJ
u(t)
Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rota ční
(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 nap ětí
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 rotačnízdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole
Stator : pevná část generátoru
Rotor : rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje
Kroužky a kartá če: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím
Amortizér (tlumi č): Spec. klecové vinutí nakrátko,zamezující tzv. kývání
--------------------------------------------------------------------------------------------------
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
Dva konstruk ční typy AC generátor ů
s otáčejícím se rotoremje nejpoužívanější prakticky u všech elektroenergetických zdrojů – synchronních generátor ů (AC SG)
- 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 (pp = 1) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz ?
Platí:
n = 60·f / pp = 3 000 min-1 = 50 s-1
Vztah mezi kmito čtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru
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 - trojfázové
Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některégenerátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika)
Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční sítinn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V
Výkonu: největší synchronní generátory v ČR majívýkony 200 - 500 MW, výjimečně i 1 000 MW (JE Temelín)
Typu: na turboalternátory a hydroalternátory
Princip 3f synchronního turboalternátoru názorn ě
3f statorové vinutí
Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje
Kartáče
kroužkytři fázové vodi če vedoucí k blokovému transformátoru
L1 L2 L3
Nulový vodi č
DC BUDIČ
+
L1
L2L3
N (S)
S (J)
Indukované nap ětíBudeme-li uvažovat jako nejjednodušší AC SG otáčející se (hnanou hnacím strojem) cívku v homogenním EM poli, je okamžitá hodnota indukovaného napětí v jednom závitu cívky vyjádřena
ui = dΦ/dt = Um . cos ωt
Časový průběh ui je harmonický.
Jedna perioda je rovna jedné otáčce cívky => jedná se o dvojpólový SG .
Pohled na 3f synchronní hydroalternátor(vodní dílo Lipno, 2x 60 MW)
Viz: další odkaz k tématu
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/stroje_2.html
3f synchronní alternátory
Průmyslová výroba elektrické energie
Elektrárny a zdroje Uhelné Jaderné Sluneční Vodní
Vodní přečerpávací Termální Větrné
Kogenerační jednotky Palivové články
Perspektivní zdroje
Stále rostoucí potřebu elektrické energiepro průmysl, dopravu i domácnosti
mohou uspokojit jen dostatečně
výkonné a spolehlivé elektrárny .
Na elektrickou energii se v nich p řeměňuje teplo f. p., energie proudící vody, teplo z jaderné reakce. Využívá se
i energie v ětru, slune čnícho zá ření, geotermální neboenergie mo řského p řílivu.
V České republice patří k dostupným zdrojůmpro výrobu elektrické energie především
fosilní paliva … uhlí, mazut, plyn (f. p.) jaderná energie voda
Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou
Komín
Skladka uhlí
Zásobník užitkové vody
Chladící voda
Dopravník uhlí
Parní potrubí -parovod
TurbínaAlterátor
ROZVODNA
Blokový transformátor
Parní kotel Kondenzor -chladi č
vn vvn
Další odkaz k té matu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/tepelna/index.htm
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/02/vyroba_5.htmlhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/elektrarny_2.html
Reaktor Parní turbína
Turbolternátor+ blokový
transformátor
Oběhováčerpadla
vvn vedení
Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárn ě
Chladící voda
G
Řez jadernou elektrárnou
Kontejment
Chladícívěž
Turbína
Parní potrubí - parovod
Čerpadlo
Čerpadlo
REAKTOR
Řídící ty če
Reaktorovánádoba
Turboalterátor
Kondenzátorchladi č vody
Vyvíječpáry
Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem
Hlavní parovody
Budova reaktoru –sekundární kontejment
Vývod el. energie
do rozvodnyReaktor
KondenzátorvodyNapájecí
pumpy
Primárníkontejment
Řídící ty če
Odtok
Vícestup ňová turbína a turboalternátor
Další odkaz k tématu :http://www.energyweb.cz/web/schemata/jaderna/index.htm
> str.26
Více na odkazu :
http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
Slune ční elektrárna
MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICESPrincip solární fotovoltaické
elektrárny
Fotony
Střídač
Elektrická rozvodná sí ť
Tok elektron ů
Atomy
Elektrony
Zpětně odraznáplocha
Přední propustnáplocha
Více k tématu na:http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/fotoclanky_2.html
MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES
Pohled na solární fotovoltaickouelektrárnu
Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
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.
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 p řeměny energie
Hydralternátor
Elektrické vedení
Stožár vvnvedení
PřítokHorní nádrž
RozvodnaDispečink
Řez akumula ční 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
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 uplat ňují dob řepředevším v oblastech se silným
a pravidelným v ětrem .
Mezi takové lokality patří především horya přímořské kraje.
Přes nesporný užitek, který výstavbavětrných elektráren jakožto
obnovitelných zdroj ů elektrické energiepřináší, nelze pominout ani estetická hlediska.
Alternátor
Sestava a princip činnosti v ětrnéelektrárny s turboalternátorem 500 kW(při rychlosti v ětru 15 m/s)
Pohled na větrnou elektrárnu(„ v ětrnou farmu “
neboli„v ětrný park“ )
Pohled na v ětrnou elektrárnuVíce k té matu na:
http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/prednosti_3.html
Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule
Více k tématu na odkazu:http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=652
Kogenera ční jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie)
Kogenera ční jednotka(srovnání energetických bilancí)
Oddělená výroba tepla
a el. energie
Kombinovaná výroba tepla
a el. energie
Ztráty 72%
Ztráty 13%
ELE
KTR
ICK
Á
EN
ER
GIE
TEP
ELN
Á
EN
ER
GIE
PALIVO PALIVO PALIVO PALIVO
100 %100 %100 %100 %PALIVO PALIVO PALIVO PALIVO
100 %100 %100 %100 %
PALIVO PALIVO PALIVO PALIVO
59 %59 %59 %59 %
Princip palivového článku
ELEKTROLYT
KATODA
ANODA
Elektrické
napětí
TOKAMAK - TOroidnajaKAmera a MAgnetnyje Katuški
Jedná se v podstat ě o obrovskýtransformátor, jehož sekundární cívkamající pouze jeden závit má tvartoroidní trubice. Plazma tvo řenédeuteriem a tritiem (izotopy vodíku) se nachází práv ě uvnit ř této trubice, vekteré je jinak vakuum. Elektrický proud procházející primárním vinutímtransformátoru indukujeelektromotorické nap ětí v sekundárnímobvodu (toroidu). V plynu D+T vzniknevýboj, plyn se ionizuje a indukovanýproud jej zah řívá na velmi vysokouteplotu (p řibližn ě 100 milion ů °C). Magnetické pole tohoto proudu udržívzniklé plazma v ose toroidu, takže se stěn toroidu nedotýká.
Díky magnetickému poli, které udržujeplazma v dostate čné vzdálenosti odstěn, se sníží tepelné zatížení st ěnkomory na technologickyzvládnutelnou hodnotu (p ředpokládá se teplotní zatížení st ěn kolem 1000°C).
Perspektivní energetické zdroje
Vice k tématu nahttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/reaktory_9.htmhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/synteza_8.htmll
Výroba, p řenos a distribuce elektrické energie
Výroba
Přenos
Distribuce
Přípojky
Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdroj ů v ČR
Vodní
Uhelné
Jaderné
Elektrický rozvod slouží k přenosu
elektrické energie z místa jeho výroby
k místu jeho spotřeby a tvoří ho
elektrické sít ě s různým napětím,
elektrické stanice a
elektrické vedení .
Elektrický rozvod
ELEKTRÁRNA
Lehký pr ůmyslMěsta a vesnice
Těžký pr ůmysl
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
PPPPŘŘŘŘENOS ENOS ENOS ENOS (p řenosová soustava ČR,
ČEPS, a.s.)
DISTRIBUCE DISTRIBUCE DISTRIBUCE DISTRIBUCE (regionální distribu ční spole čnosti, nap ř SME, a. s.)
Rozdělení vedení p řenosové a distribu čnísoustavy v ČR
G
OSTRAVAOSTRAVAOSTRAVAOSTRAVA
220 220 220 220 kV400 400 400 400 kV
Mapa přenosové sít ě ČR
Distribuční soustava(příklad)
domdomáácnosticnosti
zabezpečují p řenos a rozvod elektrické energiez míst její výroby do míst její spot řeby.
Podle významu se sít ě dělí na:
napájecí (tranzitní), na přenášení výkonu bez meziodb ěru 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 apřipojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojkMI, měřícími zařízeními apod., pro rozvod
el. energie)
místní sít ě vysokého nebo nízkého nap ětí na území města nebo obce
přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení.
Elektrické sít ě
Elektrické staniceElektrické stanice jsou sou částí elektrického rozvodu a rozd ělují se na : transformovny spínací 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 sou částí přenosových a rozvodných sítí .Podle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení:
vnější kabelové vnit řní
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
Spot řeba a
využitíelektrické energie
Diagramy spot řeby elektrické energie
Spot řeba elektrické energie se mění v pr ůběhu jednoho dne i celého týdne, odb ěry energie se liší i v r ůzných
ročních obdobích.
Denní pr ůběh spot řeby elektrické energie v Českérepublice znázorn ěn na grafu č. 1.
Graf č. 2 ukazuje spot řebu elektrické energie b ěhem celého roku.
Z grafu je vid ět, že nejv ětší spot řeba (cca 11 000 MW) byla v dob ě 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
Využití elektrické energie
v elektrických strojích
v tepelných spot řebičích
+ ztráty !!!!!
Synchronní motoryKONSTRUKČNĚ JSOU TÉMĚŘ SHODNÉ S SG
Mají řadu výhodných vlastností
- konstantní otá čky n = n1
- dobrou ú činnost (vyšší než AM)
- velmi dobrý řiditelný ú činík, nezatěžují
síť jalovým odběrem energie, mohou
jalový výkon do sítě i dodávat
- značnou momentovou p řetížitelnost
- výkon i moment závísí jen na první mocnin ě
napájecího nap ětí, tzn. motor není citlivý na
běžné poklesy napětí
Jejich základním nedostatkemje ale
- složitost rozb ěhu
- nutnost použití budi če pro napájení budícího vinutí
- nemožnost rychlé reverzace
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
spole čný bod s osou momentu !
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
Spoušt ění – rozb ěh 3f SM
SM nemá tzv. záběrný moment známý u jiných el. motor ů, využívaný k rozb ěhu !!Rozběh se tedy realizuje zpravidla:
- pomocí rozběhového motoru (AM, nebo jiného)
- pomocí měniče kmitočtu zvyšováním kmitočtu
- u SM velmi malých výkonů s masivnímipólovými nástavci je rozběh realizován nazákladě momentu daném vířivými proudy v železe
Řez 3f synchronnímmotorem
Detail čela statoru a rotoru a montáž 3f SM – 260 kW
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
Princip činnosti3f synchronního motoru
STATOR STATOR
Zátěžný úhel
Vliv zatížení SM na zátěžný úhel
ROTOR
Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně
Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru
3f SM – 760 kW s rotačním budičem
3f SM – 21 MW
Lineární 3f SM
3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích
3f SM lineární - 3D
3f SM s velmi vysokým momentem
3f SM – 90 kW
Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety
3f vn SM – 6 MW pro pohon kompresoru
3f AM s cylindrickým rotorem pro pohonteplé válcovny hliníkových plechů
3f SM s vysokým momentem pro pohon vytlačovacího lisu
Jednofázové SM s permanentími magnety velmi malých výkonů pro aplikace v časových mechanismech, apod.
Otáčky 3f synchronních motorů
se řídí v současnosti změnou
velikost kmitočtu 3f napájecího napětí.
Reverzace otáček obdobně jako
u 3f AM, avšak s uvažováním
opětovného rozběhu (složitost, doba).
Synchronní motor jako kompenzátor
Přebuzený synchronní motor naprázdno se používá
i jako rotační kompenzátor ke kompenzaci jalového
výkonu.
V přebuzeném stavu dodává jalový výkon kapacitního
charakteru pro kompenzaci účiníku v síti.
