01. Zaměření: Hlubinné dobývání ložisek. Jan Kubica, Jiří Wojnar

ELEKTROTECHNIKA Obor:

GEOTECHNIKA

Kód oboru: 21 – 42 – M/01 Zaměření: Hlubinné dobývání ložisek Autoři:

Jan Kubica, Jiří Wojnar

Učební text pouze pro SPŠ Karviná obor geotechnika

1

Korekturu textu provedla Mgr. Lada Vojtková. 2

Ing. Jan Kubica PaedDr. Jiří Wojnar

Elektrotechnika

Karviná 2013

3

© Jan Kubica, Jiří Wojnar, 2013 4

Obsah 1. kapitola – Výroba a rozvod elektrické energie

11

1.1

Elektrotechnické značky

11

1.2

Elektrizační soustava

17

1.3

Zatížení elektrické soustavy

18

1.4

Elektrárny

20

1.4.1

Tepelná elektrárna

20

1.4.2

Jaderná elektrárna

20

1.4.3.

Vodní elektrárna

21

1.4.4

Přečerpávací elektrárny

23

1.4.5

Obnovitelné zdroje energie

23

1.5

Rozvodná soustava

24

1.5.1

Přenosová soustava

25

1.5.2

Rozvodná síť

25

1.5.3

Transformátor

26

1.5.4

Rozvod elektrické energie v důlních podmínkách

28

1.5.4.1

Dělení prostorů plynujících dolů podle nebezpečí výbuchu metanu

30

1.5.4.2

Dělení prostorů plynujících dolů podle nebezpečí výbuchu uhelného prachu

30

1.5.4.3

Požadavky na instalace důlních zařízení v důlních provozech

30

1.5.4.4

Nevýbušná elektrická zařízení

32

2. kapitola – Místní rozvod elektrické energie

34

2.1

Domovní přípojka

34

2.2

Bytový rozvaděč

35

2.3

Ochrana uvedením na stejný potenciál

36

2.4

Nadproudové ochrany

36

2.4.1

Rychlost reakce nadproudové ochrany

36

2.4.2

Dělení nadproudových ochran

37

2.4.2.1

Tavné pojistky

37

2.4.2.1.1 Pojistky pro bytové a jim podobné instalace

38

2.4.2.1.2 Válcové pojistky

39

2.4.2.1.3 Nožové pojistky

39 5

2.4.2.1.4 Ostatní pojistky

40

2.4.2.2

Jističe

40

2.5

Přepěťové ochrany

42

2.6

Uzemnění

44

2.7

Nízkonapěťové rozvody

45

2.8

Světelný okruh

47

2.9

Zásuvkové okruhy

48

2.10

Důlní kabelové rozvody 6 kV

50

3. kapitola – Místní rozvod elektrické energie

52

3.1

Vedení elektrického proudu v kovech

52

3.2

Elektrický obvod

53

3.3

Zdroje napětí a proudu

54

3.3.1

Galvanické články

55

3.3.1.1

Alkalické RAM články

60

3.3.2

Zdroje střídavého napětí a proudu

62

3.4

Elektrický vodič

65

3.4.1

Odpor vodiče a elektrická vodivost

66

3.4.2

Ohmův zákon

67

3.4.3

Teplotní délková roztažnost vodičů

70

3.4.4

Rozdělení vodičů podle izolace

70

3.5

Elektrické spotřebiče

73

3.6

Řízení elektrického obvodu

75

3.7

Elektrické veličiny obvodu a jejich výpočet

77

3.7.1

Barevný kód rezistorů

77

3.7.2

Sériové a paralelní zapojení rezistorů

79

3.7.3

Práce a výkon stejnosměrného proudu

80

3.7.4

Zapojování rezistorů zjednodušeně

82

3.7.5

Spojování zdrojů napětí

86

3.7.6

Propojování roznětných náloží

94

4. kapitola – Elektrické světlo a teplo 4.1

91

Elektrické tepelné spotřebiče

91 6

4.2

Vedení elektrického proudu v plynech

93

4.2.1

Fotometrické veličiny

95

4.2.2

Uplatnění plynů a výbojů v plynech u svítidel

96

4.2.3

Osvětlení důlních pracovišť

98

4.2.3.1

Termíny a definice pro svítidla

98

4.2.3.2

Technické požadavky na osvětlovací zařízení

99

5. kapitola – Elektrické stroje

103

5.1

Druhy elektrických strojů

103

5.2

Elektrické motory

103

5.2.1

Stejnosměrné motory

103

5.2.2

Střídavé motory

104

5.2.3

Trojfázový asynchronní elektromotor s kotvou nakrátko

105

5.2.4

Elektromotory používané v hornictví

108

5.2.5

Výkon střídavého proudu

109

5.2.6

Kompenzace účiníku

113

6. kapitola – Elektrické pohony

117

6.1

Základní provozní pojmy elektrických pohonů

117

6.1.1

Rozdělení elektropohonů

118

6.1.2

Návrh pohonu

118

6.1.2.1

Volba typu motoru

118

6.1.2.2

Dimenzování pohonu

118

6.1.2.3

Návrh struktury regulačních pohonů

119

6.1.2.4

Řízení a regulace pohonu

122

6.2

Elektrická frakce

123

6.3

Elektrické důlní lokomotivy

124

6.4

Výpočet elektrického pohonu

125

6.5

Připojování elektrických strojů

127

6.5.1

Průmyslové zásuvky

127

6.5.2

Přípojná místa výkonových zařízení

127

6.5.3

Ovládací přístroje strojů

128

6.5.3.1

Ruční ovládání

128

6.5.3.2

Dálkové ovládání

128 7

6.5.4

Jistící prvky strojů

129

6.5.5

Přívody elektrické energie

129

7. kapitola – Ovládání pohonů

131

7.1

Základní prvky ovládání pohonů

131

7.2

Vypínací prvky v ovládání pohonů

132

7.3

Automatizované systémy v ovládání elektrických pohonů

134

8. kapitola – Bezpečnost práce na elektrických zařízeních

137

8.1

Zásady bezpečné práce na elektrických zařízeních

137

8.1.1

Účinky elektrického proudu na lidský organismus

137

8.1.2

Odpor (impedance) lidského těla

138

8.1.3

Dovolená dotyková napětí

139

8.1.4

Základní pravidlo ochrany před úrazem elektrickým proudem

140

8.1.5

Třídy ochrany elektrických a elektronických zařízení

141

8.1.6

Ochrany elektrických zařízení v důlních provozech

142

8.2

Úraz elektrickým proudem

142

8.2.1

Rozdělení úrazů elektrickou energií podle příčiny

142

8.2.2

Postup záchranných prací

143

8.2.3

Postup při poskytování první pomoci

144

8.3

Požáry elektrických zařízení

146

9. kapitola – Základy měření v elektrotechnice

149

9.1

Měřicí přístroje

149

9.2

Měření proudu a napětí na ručkovém přístroji

151

9.3

Chyby měření

154

9.3.1

Chyby digitálních měřicích přístrojů

155

9.4

Zvětšování rozsahu měřicích přístrojů

157

Závěr

160

Literatura

161

Rejstřík

162

8

Elektrotechnika Předmluva Setkáváte se s učebnicí pro dvouleté pomaturitní studium zakončené maturitní zkouškou. Učebnice je vytvořena pro předmět elektrotechnika a obor geotechnika se zaměřením na hlubinné dobývání ložisek. Kód oboru je 21-42-M/01. V této učebnici jsou shrnuty požadavky na středoškolskou znalost matematiky, fyziky a elektrotechniky v rámci SI soustavy, normy ČSN EN 80000-6 pro elektřinu a magnetismus a dovednost hledat v elektrotechnických tabulkách. V této učebnici je devět kapitol, ve kterých jsou popsány výroba a rozvod elektrické energie, domovní rozvod elektrické energie, elektrický obvod a jeho prvky, elektrické teplo a světlo, elektrické stroje, elektrické pohony, ovládání pohonu, bezpečnost práce na elektrických zařízeních a základy měření v elektrotechnice v návaznosti na práci v dole. Učebnice slouží současně jako cvičebnice, protože obsahuje mnoho otázek ve cvičeních na procvičení látky a obrázky, které pomáhají pochopit učivo. Tuto učebnici lze použít pouze jako učební text pro použití na SPŠ v Karviné.

9

Poděkování Děkujeme OKD Karviná a SPŠ v Karviné za možnost publikace učebnice elektrotechniky pro obor Geotechnika 21-42-M/01 se zaměřením na hlubinné dobývání ložisek. Ing. Jan Kubica, PaedDr. Jiří Wojnar

10

1. Kapitola Výroba a rozvod elektrické energie 1.1

Elektrotechnické značky

Kreslení elektrotechnických značek se v současnosti řídí normou IEC 60617 – DB, která nahrazuje ČSN EN 60617 1-13 Značky, které potřebujete znát při čtení elektrotechnických schémat:

Stejnosměrný proud Napětí může být vyznačeno napravo od značky a typ soustavy nalevo. PŘÍKLAD: 2/M 230/110 V

Střídavý proud Číselná hodnota kmitočtu nebo rozsah kmitočtu mohou být uvedeny napravo od značky.  50 Hz Střídavý proud 50 Hz 3/N  400/230 V 50 Hz Střídavý proud: tři fáze se středním vodičem, 400 V (230 V mezi fází a středním vodičem) 50 Hz,(viz také IEC 1293).

Usměrněný proud se střídavou složkou (jestliže je nezbytné rozlišit od usměrněného a filtrovaného proudu). N Střední vodič, střídavý proud (neutrální vodič) Tato značka pro střední vodič je uvedena v IEC 445. M Střední vodič, stejnosměrný proud Tato značka pro střední vodič je uvedena v IEC 445.

Šíření jednosměrné, tok jednosměrný, např. energie, signálu, informace, proudu.

11

Současné šíření oběma směry. Současné vysílání a příjem. Vodič

Tři vodiče

Doplňková informace může být uvedena jako: - druh proudu - rozvodná soustava - kmitočet - napětí - počet vodičů - průřez každého vodiče - chemická značka materiálu vodiče.

2×120 mm2 Al Za počtem vodičů následuje průřez oddělený značkou x. Používají-li se různé průřezy, oddělují se značkou +. PŘÍKLAD: Obvod se stejnosměrným proudem, 110 V, dva hliníkové vodiče o průřezu 120 mm 2

Stíněný vodič

Zásuvkový kontakt Zásuvka

Kolíkový kontakt

Zásuvka a vidlice, vícepólová

Uzel, vodivé spojení vodičů

Značka představuje jednočárové znázornění šesti zásuvkových a šesti vidlicových kontaktů 12

Nastavitelný rezistor (Potenciometr)

Reostat

Potenciometr s pohyblivým kontaktem, nastavitelný

Kondenzátor polarizovaný, například elektrolytický

Kondenzátor

Indukční cívka s magnetickým jádrem

Induktor Cívka Vinutí Tlumivka

Polovodičová dioda, všeobecná značka

Dioda luminiscenční, všeobecná značka

Kapacitní dioda

Fotodioda Fotovodivá součástka s nesymetrickou vodivostí

Primární článek a sekundární článek, delší čára je + pól, kratší je - pól 13

Vypínací kontakt

Zapínací kontakt se samočinným návratem

Vypínací kontakt se samočinným návratem

Tavná pojistka, všeobecná značka

Zapínací kontakt, značka spínače

Anténa

14

Voltmetr

Ampérmetr

Jednofázový střídavý sériový motor

Osciloskop

Žárovka

Zvonek

Trojfázový indukční motor s klecovou kotvou Motor s kotvou nakrátko

Jednofázový transformátor

Usměrňovač v můstkovém provedení

Usměrňovač v můstkovém zapojení

Invertor, střídač, převodník (měnič) SS proudu na střídavý

Parabolická anténa znázorněná s napájením obdélníkovým vlnovodem

15

Signální generátor, obecná značka Volný generátor, obecná značka

Zesilovač, obecná značka Opakovač, obecná značka Trojúhelník ukazuje směr přenosu

Watthodinový elektroměr

Optické vlákno nebo kabel s optickými vlákny

Uzemnění, všeobecná značka Může být udána doplňková informace, definující kategorii nebo účel uzemnění, pokud není zřejmý.

Ochranné uzemnění Tato značka může být použita místo značky k označení uzemnění se specifickou ochrannou funkcí, například ochrana před úrazem elektrickým proudem v případě poruchy.

Kostra, /jiný možný tvar/ Šikmé čáry mohou být částečně nebo úplně vynechány, pokud nemůže dojít k nejasnostem. Pokud jsou vynechány, čára vyjadřující kostru musí být silnější, jak je zobrazeno vedle.

16

1.2

Elektrizační soustava

Elektrizační soustava je vzájemně propojený soubor zařízení pro výrobu, přenos, transformaci a rozvod elektřiny, včetně elektrických přípojek a přímých vedení. Patří zde i systémy měřicí, ochranné, řídicí, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Elektrizační soustavu dále dělíme na přenosovou a rozvodnou soustavu. Základní prvky, z nichž se elektrizační soustava skládá, jsou: - elektrická vedení - elektrické stanice Napětí sítě Jedná se o úrovně napětí používané pro klasifikaci elektrických sítí a při konstrukci elektrických přístrojů, strojů a zařízení. Napěťové stupně se definují napětím mezi vodiči (ve více fázových soustavách sdruženým napětím). V České republice se využívají následující napěťové stupně: -

malé napětí do 50 V včetně nízké napětí nad 50 V do 1 000 V vysoké napětí nad 1 000 V do 52 kV velmi vysoké napětí od 52 kV do 300 kV zvlášť vysoké napětí od 300 kV do 800 kV ultra vysoké napětí nad 800 kV

- zkratka mn - zkratka nn - zkratka vn - zkrátka vvn - zkratka zvn - zkratka uvn

Zkratky pro označování druhu napětí se píší i velkými písmeny. V našich domácnostech je nízké napětí 230 V a 400 V. Nízké napětí 230 V (jednofázové) je mezi středním (nulovým – N) vodičem a libovolným fázovým (L1, L2, L3) vodičem. Napětí 400 V (třífázové – sdružené) je napětí mezi libovolnými dvěma fázemi. Přenosová soustava (PS) -

uzlová síť zvn, vvn (ČR: 400, 220 a 110 kV) „páteřní“, rozvedení výkonu z velkých elektráren po celém území ČR součást mezinárodního propojení napájí distribuční soustavu (DS)

Rozvodná soustava (RS) -

okružní a paprskovitá síť vvn, vn, nn (ČR: 110, 35, 22, 10, 6, 3 a 0,4 kV) Rozvod elektřiny ke konečným spotřebitelům Regionální a lokální rozvodné soustavy.

17

Obr. 1.1 Přívody elektrické energie Dolu Darkov závod 2 o napětí 110 kV

1.3

Zatížení elektrické soustavy

Obr. 2.1 Denní odběrový diagram rozvodných závodů Elektrickou energii lze uchovávat jen v malém množství, proto musí být vyráběna souběžně s tím, jak je spotřebovávána. Spotřeba elektrické energie je plánována a na dobu menší sezónní spotřeby jsou plánovány odstávky a opravy elektráren. Základem plánování jsou denní zatěžovací diagramy (obr. 2) pro jednotlivá roční období. Základní zátěž je kryta 18

jadernými elektrárnami (v ČR Dukovany a Temelín) a dobře odsířenými uhelnými elektrárnami s ekonomicky řízeným provozem, které málo zatěžují životní prostředí. Pro vykrytí spotřeby při střední zátěži a ve špičkách jsou využívány starší tepelné, vodní nebo přečerpávací elektrárny. Přečerpávací vodní elektrárny bývají budovány souběžně s jadernými elektrárnami. Elektrárny kryjící základní odběr (spotřebu) mají nepřetržitý provoz. V nočních hodinách jsou přebytky elektrického výkonu využívány například k přečerpávání vody v přečerpávací elektrárně z dolní nádrže do zásobní horní nádrže ( Dlouhé stráně v Jeseníkách s horní nádrží na hoře Mravenečník). V tomto režimu pracuje generátor jako motor a pohání vodní čerpadlo. Tab. 1. Druhy elektráren s výkony a účinností (k 31.5.2012) Elektrárny parní (PE) paroplynové (PPE) plynové a spalovací (PSE) vodní (VE) přečerpávací vodní (PVE) jaderné (JE) větrné fotovoltaické (FVE) celkem

P MW 10 624 591 551 1 056 1 146 4 040 225 1 973 20 206

 % 52,6 2,9 2,7 5,2 5,7 20,0 1,1 9,8 100,0

PE: ČU, HU, biomasa, ostatní plynná a pevná paliva PPE, PSE: ZP, bioplyn, biomasa PE, JE, PPE, PSE: tepelné oběhy, účinnost 30 – 45 %

Obr. 3.1 Přehled elektráren v ČR Tepelné elektrárny – červeně; jaderné elektrárny žlutě; vodní elektrárny modře. Začátkem roku 2013 bylo v provozu 13 000 fotovoltaických elektráren o různém výkonu.

19

1.4

Elektrárny

1.4.1 Tepelná elektrárna

Obr. 4.1 Schéma tepelné elektrárny Spalováním fosilního paliva, obvykle hnědého energetického uhlí, se uvolňuje teplo, kterým se v parním kotli zahřívá voda, vzniká pára o vysoké teplotě a tlaku. Pára proudí na lopatky parní turbíny, ve které se část energie páry přemění na kinetickou energii turbíny. Na společné ose s turbínou je umístěn generátor elektrického proudu, tomuto soustrojí se říká turbogenerátor nebo turboalternátor. Pára se po průchodu turbínou odvádí do kondenzátoru, kde ji chladí voda. Čerpadlo vhání zkapalněnou páru zpět do parního kotle a celý proces se opakuje. U každé tepelné elektrárny stojí chladicí věže, ve kterých se proudem vzduchu ochlazuje chladicí voda, která v kondenzátoru ochlazuje páru a tím se sama zahřívá. Kromě popsané elektrárny vyrábějící pouze elektrickou energii (tzv. kondenzační elektrárna) jsou dnes běžně v provozu i teplárny, ve kterých probíhá kombinovaná výroba elektřiny a tepla. K výrobě elektřiny se nevyužívá veškerá dostupná energie páry, ale část energie se využívá k dálkovému vytápění bytů a průmyslových objektů. Spojení tepelné elektrárny s teplárnou se nazývá kogenerační jednotka. Energie přehřáté páry může být využita jen částečně jako u každého tepelného motoru. Je-li vstupní teplota páry 530 ºC  800 K a výstupní teplota 130 ºC  400 K, pak může být teoreticky dosažitelná účinnost [(800 – 400)/800] · 100 = 50 %. Turbogenerátory dosahují prakticky účinnosti 45 %, neboť při přeměně mechanické energie turbíny na elektrickou energii je dosahováno účinnosti větší než 90 %. (50  90) 100  45%

1.4.2 Jaderná tepelná elektrárna Liší se od klasické tepelné elektrárny v podstatě jen zdrojem tepla potřebného ke vzniku páry. Tím zdrojem je jaderný reaktor, ve kterém se teplo získává štěpením jader uranu 238, který je obohacen uranem s nukleonovým číslem 235, pomalými neutrony. Štěpení uranu může nastat pouze pomalými neutrony, které uváznou v jádře atomu. Vznikají dva středně těžké prvky a tři nové neutrony, které dále štěpí další jádra uranu. V jaderném reaktoru jsou důležité řídicí 20

tyče s velkým obsahem kadmia, které jsou schopny zcela pohltit neutrony a tím štěpnou reakci zastavit, a moderátor (grafit nebo těžká voda), který zpomaluje neutrony. Kvůli ochraně před radioaktivním zářením má tepelný systém jaderné elektrárny dva okruhy. Voda v primárním okruhu proudí aktivní zónou reaktoru, odebírá teplo vzniklé štěpením uranu pomalými neutrony a v parogenerátoru (tepelném výměníku) se tímto teplem zahřívá voda sekundárního okruhu. Vzniklá pára pohání turbínu stejně jako v klasické tepelné elektrárně.

Obr. 5.1 Schéma jaderné tepelné elektrárny

1.4.3 Vodní elektrárna – hydroelektrárna

Obr. 6.1 Schéma vodní elektrárny U nás jsou v provozu tři druhy vodních elektráren: průtočné, akumulační a přečerpávací. V zahraničí fungují i přílivové elektrárny na pobřeží moří a oceánů.V hydroelektrárnách roztáčí voda lopatky vodních turbín (Francisova, Kaplanova, Peltonova), které pohánějí generátor elektrického proudu. Vodní turbíny se dělí podle vodního spádu na nízkotlaké (rozdíl hladin je do 25 m), středotlaké (spád je 25 až 100 m) a vysokotlaké (spád je přes 100m). Nejpoúživanější nízkotlakou turbínou je Kaplanova (obr. 7). Pro střední a vysoké 21

tlaky se používá Francisova turbína a pro spády nad 400 m se používají akční turbíny s volným paprskem nebo Peltonova turbína. Účinnost vodních elektráren je až 85 %.

Obr. 7.1 Průtoková vodní elektrárna s Kaplanovou tubínou

Peltonova

Francisova

Kaplanova

Obr. 8.1 Turbíny Průtočné elektrárny jsou budovány na říčních tocích nebo kanálech. Voda je přiváděna jezem (nebo náhonem) přímo k elektrárně. Při malém spádu se používá Kaplanova turbína. Může být instalována se svislou osou (při dostatečném spádu), nebo jako čelní turbína (obr. 7). Akumulační elektrárny využívají vody shromážděné v nádrži údolní přehrady za delší období dešťů nebo tání sněhu. Podle objemu (vzhledem k přítoku) se rozlišuji přehrady (zásobníky vody) na denní, týdenní, měsíční nebo roční.

22

1.4.4 Přečerpávací elektrárny

Obr. 9.1 Schéma přečerpávací elektrárny V naší republice jsou tři přečerpávací vodní elektrárny: Štěchovice II; Dlouhé stráně v Jeseníkách a Malešice u Dukovan. Vodní dílo Dalešice z let 1970-1978 je součástí vodních děl zajišťujících provoz Jaderné elektrárny Dukovany. Tato 100 m vysoká hráz zadržuje 127 milionů m3 vody. U paty hráze je umístěna přečerpávací elektrárna se čtyřmi Francisovými turbínami pro spád 90 m s celkovým výkonem 4 x 112,5 MW. Pro výrobu energie i jako pohon čerpadel jsou použity synchronní generátory s výstupním napětím 13,8 kV. Toto napětí se pro dálkový přenos transformuje na 420 kV. Elektrárna má svým výkonem 450 MW a rychlostí uvedení do plného výkonu za 30 sekund nezastupitelnou úlohu při regulaci výkonu celostátní energetické soustavy i jako okamžitá poruchová rezerva.

1.4.5 Obnovitelné zdroje energie (OZE)

BRKO* - biologicky rozložitelný komunální odpad

Obr. 10.1 Vývoj výroby elektřiny z OZE a její podíl na hrubé domácí spotřebě

23

1.5

Rozvodná soustava

Elektrárny vyrábějí trojfázový střídavý elektrický proud o napětí 10-15 kV. Pro přenos na velké vzdálenosti se napětí transformuje přímo v elektrárně na hodnotu 110 kV, 220 kV nebo 400 kV. Nadzemním vedením jsou jednotlivé elektrárny zapojeny do rozvodné sítě. Přenos elektrické energie na velké vzdálenosti se provádí napětím 110 kV a 400 kV a na malé vzdálenosti napětím 22 kV. Spojovacím prvkem mezi přenosovou a distribuční částí rozvodné sítě jsou transformační stanice. Ke spotřebiteli se pak napětí transformuje na hodnotu 3 x 230 V/400 V.

Obr. 11.1 Transformátor

Obr. 12.1 Stožár vvn

Proč se k dálkovému přenosu elektrické energie používá co nejvyšší napětí? Důvodem je snížení ztrát při přenosu. I nejlepší vodiče kladou elektrickému proudu odpor R, průchodem proudu se vodič zahřívá a část elektrické energie se mění na teplo. Velikost tepelných ztrát Q (Jouleovo teplo) závisí nejen na odporu vodiče, ale především na druhé mocnině procházejícího proudu (dvakrát větší proud způsobí čtyřikrát větší ztráty!): W  Q  U  I  t  R  I 2  t ; J (joule), čte se [džaul]

Výkon elektrického proudu se určí ze vzorce: W P  U  I ; W (watt) t Příklad: Máme-li přenést výkon 10 000 W, můžeme použít malé napětí 10 V, ale vodičem bude procházet velký proud 1 000 A. Když použijeme pro přenos 10 000 V a proud 1 A, pak hodnota výkonu bude stejná, avšak nastanou mnohem menší tepelné ztráty. Je známo, že čím větší proud protéká vodičem, tím více se vodič zahřívá. K dálkovému přenosu se používá napětí od 110 do 400 kV. Elektrické pole kolem vodičů je při vyšších napětích už tak silné, že mezi vodiči vzniká tichý elektrický výboj zvaný koróna. Ten vzniká hlavně při napětí nad 100 kV. Zvláště ve vlhkém počasí způsobuje tato koróna sršení (slyšitelné jako praskot a viditelné jako světélkování v okolí vodičů) a to výrazně zvyšuje ztráty elektrické energie. Platí, že čím vyšší napětí, tím jsou větší energetické ztráty způsobené korónou. Vyšší napětí než 400 kV by také vyžadovalo odolnější izolátory a další nákladné konstrukční úpravy. 24

1.5.1 Přenosová soustava Dálkový přenos energie zajišťuje přenosová síť vedení velmi vysokého napětí. Linky propojují jednotlivé zdroje a transformační stanice, aby bylo možno operativně řídit přenos energie v závislosti na okamžité spotřebě elektřiny v různých oblastech i v případě poruchy na některé části sítě. Už od 60. let 20. století byla naše přenosová síť propojena s přenosovými soustavami tehdejších socialistických zemí. V roce 1995 byla naše přenosová síť propojena se západoevropskou soustavou UCPTE. V naší republice dnes máme přes 3 000 km linek o napětí 400 kV a přibližně 2 000 km linek s napětím 220 kV. Na mapce jsou červenou barvou znázorněny linky 400 kV, zelenou barvou linky 220 kV.

Obr. 13.1 Rozvojové schéma přenosové sítě České republiky (výhled do roku 2021)

1.5.2 Rozvodná síť V transformační stanici v elektrárně se vysoké napětí transformuje na vvn napětí 110 kV, část elektrické energie se přivádí do velkých podniků těžkého průmyslu a do měníren, které zajišťují napájení elektrifikovaných železničních tratí. Zbývající část se přepravuje k dalším spotřebitelům (lehký průmysl, města, obce), kde se transformuje na napětí 22 kV. K poslední transformaci na nízké napětí 230 V a 400 V dochází v samotných podnicích, obcích a městských čtvrtích. Do našich domovů přichází elektrický proud nízkého napětí 230 V.

Obr. 14.1 Schéma rozvodné sítě 25

1.5.3 Transformátor Obr. 15.1 Značka transformátoru

Transformátor je netočivý elektrický stroj, který přeměňuje (transformuje) střídavé hodnoty napětí a proudu na hodnoty větší nebo menší téže frekvence. Jednofázový transformátor se skládá z cívky primární (vždy je připojena ke zdroji střídavého napětí), sekundární cívky a jádra složeného ze vzájemně odizolovaných plechů, aby se snížily ztráty způsobené Foucaltovými - vířivými proudy. Transformátor funguje na principu elektromagnetické indukce – časovou změnou proudu v cívce primární se indukuje napětí na cívce sekundární.

Obr. 16.1 Transformátor – zapojení v obvodu

Pro napětí U1 platí vzorec: U 1   N1 

ΔΦ ΔΦ a pro napětí U2 vzorec: U 2   N 2  Δt Δt

Pro poměr indukovaných napětí platí transformační rovnice, která definuje transformační poměr konstantou úměrnosti k (v elektrotechnice se rovněž používá písmene p, pak však jsou poměry naopak): k=

N2 U 2 I   1 N1 U 1 I 2

je-li k  1, pak se jedná o transformaci nahoru je-li k  1, pak se jedná o transformaci dolů

N2 je počet závitů na sekundární cívce N1 je počet závitů na primární cívce, která je připojena ke zdroji střídavého napětí U2 je napětí na sekundární cívce; V U1 je napětí na cívce primární; V I2 je proud na sekundární cívce; A I1 je proud na cívce primární; A Pro počítání příkladů pomocí transformační rovnice si můžeme pomoci pravidlem: 26

Kolikrát je větší počet závitů na sekundární cívce než na primární, tolikrát je na sekundární cívce větší napětí než na cívce primární a tolikrát tam je menší proud. V elektrotechnice se rovnice píše i naopak se značením transformačního poměru p místo k, pak je i poměr veličin naopak. Výsledkově výpočty vycházejí stejně. Žádný transformátor nemá 100% účinnost, avšak pro výpočty podílu ve vzorcích můžeme brát, že se rovnají. V transformátoru vznikají ztráty zahříváním vodičů cívek, vířivými proudy a hysterezí. Jednofázové transformátory se používají tam, kde potřebujeme měnit hodnoty proudu nebo napětí – rozhlasové přístroje, měřicí přístroje, nabíječky do mobilů, dětská autodráha.

Obr. 17.1 Trojfázový transformátor Trojfázové transformátory mají tři magnetické větve. Každá fáze má vlastní primární a sekundární vinutí. Cívky primárního, popřípadě sekundárního vinutí jsou navzájem spojeny do hvězdy nebo do trojúhelníku. Transformátory pro velké výkony se při práci hodně zahřívají, a proto je musíme chladit. Větší transformátory bývají ponořeny ve speciální nádobě s olejem odvádějícím teplo a chladí se přes stěny nádoby vzduchem. Cvičení 1 1.

Na obrázku znázorňujícím transformátor určete počet a poměr závitů a vypočítejte napětí a proud na sekundární cívce, jestliže na primární cívce bylo napětí 10 V a cívkou protékal proud 20 mA. [U2 = 5 V, I2 = 40 mA]

2.

Jaký počet závitů musí být na sekundární cívce vůči primární, jestliže chceme mít na sekundární cívce 10  větší proud než na cívce primární? [N1 je 10 x menší] 27

3.

Primární cívka má 600 závitů, sekundární cívka má 6 závitů. Primární cívka je připojena na napětí 230 V a prochází jí proud 10 mA. Určete velikost napětí a proudu na sekundární cívce. [U2 = 2,3 V, I2 = 1 A]

4.

Příkon transformátoru je 800 W, účinnost je 96%. Jaký proud prochází sekundárním vinutím, jestliže sekundární napětí je 100 V? [I = 7,68 A]

5.

Určete transformační poměr transformátoru, který připojíme na síťové napětí 230 V a ze sekundárního vinutí chceme odebírat napětí 10 V a proud 2 A. Jaký je proud I1? [k = 0,0435; I1 = 0,087 A]

6.

Kde v praxi potřebujeme na sekundárním vinutí velké napětí, malé napětí a velký elektrický proud?

1.5.3 Rozvod elektrické energie v důlních podmínkách

Obr. 18.1 Schéma distribuční sítě na důlním závodě

28

Rozvod elektrické energie (distribuční síť) pro důlní závod je popsán na obr. 18.1. V důlním závodě, kde hrozí při výpadku energie zaplynování důlních provozů, musí být minimálně dva nezávislé přívody elektrické energie. Přívody jsou o napětí 110 kV. Ve venkovní rozvodně jsou transformátory, které snižují napětí podle požadavku povrchových strojů a zařízení. Pro důlní provozy je napětí transformováno na 6 kV. Důlní pracoviště jsou často vzdálená od povrchové rozvodny i několik kilometrů. S ohledem na ztráty na vedení se rozvádí napětí 6 kV nejblíže ke spotřebičům. V porubech příkony spotřebičů (dobývacího kombajnu, podporubového a porubového dopravníku, drtiče) dosahují řádově MW. Proto transformátory umisťujeme v energovlaku v těsné blízkosti porubu. To vidíte na obr. 19.1.

Obr. 19.1 Energovlak umístěný na podporubovém dopravníku I při ražení důlních děl se snažíme energovlaky umístit v blízkosti velkých spotřebičů elektrické energie, kterými jsou razicí kombajny, vrtací jednotky, nakládače, drtiče a dopravníky.

Obr. 20.1 Energovlak v blízkosti ražené čelby zavěšený na ZD nad pásovým dopravníkem V řadě případů rozvodné kabely vedeme vrty (obr. 18.1), kterými lze délku kabelů značně zkrátit. 29

1.5.3.1

Dělení prostorů plynujících dolů podle nebezpečí výbuchu metanu

Podzemní prostory plynujících dolů se z hlediska nebezpečí výbuchu metanu a požadavků na provoz elektrických zařízení rozdělují na: a) prostory bez nebezpečí výbuchu metanu („BNM“) b) prostory s nebezpečím výbuchu metanu („SNM“) Jako prostory BNM se zařazují podzemní prostory větrané vtažnými větry, které nebyly dosud použity v místech, kde se razí nebo dobývá, a které bezprostředně nesouvisí s vyrubanými prostory nebo nevětranými a neuzavřenými důlními díly. Při jejich zařazování a dále při jejich provozu je organizaci určen takový objemový průtok důlních větrů, že koncentrace metanu v důlním ovzduší nepřesáhne 0,25% a při poruše větrání nebo při jeho zastavení na dobu určenou havarijním plánem je v nich vyloučeno nahromadění výbušné směsi metanu se vzduchem. Ostatní prostory jsou SNM. Uvedeným způsobem se zařadí i povrchové prostory hlubinných dolů, ve kterých jsou umístěna elektrická zařízení a kde by mohlo vzniknout nebezpečí výbuchu plynů, zejména prostor nad ohlubní výdušné jámy a prostor v okolí difuzoru hlavního ventilátoru do vzdálenosti 30 m.

1.5.3.2

Dělení prostorů plynujících dolů podle nebezpečí výbuchu uhelného prachu

Podzemní prostory uhelných dolů se z hlediska nebezpečí výbuchu uhelného prachu a nároků na provoz elektrických zařízení rozdělují na: a) prostory bez nebezpečí výbuchu uhelného prachu („BNP“) b) prostory s nebezpečím výbuchu uhelného prachu („SNP“) Jako prostory BNP se zařazují podzemní prostory, ve kterých se nevyskytuje uhelná drť, nevytváří souvislá vrstva uhelného prachu a uhelný prach je pravidelně odstraňován. Ostatní prostory jsou prostory SNP. Uvedeným způsobem se zařadí i povrchové prostory hlubinných dolů, ve kterých jsou umístěna elektrická zařízení a kde by mohlo vzniknout nebezpečí výbuchu uhelného prachu.

1.5.3.3

Požadavky na instalace elektrických zařízení v důlních provozech

Elektrické kabely obvodů nízkého napětí (dále jen „obvodů“) vně nevýbušných závěrů, nacházející se v důlních dílech zařazených do 2. nebo 3. stupně nebezpečí otřesů, s výjimkou obvodů jiskrově bezpečných systémů, obvodů nezápalných, obvodů telekomunikačních a sdělovacích, obvodů roznětných vedení, osobních svítidel a elektrických obvodů důlních lokomotiv, musí být sledovány přístroji pro kontrolu izolace a při poklesu izolačního stavu pod 15  /V se musí samočinně vypnout. Pro kabelové rozvody nad 1 kV mohou být použity pouze kabely s kovovým pancířem (obr. 21.1) nebo s kovovým stíněním (obr. 22.1). Kabelové rozvody nad 1 kV musí být v důlních dílech zařazených do 2. nebo 3. stupně nebezpečí otřesů vybaveny zařízením zajišťujícím jejich vypnutí při zemním spojení. Na konci paprsku kabelového rozvodu nad 1 kV musí být zajištěno toto vypnutí v čase nejvýše 0,2 s.

30

Obr. 21.1 Kabel s kovovým pancířem

Obr. 22.1 Kabel s kovovým stíněním Kabelové rozvody nad 1 kV musí být v důlních dílech zařazených do 2. nebo 3. stupně nebezpečí otřesů vybaveny zařízením pro samočinné vypnutí elektrické energie při: a) otřesu, b) překročení povolené koncentrace metanu v důlním ovzduší. K vypnutí musí dojít do 2 sekund od překročení nastavené mezní hodnoty kteréhokoliv čidla umístěného v uvedených dílech. Umístění čidel a oblastí samočinného vypnutí určí závodní dolu. Způsob a místa samočinného vypnutí elektrické energie iniciovaného otřesem musí být v oblasti ohrožené účinkem otřesu řešeny v havarijním plánu dolu. Elektrická zařízení, kabelová vedení a hlavní zemnící vedení, včetně odbočení z něj na elektrická zařízení a spojovací armatury, musí být v důlních dílech zařazených do 2. nebo 3. stupně nebezpečí otřesů fyzicky zkontrolována nejméně jednou za šest měsíců a vždy po otřesu a otřesovém jevu. Výkonový vypínač VN, jehož kabelovým vývodem je napájeno elektrické zařízení umístěné v prostorách SNM, musí být vybaven zařízením blokujícím zapnutí vývodu při izolačním odporu na tomto vývodu menším než 50  /V. Kontrola izolačního odporu sítě se řídí provozním řádem. Naměřené hodnoty izolačního odporu jsou zaznamenávány.

31

Obr. 23.1 Zavěšení kabelů elektrického rozvodu na výztuž Kabely elektrického rozvodu v dole je nutno zavěsit tak, aby nehrozilo nebezpečí jejich poškození zejména při dopravě materiálu, při trhací práci a podobně. Kabely o různém napětí zavěšujeme samostatně. Kabely nezavěšujeme na dráty, ale na silonová vlákna (pásky). Rozteč závěsů je stanovena na dva metry.

1.5.3.4

Nevýbušná elektrická zařízení

Důlní prostory, vyjma prostorů u vtažných jam, jsou zařazeny jako prostory „s nebezpečím výbuchu metanu“, které označujeme SNM, a „s nebezpečím uhelného prachu“ - s označením SNP. Zamezit výbuchu metanovzdušné směsi nebo uhelného prachu při provozu elektrických zařízení je proto potřeba používáním „nevýbušných elektrických zařízení“. Nejvíce jsou požívána nevýbušná zařízení v provedení „pevný závěr“ (obr. 24.1), nebo jiskrově bezpečná zařízení. Pevný závěr je definován délkou a šířkou spáry. Funkcí „závěru“ je zchladit vzniklé zplodiny tak, aby nedošlo k zapálení metanovzdušné směsi vně nebo uvnitř závěru. Dva základní parametry závěru jsou délka a šířka spáry. Délka spáry je vzdálenost mezi vnitřním a vnějším prostorem zařízení v místě spoje dvou ploch, šířka spáry je vzdálenost těchto ploch, zjednodušeně - mezera mezi plochami.

Obr. 24.1 Nevýbušné elektrické zařízení v provedení „pevný závěr“ Nevýbušná zařízení mají velkou hmotnost. Pro jejich výrobu se vyžadují velmi přesné stroje. Vnitřní vybavení elektrickým zařízením musí být konstruováno s ohledem na malý vnitřní prostor, dovolené oteplení a vysokou spolehlivost. Z tohoto důvodu jsou výrazně dražší než klasická povrchová zařízení. Dnes se vyrábějí pouze zařízení z ocelových dílů a v provozu jsou ještě zařízení z hliníkových slitin. 32

Jiskrově bezpečná zařízení (obr. 25.1) svou konstrukcí a elektrickými parametry zamezí vzniku jiskry v metanovzdušné směsi. Mechanická konstrukce je výrazně jednodušší než u pevného závěru. Náročnější jsou však samotné elektrické obvody.

Obr. 25.1 Jiskrově bezpečné zařízení Cvičení 2 1. Co je elektrizační soustava? 2. Jakým napětím se přenáší elektrická energie přenosovou soustavou? 3. Jakým napětím se přenáší elektrická energie rozvodnou soustavou? 4. Vyjmenujte aspoň čtyři druhy elektráren. 5. Popište princip činnosti vodní elektrárny. 6. Popište princip činnosti tepelné elektrárny. 7. Popište princip činnosti jaderné elektrárny. 8. Vyjmenujte druhy turbín. 9. Jak velké napětí je přivedeno do důlního provozu? 10. Co jsou prostory s nebezpečím výbuchu metanu? 11. Co jsou prostory bez nebezpečí výbuchu metanu? 12. Co jsou prostory s nebezpečím výbuchu uhelného prachu? 13. Co jsou prostory bez nebezpečí výbuchu uhelného prachu? 14. Jaké kabely se mohou použít pro napětí nad 1 kV? 15. Kolik  /V je hranice izolačního stavu kabelů, při které musí dojít k rozepnutí obvodu? 16. Jaká je horní časová hranice vypnutí obvodu v sekundách? 17. Co je pevný závěr u nevýbušných zařízení? 18. Jaké jsou dva základní parametry závěru? 19. Jaký materiál se používá na výrobu nevýbušných zařízení? 20. Čemu zamezí bezpečná jiskrová zařízení? 33

2. kapitola Místní rozvod elektrické energie 2.1

Domovní přípojka

Místní rozvodné sítě nízkého napětí jsou v husté městské zástavbě budovány jako zemní kabelové sítě. Ve venkovské zástavbě jsou upřednostňovány levnější vzdušné rozvody. Domovní přípojka se skládá z přípojného vedení (od přípojkové skříně na sloupu ke zdi nebo veřejně přístupné části domu) a ze vstupního vedení (od přípojkové skříně s pojistkami a elektroměrem k domovnímu nebo bytovému rozvaděči). Přípojné vedení a elektroměr jsou majetkem rozvodných závodů a jsou zaplombované jejich pracovníky. Přípojku k rodinnému domu provádíme měděnými vodiči 5 x 6 mm 2. V domě předpokládáme výskyt i třífázových spotřebičů. V přípojkové skříni jsou pojistky na 40 A, pokud je vstupní jistič na 25 A. Pokud má obytný dům více bytových jednotek, upravujeme průřez vodičů podle předpokládaného odběru elektrického proudu. Vycházíme z proudové hustoty, která představuje povolené proudové zatížení vodiče. U předepsaných měděných vodičů je proudová hustota v lištách nebo trubkách 4 A · mm-2. U vodičů s dvojí izolací je proudová hustota až 6 A · mm-2.

Obr. 1.2 Schéma silového rozvodu obytného domu 34

Obr. 2.2 Třífázová rozvodnice 1 – Přípojková skříň, nožové pojistky, přepěťová ochrana 2 – Elektroměrová skříň s elektroměrem a vstupním (hlavním) jističem 3 – Vnitřní rozvodnice

2.2

Bytový rozvaděč

– ochranný nulovací vodič (žlutozelený) PE – ochranný vodič (žlutozelený) N – nulovací vodič (světle modrý) L1 – fázový vodič (černý, hnědý, šedý) PCH – proudový chránič J – jističe S – světelný rozvod Z – zásuvkový rozvod PEN

Obr. 3.2 Schéma bytového rozvaděče (jednofázového) Rozvod elektrické energie od bytového rozvaděče opět provádíme podle předpokládaného proudového zatížení. Pro světelné okruhy používáme měděných vodiče o průřezu 1,5 mm 2. Pro zásuvkové rozvody používáme průřezy 2,5 mm 2, případně 4 mm2. Do rozvaděčů dnes běžně montujeme proudové chrániče (PCH). Proudový chránič porovnává proud vystupující fázovým vodičem a proud vracející se nulovacím vodičem. 35

Uniká-li v napájeném obvodu větší proud než 30 mA po dobu minimálně 30 milisekund, proudový chránič odpojí přívod elektrické energie. Únik energie může být způsoben dotekem osoby na fázový vodič.

2.3 Ochrana uvedením na stejný potenciál Vyrovnání potenciálů odstraní rozdíly potenciálů mezi vodivými neživými částmi elektrických zařízení a vodivými předměty v okolí (např. vodovodu) včetně vodivého stanoviště. Vyrovnání potenciálu může být provedeno místně (např. v koupelně nebo v prádelně), nebo celkově (tj. v rámci rozvodů celé domovní přípojky), tzn. v celém domě (obr. 25). Lišta pro vyrovnání celkového potenciálu je svorkovnice, na kterou jsou připojeny všechny vodiče spojené s vodivými částmi domu, jejichž potenciál má být vyrovnán. Lišta je montována v blízkosti přívodu kabelové přípojky (zemní nebo vzdušné), často také blízko vodovodního kovového rozvodu a je spojena s uzemňovacím vedením a zemničem. Obr. 4.2 Vyrovnání celkového potenciálu v obytném domě

2.4

Nadproudové ochrany

Nadproudová ochrana je souhrnný název pro elektrotechnické zařízení, které umožňuje ochranu elektrického vedení, elektrického stroje, elektrického přístroje nebo elektrické součástky. Chrání například elektromotor před přehřátím vlivem vyšších hodnot elektrického proudu, který by stroj příliš tepelně zatěžoval a zkracoval jeho životnost.

2.4.1 Rychlost reakce nadproudové ochrany Rychlost zapůsobení nadproudové ochrany pojistky/jističe je závislé na velikosti a době/času, po který procházel el. proud ochranou. Vypnutí ochrany odpojí chráněný obvod. 



Dlouhodobé působení nadproudu, který překračuje jmenovitou hodnotu nadproudové ochrany, způsobí přetavení pojistky nebo vypnutí tepelné ochrany jističe (obvykle tvořené bimetalovým páskem). V pojistce se přetaví tavný drátek. Krátkodobé působení proudu, který značně překračuje jmenovitou hodnotu nadproudové ochrany pojistky/jističe (např. vlivem zkratu), způsobí rychlé vypnutí ochrany. Jistič odpadne vlivem zkratové ochrany tvořené elektromagnetem. V pojistce se přetaví tavný drátek.

36

2.4.2 Dělení nadproudových ochran Pojistka je elektrická součástka, která chrání před poškozením nadměrným elektrickým proudem elektrická vedení, elektrická zařízení, elektronické součástky či obvod. Vypnutím a přerušením obvodu pojistkou je před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí chráněn majetek a jsou chráněny osoby a zvířata. Při překročení mezní hodnoty proudu dojde k přerušení tavného drátku v pojistce a tím i k přerušení obvodu. Děj je nevratný, pojistka nesmí být opravována. Vadnou pojistku nahradíme jinou s odpovídající proudovou a tavnou charakteristikou. Některé pojistky lze vybavit pomocným kontaktem signalizace zapnutého a vypnutého stavu. Jistič je elektrický přístroj, který při nadměrném elektrickém proudu (tzv. nadproudu, většinou při přetížení nebo zkratu) automaticky rozpojí elektrický obvod, tím může chránit obsluhu před možným úrazem elektrickým proudem a chráněné elektrické zařízení před jeho poškozením. U jističe se jedná o vratný děj. Lze ho zapnout znovu ručně ovládací páčkou nebo dálkově a je ho možné vybavit pomocnými částmi. Jsou to kontakty signalizace zapnuto a vypnuto, podpěťová cívka, vyrážecí elektromagnet, zařízení pro opětovné zapnutí, dálkové zapnutí a vypnutí apod.

2.4.2.1

Tavné pojistky Obr. 5.2 Elektrotechnická značka pojistky

Princip tavné pojistky spočívá v tom, že drátek v pojistce se průchodem proudu zahřeje a při zkratovém proudu se drátek přepálí. Ztrátový výkon je funkcí čtverce proudu, a proto se stoupající velikostí proudu výrazně zkracuje doba do přetavení vodiče pojistky. Přetavením vodiče pojistky a uhašením vzniklého elektrického oblouku dojde k přerušení elektrického obvodu. Pojistky jsou vyráběny v několika provedeních. Volba konkrétního provedení pojistky závisí na velikosti a druhu napětí, velikosti proudu, jištěném zařízení a místě použití. Běžně se lze setkat se závitovými pojistkami s oblým Edisonovým závitem E27 a E14, přístrojovými trubičkovými pojistkami, pojistkami pro motorová vozidla a u větších obytných celků v přípojkové skříni jsou užívány válcové nebo nožové pojistky. Pojistka se skládá z pojistkového soklu a pojistkové vložky = patrony. Pro nezáměnnost jmenovitých hodnot proudu patrony jsou některé závitové patice vybaveny vymezovacím kroužkem. Pojistková patrona je určena pro jednorázové použití. Po přetavení vodiče pojistkové patrony musí být použita nová patrona. Pojistkové patrony je zakázáno opravovat. Opravená pojistková patrona může být například příčinou požáru a důvodem neplnění finančního plnění ze strany komerční pojišťovny. Srdcem pojistky je tavný elektrický vodič, jehož přetavením dojde k rozpojení elektrického obvodu. Tavný elektrický vodič musí mít následující vlastnosti:  velkou konduktivitu i při malých rozměrech  nízkou teplotu tavení  malou náchylnost k oxidaci  snadnou vypařitelnost (bez pevných zbytků)

37

Nejčastěji jsou používány tavné elektrické vodiče vyrobené ze stříbra nebo mědi (dráty, pásky). V pojistkové patroně pro vyšší napětí nebo vyšší elektrické proudy je tavný vodič uložen v hasebním prostředku (obvykle v křemičitém písku), který má za úkol tlumit vnitřní tlakovou vlnu vzniklou působením elektrického oblouku, hasit vzniklý elektrický oblouk a tím urychlit vypnutí pojistky. Pro jednotlivé typy elektrických pojistek a jmenovité proudy výrobci udávají "tavné voltampérové charakteristiky". Na vodorovné ose jsou vyneseny proudy a na svislé ose doba do vypnutí pojistky.

2.4.2.1.1

Pojistky pro bytové a jim podobné instalace

V bytových instalacích s napětím 230/400 V se stále ještě setkáme s keramickými pojistkami. Systém, běžně používaný i v České republice, se v německy mluvících zemích označuje jako DIAZED. Prakticky se z něho využívají řady označené DII (6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A) a DIII (35 A, 50 A, 63 A). Před rokem 1970 se místo pojistky 16 A používaly 15 A. Pojistky mají válcový tvar. Elektrický kontakt na širším konci má v konkrétní řadě stejný průměr pro všechny proudy. Uprostřed tohoto kontaktu je barevný signalizační terčík. Barva terčíku je přiřazena proudovému rozsahu. Při přerušení pojistky se terčík uvolní a odpadne. Druhý konec pojistky je zúžený a každému proudovému rozsahu je přiřazena konkrétní velikost keramické vložky v pojistkovém spodku. Barva vložky se shoduje s barvou terčíku na pojistce. Přiřazení velikostí pojistek a vložek je takové, že do vložky lze zasunout vždy jen správnou (nebo slabší) pojistku, nikdy ne silnější. Běžně se lze setkat s pojistkami se závitem E27 (Edison) do 25 A a E33 (Goliáš) od 35 A. Normalizované barvy jsou: 2 A růžová, 4 A hnědá, 6 A zelená, 10 A červená, 16 A šedá, 20 A modrá, 25 A žlutá, 35 A černá, 50 A bílá, 60 a 63 A hnědá (měděná), 80 A stříbrná, 100 A červená, 125 A žlutá. V současnosti se pro vnitřní bytovou instalaci na světelný okruh používají pojistky a jističe na 10 A a na zásuvkový okruh pojistky a jističe na 16 A.

Obr. 6.2 Klasické keramické pojistky Pojistkový spodek včetně vložky a hlavice: A) vývod ke spotřebiči; B) přívod proudu ze sítě; C) vymezovací kroužek; D) objímka (pojistkový spodek); E) šroubovací pojistková hlavice; F) tavný vodič s barevným signalizačním terčíkem; G) keramická pojistková vložka 38

2.4.2.1.2

Válcové pojistky

Obr. 7.2 Válcová pojistka Především pro jištění v rozvaděčích výrobních objektů nebo přímo elektrických strojů se prosadily válcové pojistky. Pojistky jsou symetrické. Válcové keramické tělísko má na koncích nalisované kovové čepičky jako kontakty. Oba konce jsou stejné. Proudové rozsahy jsou rozlišeny pouze potiskem, barevné ani tvarové rozlišení není použito. Existují tři rozměrové řady: 10×38 mm pro proudy 0,5–25 A, 14×51 mm pro proudy 2–50 A a 22×58 mm pro proudy 4–125 A. Pojistky se zasazují do pojistkových odpínačů. Ty jsou určeny výhradně k montáži na nosnou lištu (DIN lišta, nebo také TS-35). Samotná pojistka je umístěna ve výklopné schránce. Pro třífázové obvody existují odpínače, u kterých se odpojí všechny tři fáze současně. Tyto pojistky se prosazují především pro úsporu místa.

2.4.2.1.3

Nožové pojistky

Pro jištění výkonově silnějších obvodů (např. s trojfázovými motory, celé domy) se používají nožové pojistky. Nožové pojistky jsou nejčastěji označeny PN nebo NH. Vyrábějí se v několika rozměrových řadách, které se proudovým rozsahem překrývají. Standardní velikosti se označují PN000, PN00, PN1, PN2, PN3, PN4a. Jednotlivé velikostní řady jsou rozlišeny pouze potiskem, tvarové ani barevné rozlišení se nepoužívá. Pojistky těchto typů se vyměňují pomocí izolovaného držáku, tzv. žehličky. Také pro nožové pojistky existují odpínače, kde jsou pojistky pro všechny tři fáze umístěny ve společném nosiči a je možné je vypojit najednou ze všech fází. Princip těchto pojistek je shodný jako u keramických pojistek.

Obr. 8.2 Nožová pojistka

Obr. 9.2 Automobilové nožové pojistky

V automobilech a jiných dopravních prostředcích se používají nožové pojistky s barevným plastovým tělem, kde barva odpovídá jmenovitému proudu.

39

2.4.2.1.4

Ostatní pojistky

Obr. 10.2 Skleněná trubičková pojistka Skleněné (keramické) trubičkové pojistky jsou nejčastěji používány v elektronických zařízeních. Všechny typy pojistek jsou označeny proudovou hodnotou v ampérech, jmenovitým napětím a případně i dalšími údaji. Žádné typy pojistek nesmí být opravovány. Po opravě dojde ke změně jmenovitého proudu a vypínací charakteristiky. Tím dojde ke znehodnocení funkce pojistky. To může způsobit vážné poškození zařízení nebo rozvodů, úraz elektrickým proudem, požár apod.

2.4.2.2

Jističe Obr. 11.2 Jednopólový a trojpólový jistič

Jistič poskytuje v elektrickém obvodu tyto základní funkce:  bezpečné automatické vypnutí obvodu při zkratu  bezpečné automatické vypnutí obvodu při nadproudu  (reakce jističe: za 4-20 ms při zkratu; několik vteřin podle velikosti nadproudu)  jistič je pouze jistící prvek obvodu a není primárně určen k vypnutí a zapnutí obvodu (k tomu slouží vypínač) Charakteristickými hodnotami jističe jsou:  jmenovité napětí, pro které je určen  jmenovitý proud, který trvale propouští, aniž by rozpojil obvod  zkratový proud, který je schopen vypnout  vypínací charakteristika udává závislost času vypnutí na velikosti nadproudu nebo zkratového proudu. V závislosti na typu jističe a velikosti proudu může jít o časy od desítek minut do několika milisekund. Pro určitý způsob použití existují standardizované charakteristiky jističů. Např. jističe určené pro ochranu elektromotorů (tzv. Motorové jističe) musí být konstruovány tak, aby vysoké proudy při rozběhu motoru nevedly k jejich nežádoucímu vypnutí. Rozdělení jističů Podle napěťové soustavy: - střídavé jsou mnohem běžnější a také menší, protože ve střídavých obvodech prochází proud nulou, díky čemuž je snadnější zhášení oblouku (střídavě periodicky mění polaritu napětí i směr proudu) - stejnosměrné nelze použít místo střídavého, používají se jen ve stejnosměrných obvodech

40

Podle akčního členu (spouště): termomagnetické, pracující na dvou principech: - bimetal reaguje na nízké násobky jmenovitého proudu – přetížení - elektromagnet reaguje na vyšší násobky jmenovitého proudu - zkrat kataraktové (hydraulické) - elektromagnet, jehož ocelové jádro se pohybuje v olejové náplni - tlumiči. Při působení nadproudu je jádro vtahováno proti síle vnitřní pružiny a tření v oleji do cívky. Při dostatečném vtažení jádra dojde k přitažení vnější kotvy elektromagnetu a tím vypnutí jističe. s elektronickou spouští - jistič obsahuje proudový transformátor, který proud převádí jističem na hodnoty, následně vyhodnocované blokem elektronické spouště. Při překročení nastavených hodnot jistič vypne. Tento způsob vybavování se využívá obvykle u jističů od 200 A. Jističe s elektronickou spouští mají výhodu v širokém rozsahu nastavení jmenovitého proudu (0,4 - 1) x In, volby vypínací charakteristiky, diagnostice jističe (možnost propojení s PC) apod. Podle systému zhášení oblouku: deionové (deionizační komora) vakuové Podle provedení: otevřené (masterpact), obvykle nad 2 kA kompaktní (MCCB), obvykle do 2 kA. Vypínací charakteristiky Charakteristiky běžných jističů se označují písmeny B, C a D. Všechny charakteristiky mají stejnou tepelnou část, liší se pouze ve zkratové části. Smluvený nevypínací proud nesmí jistič vypnout nikdy. Smluvený nevypínací proud pro charakteristiky A, B, C a D je stanoven jako 1,13 násobek jmenovitého proudu, smluvený vypínací proud je 1,45 násobek jmenovitého proudu. Smluvený vypínací proud musí vypnout do hodiny. Význam písmen ve značkách charakteristik: A Jistí (polovodiče) B Jistí (odporové spotřebiče) - vypíná do 0,1 s při 3 - 5 násobku jmenovitého proudu. Staré značení L C Univerzální jistič (žárovky, motory s lehkým rozběhem) - vypíná do 0,1 s při 5 - 10 násobku jmenovitého proudu. Staré značení U D Motorový jistič (pro motory s těžkým rozběhem) - vypíná do 0,1 s při 10 - 20 násobku jmenovitého proudu. Staré značení M

41

ovládací páčka aretační mechanismus kontakty přívodní šroubová svorka bimetalový člen pro vybavení přetížením regulační prvek nastavení citlivosti (u běžných domovních jističů nebývá přítomen) 7. elektromagnetická spoušť pro vybavení zkratem, zhášecí komora 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Obr. 12.2 Průřez jističem

Obr. 13.2 Jednofázový jistič LSN…/1

2.5

Obr. 14.2 Dvoupólový jistič LSN…/1N

Přepěťové ochrany

Přepěťové ochrany chrání elektrická zařízení před poškozením izolace přepětím vyšším, než které je schopná izolace vydržet. Nazývají se též "bleskojistky" nebo "svodiče přepětí". Za přepětí můžeme považovat napětí (U), které je oproti jmenovitému napětí (Un) dvojnásobné. Překročení jmenovité hodnoty napětí Un o 10-20 % je považováno za normální provozní stav. Nastavená ochranná hladina, kdy začne přepěťová ochrana omezovat napětí průchodem vnitřního proudu, musí být nižší, než je izolační hladina zařízení. Vnitřní ochrana před bleskem by měla chránit všechna elektrická zařízení, vodivé instalace a vodivé části zařízení proti účinkům proudu blesku a jeho elektrickému a magnetickému poli. Skládá se z ochrany vyrovnáním potenciálu a přepěťových ochran elektrického zařízení. Přes lištu vyrovnání potenciálu jsou všechny vodivé soustavy, např. vodovodní, plynová, topná a klimatizační, spojeny se základovým zemničem. K ochraně před přepětím v elektrických zařízeních se mezi 42

fázové vodiče a ochranný vodič zapojují svodiče přepětí (obr. 15.2). Svodiče se většinou skládají ze sériově spojeného jiskřiště a napěťově závislého odporu a odpínače. Nastane-li na elektrickém zařízení nebezpečné napětí, projde proud obloukem přes jiskřiště a napěťově závislý odpor (varistor), který klade malý odpor svodovému proudu. Dojde-li při přímém zásahu bleskem k poškození jiskřiště nebo některého varistoru, odpojí FI-jistič zařízení od sítě.

Obr. 15.2 Svodiče přepětí (bleskojistky)

Obr. 16.2 Přepěťové ochrany v soustavě TN Aby byly přepěťové ochrany funkční a účinné, zpravidla se rozdělují na tři stupně: 1. stupeň se instaluje u vstupu do objektu. Výkonové přepěťové ochrany jsou schopné svést do zemniče proudy 35 až 100 kA a zajistit ochrannou napěťovou hladinu na úrovni 1,5 až 5 kV. 2. stupeň se instaluje na úrovni bytového rozvaděče. Přepěťové svodiče jsou schopné svést do zemniče proudy 5 až 20 kA a zajistit ochrannou napěťovou hladinu na úrovni 1 kV. 3. stupeň – pokud dané zařízení nemá vlastní přepěťovou ochranu, pak ji zapojujeme do proudového okruhu těsně před spotřebič.

43

Obr. 17. 2 Stupeň přepěťové ochrany pro domácnosti i provozní podniky

2.6

Uzemnění

Uzemnění zabraňuje vzniku nebezpečného dotykového napětí mezi uzemněnými vodivými částmi zařízení a zemí. Uzemnění se skládá ze zemničů a uzemňovacího

vedení.

Zemniče jsou vodiče uložené v zemi, se kterou musí zajistit spojení s požadovaným odporem. Odpor uzemnění je dán odporem uzemňovacího vedení a odporem šíření proudů ze zemničů do země. Nejlepším zemničem je tzv. základové uzemnění, což jsou zemnicí vodiče zalité do železobetonových základů. Často používáme: páskové zemniče – ocelové pozinkované pásky průřezu nejméně 100 mm2, případně měděné pásky o průřezu 50 mm2 nebo Cu lana o průřezu35 mm2. Požadovaný odpor uzemnění do 15 ohmů zaručí 20 až 25 m pásku, který se ukládá do nezamrzající hloubky 50 až 80 cm. Při méně vodivém terénu (písek, skála) je třeba zvětšit délku pásku. tyčové zemniče – pozinkovaná ocel nebo měď o průměru 16 až 30 mm, délky 1,5 až 2 m. Tyče spojujeme minimálně 30 cm pod povrchem s minimálním odstupem 2 m. Používáme minimálně 3 tyče (obr. 18.2).

Obr. 18.2 Tyčové zemniče 44

2.7

Nízkonapěťové rozvody

A. Venkovní rozvody Vodiče nízkonapěťových vzdušných rozvodů – jsou měděná nebo hliníková lana. Měděné lano s minimálním průřezem 10 mm 2 nebo hliníkové s minimálním průřezem 25 mm2. Vzdušná vedení musí být řádně izolována od nosníků. Samonosnost lanových vodičů se zvětšuje ocelovým jádrem. K ochraně proti přepětí při úderu blesku jsou na všech odbočkách, na napájecích přípojkách, koncích vzdušných vedení i přechodech na kabelové vedení připojeny bleskojistky. Zemní kabelové rozvody Používají se většinou čtyř-žilové kabely s PVC izolací vodičů i PVC (polyvinylchloridovým) pláštěm s vodiči z mědi nebo hliníku. Hloubka uložení je minimálně 0,6 m, pod vozovkou minimálně 0,8 m. Do výkopu bez kamenů použijeme jako podklad 8 cm písku, na který položíme kabel. Kabel se před zasypáním překryje výstražnou plastovou fólií (obr. 19.2). V mechanicky namáhaných trasách se kabel překrývá cihlami, dlaždicemi nebo tvárnicemi, případně se vkládá do plastových chrániček. Obr. 19.2 Výstražná páska B. Vnitřní bytové rozvody Tab. 2 Průřezy vodičů v bytech a jejich jištění

C. Vodiče

a) silový kabel CYKY- J 5 x 2,5 mm2; b) instalační plochý vodič CYKY- J 3 x 1,5 mm Obr. 20.2 Vodiče 45

Značení vodičů Elektrická střídavá soustava – AC

Elektrická stejnosměrná soustava – DC

Barevné označení žil vodičů

Úplná písmenová značka kabelového vodiče (obr. 20.2) C – jádro vodiče (C – měď, A – hliník) Y – izolační obal jádra vodiče (Y – materiály z PVC) K – typ vodiče (K – kabel) Y – materiál pláště kabelu (Y – PVC) J – barevné označení žil vodičů (L1 – hnědá; N – světle modrá; PE – zelenožlutá) O – pouze fázové vodiče 3 – počet vodičů v kabelu 2,5 – průřez jádra vodiče (podle jmenovité řady průřezů vodičů)

46

2.8

Světelný okruh

V bytovém rozvaděči (obr. 3.2) rozdělujeme vstupní přivaděč proudu na samostatné proudové okruhy. Jednotlivé okruhy oddělujeme jističi podle předpokládaného proudového zatížení. V bytě je vhodné mít dva světelné okruhy, abychom při výpadku jednoho okruhu nezůstali bez osvětlení. Na jeden světelný obvod se smí připojit tolik svítidel, aby součet jejich jmenovitých proudů nepřekročil jmenovitý proud jisticího přístroje obvodu. Jmenovitý proud svítidel se stanoví z maximálního příkonu, pro který jsou svítidla typována. Světelné zdroje se zvlášť nejistí, proti nadproudu a přepětí se jistí jen jejich přívodní vedení. Spínače pro ovládání světelných obvodů mají být obvykle umístěny u vchodových dveří v místnosti ovládaného světelného obvodu na té straně, kde se dveře otvírají (na straně kliky dveří). Nevyžadují-li takové umístění spínačů provozní nebo bezpečnostní podmínky, mohou být umísťovány i jinde. Kolébkové spínače a ovladače se osazují tak, aby do polohy zapnuto bylo nutno stlačit kolébku nahoře. Páčkové spínače se osazují tak, aby se zapínaly pohybem páčky nahoru. Toto ustanovení se netýká střídavých a křížových přepínačů. Jištění světelných obvodů: Vedení světelného obvodu se jistí jističi nebo pojistkami se jmenovitým proudem 10 A, nejvýše 25 A.

Obr. 21.2 Základní zapojení svítidla v síti TN-C a v síti TN-S

Obr. 22.2 Montážní schéma elektroinstalace (podle obrázku 21.2)

47

Obr. 23.2 Základní zapojení sériového vypínače č. 5

Obr. 24.2 Základní zapojení střídavého přepínače č. 6

2.9

Zásuvkové okruhy

Zásuvkové okruhy se zřizují pro připojení spotřebičů do zásuvky vidlicí. Na zásuvkové obvody lze podle potřeby pevně připojit jednoúčelové spotřebiče pro krátkodobé použití do celkového zdánlivého příkonu 2 000 VA. Zásuvky musí mít ochranný kolík připojený na ochranný vodič (PE). Jednofázové zásuvky se připojují tak, aby ochranný kolík byl nahoře a střední vodič (N) byl připojen na pravou dutinku při pohledu zpředu (obr. 25.2). Zásuvky musí být voleny podle napětí a proudové soustavy. Při použití dvou napěťových soustav musí být zásuvky vždy nezáměnné. Každá napěťová soustava musí mít stejný typ zásuvek v celém zařízení. Jednofázové zásuvky: Na jeden zásuvkový obvod lze připojit nejvýše 10 zásuvkových vývodů, přičemž dvoj-zásuvka se považuje za jeden zásuvkový vývod. Zásuvky s dvojitými svorkami se doporučuje připojovat smyčkováním. Dvoj-zásuvka je určena pro připojení na jeden obvod a nesmí se připojit do dvou různých obvodů, ani se nesmí přerušit propojení obou zásuvek. Dimenzování a jištění zásuvkových obvodů: Zásuvkové obvody se musí jistit pojistkou nebo jističem odpovídajícím nejvýše jmenovitému proudu zásuvky (obr. 27.2). Pro pevně připojené jednofázové spotřebiče o zdánlivém příkonu 2 000 VA a více se zřizují samostatně jištěné obvody.

48

Obr. 25.2 Jednofázová zásuvka

Obr. 26.2 Jednofázová dvoj-zásuvka

Obr. 27.2 Elektroinstalační zásuvky v síti TN – S (jednofázová a třífázové)

Obr. 28.2 Elektroinstalační zásuvky v síti TN – C (jednofázová a třífázové)

Obr. 29.2 Montážní schéma zapojení zásuvek v síti TN-C

49

Obr. 30.2 Zásuvky a vidlice třífázové pro pohyblivé rozvody

Obr. 31.2 Zásuvky třífázové pro pevné rozvody

2.10 Důlní kabelové rozvody 6 kV Elektrické kabely s napětím 6 kilovoltů jsou červené barvy a jsou zavěšeny pod stropem uprostřed důlního díla (obr. 32.2). Podél kabelového tahu 6 kV je vedeno hlavní zemnicí vedení v provedení z mědi nebo pozinkovaného pásku. Jedná se o velmi důležitou součást důlního elektrického rozvodu, která zajišťuje ochranu osob před úrazem elektrickým proudem. Na tuto zemnicí síť jsou napojeny veškeré neživé části elektrických zařízení a spotřebičů. Pro spojování kabelů se používají kabelové spojky (obr. 34.2), v současné době většinou zalévané speciální dvousložkovou hmotou. V provozu jsou i klasické litinové spojky zalévané kabelovou hmotou (obr. 34.2 – spodní obrázek).

Obr. 32.2 Kabelové rozvody 6 kV a hlavní zemnicí vedení

50

Obr. 33.2 Napojení spotřebiče na zemnicí síť

Obr. 34.2 Kabelové spojky

Cvičení 3 1. Co tvoří domovní přípojku? 2. Jak velká je proudová hustota měděných vodičů v rozvodech do rodinných domů? 3. Jak velký průřez mají měděné vodiče v domovních rozvodech pro světelný okruh? 4. Jak velký průřez mají měděné vodiče v domovních rozvodech pro zásuvkový okruh? 5. K čemu slouží ochrana uvedením na stejný potenciál? 6. Co je nadproudová ochrana? 7. Jaká je funkce pojistky v obvodu? 8. Jaká je funkce jističe v obvodu? 9. Do jakého proudového rozsahu se ve starších bytech používají pojistky na světelný okruh? 10. Do jakého proudového rozsahu se ve starších bytech používají pojistky na zásuvkový okruh? 11. Do jakého proudového rozsahu se v bytech používají jističe na světelný okruh? 12. Do jakého proudového rozsahu se v bytech používají jističe na zásuvkový okruh? 13. Kde se používají nožové a skleněné válcové pojistky? 14. Jaké známe druhy jističů? 15. K čemu slouží přepěťové ochrany? 16. Jaké je barevné značení vodičů ve střídavé soustavě? 17. Jaké je barevné značení vodičů ve stejnosměrné soustavě? 18. Význam druhu písmen u značení kabelů. 19. Zakreslete zapojení vypínače na světelný okruh. 20. Jak se zapojují vodiče na zásuvku? 21. Jak se zapojují vodiče na zástrčku (kolík) 51

3. kapitola Elektrický obvod a jeho prvky 3.1

Vedení elektrického proudu v kovech

Elektrický proud v kovech vedou volné elektrony v krystalické mřížce kovu. Stejnosměrný elektrický proud je pohyb volných elektronů v kovu jedním směrem. Technický směr proudu je stanoven od + pólu k – pólu zdroje napětí. Technický směr proudu je směr pohybu kladného náboje v obvodu (směr proti pohybu elektronu). Velikost elektrického proudu I se určí výpočtem podle vzorce: I

ΔQ Δt

Q  I  Δt

Δt 

Q I

ΔQ je změna elektrického náboje (  označuje změnu veličiny), jednotka elektrického náboje je C, název jednotky je coulomb [kulomb], Δt je změna času, jednotka je s = sekunda. Obvodem protéká elektrický proud 1 ampéru (A), jestliže jím projde elektrický náboj 1 coulombu (C) za dobu 1 sekundy (s).

I S Hustota proudu (proudová hustota) se definuje jako vektor j, který je orientován ve směru pohybu kladného náboje a má velikost číselně rovnou velikosti proudu, který projde jednotkovou plochou.

Při výpočtech používáme i veličinu proudová hustota:

j =

Jednotkou je A  m 2 (v technické praxi se používá jednotka A  mm 2 ).

Cvičení 1 1.

Určete velikost elektrického proudu, který prochází vodičem, jestliže vodičem za 2 ms projde náboj 2 μ C . [I = 1 mA]

2.

Určete čas potřebný k průchodu elektrického náboje 2 μC vodičem, jestliže vodičem prochází elektrický proud 5 mA. [ Δt  0,0004s]

3.

Určete velikost elektrického náboje, který za čas 5 minut projde vodičem, kterým prochází elektrický proud 0,25 A. [Q = 75 C]

4.

Průměr vodiče je 0,226 mm. hustotě 4 A · mm -2. [I = 0,16 A]

Stanovte velikost proudu ve vodiči při proudové

52

5.

Určete velikost náboje, který projde vodičem za 1 den, jestliže vodičem protéká proud 20 mA. [Q = 1 728 C]

6.

Stanovte poloměr vodiče, jestliže při proudové hustotě 5 A· mm -2 prochází vodičem proud 10 A. [r = 0,8 mm]

3.2.

Elektrický obvod

Elektrický obvod je vodivé spojení elektrických prvků (rezistory, cívky, kondenzátory, žárovky aj.) se zdroji napětí. Ideálním rezistorem rozumíme zařízení, v němž při průchodu proudu vzniká jen tepelná energie. V ideální cívce se vytváří jen magnetická energie a v ideálním kondenzátoru se vytváří jen elektrická energie. Všechny tyto prvky jsou pasivní (nemohou být trvalým zdrojem energie) a jsou lineární (nejsou závislé na proudu a napětí). Aktivní prvky jsou zdrojem energie a jsou nelineární (závisí na velikosti proudu a napětí). Samozřejmě, že ideální prvky jsou modely, které v praxi nenajdeme, ale dají se na nich modelovat určité děje za určitých podmínek. Každý elektrický obvod si lze představit jako kombinaci pasivních a aktivních prvků. Skutečné prvky používané v praxi mají vždy i vlastnosti jiných parametrů, což se vyjadřuje náhradními schématy. Například každá cívka má kromě indukčnosti i odpor. Lze ji proto nahradit cívkou a rezistorem zapojenými sériově, nebo paralelně. Prvky splňují funkce, které jsou od obvodu požadovány, například zesílení signálu, vytváření elektromagnetických vln, apod. Obvod může mít malou velikost integrovaného obvodu, nebo je zapojen do větší elektrické sítě. Pokud je dráha, tvořená elektrickým obvodem, uzavřena, pak se jedná o uzavřený obvod, pokud je v obvodu otevřen spínač, pak se jedná o otevřený obvod. Jednotlivé součásti, ze kterých se skládá elektrický obvod, bývají propojeny pomocí vodičů. Typickým příkladem jednoduchého elektrického obvodu může být baterie (elektrický zdroj), vodiče, tlačítko (spínač, vypínač) a žárovka (spotřebič) (obr. 3.2.1). Ve většině případů je situace mnohem komplikovanější, protože běžný spotřebič se může skládat z desítek, stovek nebo tisíců součástek, z nichž mnohé mohou uvnitř realizovat komplikovaná zapojení skládající se ze stovek, tisíců nebo i milionů prvků. Elektrický obvod rovněž často obsahuje více zdrojů (např. propojené bateriové zdroje) a více vypínačů pro odpojování a přepojování různých částí obvodu. Aby elektrickým obvodem procházel elektrický proud, musí obvod splňovat tři podmínky: 1) Musí obsahovat zdroj napětí 2) Musí obsahovat spotřebič 3) Mezi spotřebičem a zdrojem napětí musí být vodivé propojení Spotřebič se zdrojem musí být vodivě propojen

53

Cvičení 2 Kterým ze čtyř obvodů bude podle uvedených pravidel procházet trvale elektrický proud? Proč? (viz. Obr. 1.3) 1.

2.

3.

4.

Obr. 1.3 Obvody pro cvičení 5 Na dalších dvou obrázcích je znázorněn skutečný obvod a obvod nakreslený pomocí elektrotechnických značek.

Obr. 2.3 Skutečný elektrický obvod

3.3

Obr. 3.3 Elektrický obvod zakreslený značkami

Zdroje elektrického napětí a proudu

Zdroje elektrického napětí a proudu rozdělujeme na: a) zdroje stejnosměrného napětí a proudu – galvanické články a dynama b) zdroj střídavého napětí a proudu – alternátor c) Zdroje dále dělíme podle napěťových hladin, na které jsou projektovány spotřebiče a přenosové soustavy.

54

3.3.1 Galvanické články Galvanický článek mění chemickou energii na elektrickou. Galvanický článek je složen z elektrod a jednoho nebo dvou elektrolytů. Na elektrodách vznikají chemické reakce, které jsou příčinou elektromotorického napětí článku. Galvanické články ke své činnosti využívají vedení elektrického proudu v kapalinách. Elektrický proud v kapalinách vedou iony, které vzniknou v kapalinách elektrolytickou disociací, což je rozpad látky na iony vlivem rozpouštědla. NaCl se ve vodě rozloží na iony Na   Cl  NaOH se ve vodě rozloží na iony Na   (OH)  HCl se vlivem vody rozloží na H   Cl  Záporný ion – anion vznikne odtržením elektronu z elektricky neutrálního atomu nebo molekuly a kladný ion – kation vznikne přidáním elektronu k elektricky neutrálnímu atomu nebo molekule. Elektrický proud v kapalině je usměrněný pohyb ionů. Ne každý roztok vede elektrický proud. Roztoky, které vedou elektrický proud, nazýváme elektrolyty, což jsou roztoky solí, kyselin a zásad. Cukr rozpuštěný v destilované vodě se nerozloží na iony, a proto nevede elektrický proud. Pokud elektrolytem vedeme stejnosměrný elektrický proud, pak na elektrodách dochází k vylučování ionů. Tomuto ději říkáme elektrolýza. Záporná elektroda se nazývá katoda a při elektrolýze se na ní vylučují kladné iony (kationy). Kladná elektroda se nazývá anoda a při elektrolýze se na ní vylučují záporné iony (aniony). Na katodě se při elektrolýze vylučuje vždy vodík nebo kov! Jestliže jsou elektrody z mědi, pak se na katodu vylučuje měď a z anody se měď vylučuje do roztoku při průchodu stejnosměrného proudu elektrolytem.

Obr. 4.3 Obvod na důkaz elektrolýzy 55

Pro vedení elektrického proudu v kapalinách platí Faradayovy zákony elektrolýzy:

1.

 A  Q

m

 A  I  Δ t ; g, kg

Hmotnosti látek vyloučených na elektrodách při elektrolýze jsou přímo úměrné elektrickému náboji, který prošel elektrolytem. m = hmotnost vyloučené látky (g; kg) A = elektrochemický ekvivalent ( g  C 1 ; kg  C 1 ) ; je to konstanta pro určitou látku a najdete ji v MFCH tabulkách. Elektrochemický ekvivalent je číselně roven hmotnosti látky v g (kg) vyloučené na elektrodách při průchodu elektrického náboje 1 C elektrolytem. Q = elektrický náboj (C); I = elektrický proud (A); t = čas (s)

A 

2.

Mm ν  F

;

g  C 1 , kg  C 1

Elektrochemické ekvivalenty látek jsou přímo úměrné jejich valárním hmotnostem. Valární hmotnost látky je číselně rovna podílu molární hmotnosti látky a jejího mocenství. Aby se vyloučil 1 val jakékoliv látky, musí elektrolytem projít náboj Q = F coulombů. Spojený Faradayův zákon 3.

m



Mm  Q  A  I  Δt ; ν  F

g, kg

Faradayova konstanta F je číselně rovna velikosti náboje, kterým se při jeho průchodu elektrolytem vyloučí na elektrodě 1 val látky. Faradayovy zákony platí pro velmi malé i velké proudy. Mm ν

se nazývá valární hmotnost (val); M m  molární hmotnost ( g  mol  1 ) ;

F = Faradayova konstanta = 96 500 C · mol – 1; ν = mocenství látky. Mocenství představuje množství elektronů v atomu prvku, které jsou schopny vytvářet vazbu s dalšími atomy. Určuje se z názvu sloučeniny a koncovky přídavného jména. Dusičnan stříbrný – koncovka přídavného jména je -ný, a proto je stříbro jednomocné. Síran měďnatý – koncovka přídavného jména je -natý, a proto je měď dvojmocná. Z chemie víte, že koncovky a čísla mocenství jsou tato: -ný = 1; -natý = 2; -itý = 3; ičitý = 4; -ečný, -ičný = 5; -ový = 6; -istý = 7; -ičelý = 8. Molární hmotnost látky (prvku) je hmotnostní číslo prvku, které vyčtete z periodické tabulky prvků. Pokusy se dá zjistit, že v okolí roztoků, které vedou elektrický proud, je magnetické pole, že se roztok průchodem elektrického proudu zahřívá a že platí Ohmův zákon po překročení rozkladného napětí Ur. U  Ur  R  I

56

Rozkladné napětí je potřebné k tomu, aby elektrolytem při elektrolýze procházel proud, protože rozkladné napětí překonává polarizační napětí, které vzniká při ponoření elektrod do elektrolytu, a polarizační napětí působí proti napětí zdroje. Galvanická polarizace elektrod závisí na jejich jakosti, na hustotě proudu, na jakosti elektrolytu, na teplotě a na době průchodu proudu elektrolytem. Jsou-li elektrody z kovu, jehož sůl je v roztoku, např. články Cu (CuSO 4 ) Cu , Ag (AgNO 3 ) Ag , prochází proud za každého napětí, protože elektrody nejsou téměř polarizované.

Obr. 5.3 Voltampérová charakteristika při vedení elektrického proudu elektrolytem Následkem polarizace elektrod odpor elektrolytu při průchodu stejnosměrného proudu elektrolytem nezměříme, protože polarizační napětí způsobuje zdánlivě větší odpor, než je ve skutečnosti. Polarizace nenastane ihned, ale až po určité době. K měření odporu elektrolytu používáme střídavého proudu, jehož směr se mění tak rychle, že se polarizační napětí nemůže uplatnit. Při měření se používá můstková metoda, avšak místo ampérmetru se používá jako indikátoru telefon, který svým tónem udává střídavý proud. Jsou-li odpory stejné, pak je hlasitost tónu v telefonu nulová. Řešený příklad 1 Určete, kolik gramů mědi se vyloučí při elektrolýze na katodě z vodného roztoku CuSO4, jestliže roztokem prochází proud 5 A po dobu 10 minut. Určete rovněž elektrochemický ekvivalent mědi. I=5A t = 10 min = 600 s M m Cu  63,54 g  mol  1 (Najdete v periodické soustavě prvků nebo v MFCHT) ν  2, protože to vyplývá z názvu sloučeniny = síran měďnatý Vypočteme elektrochemický ekvivalent mědi z 2. Faradayova zákona. A =

Mm ν  F



63,54  3,29  10 4 g  C 1 2  96 500

m  A  I   t  3,29  10  4  5  600  0,987 g

Na katodě se při elektrolýze vyloučí 0,987 g a elektrochemický ekvivalent mědi je 3,29  10 4 g  C 1 . 57

Tab. 3 Mocenství a elektrochemický ekvivalent látek

Látka cín

Sn

Mocenství Elektrochemický ekvivalent  A g  C 1 2 6,15  10 4

hliník Al

3

0,93  10 4

chrom Cr

3

1,80  10 4

měď

Cu

2

3,29  10 4

stříbro Ag

1

11,2  10 4

železo Fe

2

2,89  10 4

železo Fe

3

1,93  10 4

zinek

Zn

2

3,39  10 4

vodík

H

1

0,10  10 4

Cvičení 6 1. Kolik gramů stříbra se vyloučí při elektrolýze na katodě, jestliže elektrolytem je vodný roztok dusičnanu stříbrného a elektrolytem procházel proud 10 A po dobu 30 minut. [m Ag = 20,16 g] 2.

Určete výpočtem hodnotu elektrochemického ekvivalentu stříbra. [A = 11,19 g · C – 1]

3.

Určete, kolik železa se vyloučí elektrolýzou na katodě z vodného roztoku síranu železnatého, jestliže roztokem prochází proud 20 A po dobu 10 hodin. Určete hodnotu elektrického náboje, který prošel elektrolytem. [m Fe = 208,1 g; Q = 720 kC]

4.

Určete, kolik gramů vodíku se vyloučí na katodě při elektrolýze vody, jestliže vodou prochází proud 15 A po dobu pěti hodin. [m H = 2,7 g]

5.

Napište rovnice pro elektrolytickou disociaci KOH, KNO3, NaBr, HCl.

U galvanických článků musí být elektrody chemicky různé; přitom ušlechtilejší kov je vždy pólem kladným. Protože potenciálové rozdíly se mění s koncentrací, dostaneme galvanický článek i ponořením dvou elektrod ze stejného kovu do dvou různě koncentrovaných roztoků. Galvanické články jsou primární (článek se nedá znovu po vybití nabít) a sekundární (článek se dá znovu nabít). Dále se dělí na mokré a suché (podle elektrolytu). Parametry galvanických článků 1. druh článku – primární a sekundární 2. Ue = elektromotorické napětí (napětí naprázdno) – napětí na nezatíženém zdroji 3. Ri vnitřní odpor článku – v důsledku vnitřního odporu zdroje se po připojení na spotřebič naměří na zdroji svorkové napětí, které je vždy menší, než napětí naprázdno. Články s malým vnitřním odporem se nazývají tvrdé zdroje a články s velkým vnitřním odporem měkké zdroje. 58

4. elektrický výkon PV = množství energie, kterou je článek schopen dodat obvodu za jednotku času 5. kapacita zdroje – udává, kolik hodin můžeme ze zdroje odebírat proud 1A. Udává se v Ah (ampérhodinách) 6. měrná energie = podíl celkové energie a hmotnosti článku ( kJ/kg ) 7. hustota energie = podíl celkové energie a objemu článku ( MJ/ m 3 ) 8. životnost = doba odebírání energie z článku při běžném zatížení 9. nabíjecí proud a nabíjecí doba – pro sekundární články (akumulátory) 10. účinnost = podíl výkonu a příkonu 11. cena je ovlivněna náklady na výrobu a poptávkou na trhu Nejjednodušší a nejstarší je Voltův článek. Elektrody jsou ze zinku a mědi, elektrolytem je roztok kyseliny sírové. Elektromotorické napětí činí 1,05 V. Vně směřuje proud od mědi k zinku, uvnitř od zinku k mědi. V důsledku elektrolýzy se kladná elektroda z mědi pokrývá bublinkami vodíku, iony SO 4  dávají s iony Zn   síran zinečnatý ZnSO 4 , který přechází do roztoku. Zinku z elektrody ubývá a zinek se pokrývá bublinkami kyslíku. Vzniká polarizační článek + O (H2SO4) H -, jehož elektromotorické napětí působí proti EMN článku. Polarizační napětí může mít velikost až 1,68 V, takže výsledné napětí klesá na nulovou hodnotu. Aby k tomu nedošlo, v praxi se zabraňuje polarizaci tím, že se kladná elektroda, na které se vylučuje vodík, obklopí látkou, která okysličuje vodík na vodu. Daniellův článek má dva elektrolyty, roztok CuSO4 obklopuje měděnou elektrodu a roztok H2SO4 obklopuje elektrodu zinkovou. Elektromotorické napětí článku činí 1,1 V. Poněvadž se při práci článku vylučuje na kladné elektrodě měď, nenastává na ní žádná chemická změna, a proto nenastává polarizace. Článek dává stálé napětí. Plochá baterie je odvozena z Leclanchéova článku. Tři články s EMN 1,5 V jsou sériově propojeny. Anodou je uhlík, který je obklopen burelem (MnO2); ten okysličuje vylučující se vodík a tím se zabraňuje polarizaci. Katodou je zinek, elektrolytem je koncentrovaný roztok salmiaku, který je zapuštěn do zvláštní pasty. Elektromotorické napětí článku je 4,5 V. Olověný akumulátor je sekundární galvanický článek. Aby sloužil jako zdroj stejnosměrného napětí, musí se napřed nabít. Elektrody jsou olověné a elektrolytem je zředěný roztok kyseliny sírové. Při nabíjení se anoda pokrývá červenohnědým oxidem olovičitým ( PbO2) a katoda olovem. Z roztoku mizí voda a tvoří se kyselina sírová (roztok se stává koncentrovanějším). Vzniká galvanický článek + PbO 2 (H2SO4) Pb -. Při nabíjení vzroste elektromotorické napětí jednoho článku až na hodnotu 2,7 V. Při vybíjení elektrody nabývají původního stavu, mizí kyselina sírová a znovu se vytváří voda. Při poklesu napětí jednoho článku na hodnotu 1,85 V je nutné akumulátor znovu nabít. Pokud je napětí článku pod touto hodnotou, akumulátor se už znovu nenabije a v důsledku chemických změn se zničí! Elektromotorické napětí celého akumulátoru je 12 V. Ni – Cd akumulátor je sekundární galvanický článek, kde je kladnou elektrodou nikl a zápornou kadmium, elektrolytem je hydroxid draselný. Je to kvalitnější baterie, než olověný akumulátor. Ni – MH akumulátor je sekundární článek, kde M je kov, H je vodík. Jedná se o velmi kvalitní, nejedovatý akumulátor.

59

Tab. 4 Primární články Článek

Elektrody

Voltův

+ měď Cu - zinek Zn

Leclanchéův

+ uhlík C - zinek Zn

alkalický

+ burel - zinek Zn

zinkostříbrný

+ stříbro Ag - zinek Zn + burel - lithium Li

lithiový

Elektrolyt

Ue V

Em kJ  kg  1

EV MJ  m  3

Poznámka

k. sírová H2 SO4 salmiak NH4 Cl , burel MnO2 hydoxid draselný KOH

1

?

?

1. galvanický článek

1,5

240

450

obyčejné baterie

1,2

280

900

kvalitnější baterie

KOH

2,2

440

1 400

KOH

3,1

?

2 100

velmi kvalitní baterie dlouhá životnost

Tab. 5: Sekundární články Článek olověný akumulátor nikl – ocelový akumulátor (NiFe) nikl kadmiový alkalický akumulátor nikl vodíkový

3.3.1.1

Elektrody + PbO2 - Pb + nikl Ni - ocel

+ nikl Ni - kadmium Cd + nikl Ni - MH (M je kov)

Elektrol yt k. sírová H2 SO4

Ue V až 2,7

Em kJ  kg  1

EV MJ  m  3

140

240

KOH

1,2

?

?

hydoxid draselný KOH KOH

1,3

1,3

120

280

Poznámka tvrdý zdroj nízká účinnost

350

kvalitnější baterie, jedovatý

720

kvalitní akumulátory, nejedovatý

Alkalické RAM články

RAM je zkratkové slovo a vyjadřuje sousloví Rechargeable Alkaline Manganese, což v překladu znamená manganičitá znovunabíjecí baterie. Tato baterie byla vyvinuta týmem Battery Technologies Inc. (BTI) v Kanadě pod vedením Karla Kordesche, který je rovněž autorem původní technologie pro alkalické baterie z šedesátých let 20. století. Nová baterie RAM PURE ENERGY XL = energeticky čistá znovunabíjecí manganičitá baterie s prodlouženou životností (XL znamená EXtendee Life = prodloužený život) se skládá 60

z anody, která je tvořena slisovanými kroužky oxidu manganičitého (burelu), nasyceného grafitem za účelem zvýšení vodivosti. Tyto kroužky jsou zalisovány do poniklovaného ocelového kalíšku, který tvoří pouzdro. Anoda dále obsahuje přísady umožňující opakované nabití. Katodu tvoří želé nasycené práškovým zinkem. Povrch zrníček je ošetřen indiem. Vývod katody je ocelová pozlacená jehla s čepičkou, která je záporným vývodem. Separátor odděluje anodu a katodu, aby nedocházelo ke zkratu a mohly přitom probíhat chemické reakce. Separátor je z netkané textilie a celofánu. Vlastnosti RAM článků Pure Energy: – prodávají se plně nabité a jsou hned připraveny k použití – netrpí téměř vůbec samovybíjením a vydrží v nabitém stavu při nepoužívání 4 – 7let – netrpí paměťovým efektem a je vhodné je často dobíjet. Čím dříve je započato jejich dobíjení, tím menší chemické změny v nich nastanou a tím vyšší kapacitu mají pro další cyklus – počet nabíjecích cyklů je 50 - 200 – mají EMN 1,5 V – mají kapacitu 2 000 mAh u tužkového článku – snášejí vysoké provozní i nabíjecí teploty (až 600 C), což umožňuje jejich nabíjení solárními nabíječkami na přímém slunci – jsou ekologicky čisté (mohou se vyhodit do odpadkového koše) – dodávají se v rozměrech R6 AA (tužková) a R03 AAA (mikrotužková baterie). Tab. 6 Porovnání RAM článků s jinými zdroji napětí Parametr napětí Ue (V) kapacita (mAh) počet nabíjecích cyklů zachování min. kapacity 80 % paměťový efekt okamžitě použitelné obsah těžkých kovů

Alkalické baterie 1,5 až 2 400

Akumulátory NiCd 1,2 500 - 800

Akumulátory NiMH 1,2 1 500 – 2 400

RAM

RAM XL

1,5 1400 - 1600

1,57 až 2000

1

200

200

25 - 200

50 - 200

7 let

2 měsíce

1 měsíc

5 let

7 let

NE

ANO

minimální

NE

NE

ANO

NE

NE

ANO

ANO

Kadmium

Nikl a Kobalt

bez t. k.

bez t. k.

bez těžkých kovů

Použití RAM a RAM XL v praxi: fotoaparáty, blesky, kapesní svítilny do odběru proudu 1 A, pagery, operátory, navigace, minipočítače, digitální hry, dálkové ovladače, měřicí přístroje, zálohy dat, ... Dynamo je točivý elektrický stroj, který mění mechanickou energii na elektrickou. Skládá se z pevné části statoru a otáčivé části rotoru. V magnetickém poli statoru se otáčí rotorové cívky. V cívkách se indukuje střídavé napětí, jež je pomocí komutátoru vyvedeno na vývody dynama. Komutátor (mechanický usměrňovač) přepíná póly cívky tak, aby bylo na vývodech napětí stejné polarity. Protože vinutí rotoru má více cívek, jejichž napětí se sčítá, je výstupní napětí dynama téměř stejnosměrné s malým zvlněním. Napětí dynama je závislé na otáčkách n a magnetickém toku statoru Φ. U=knΦ , kde k je konstanta dynama, která závisí na způsobu vinutí a počtu závitů cívek. 61

3.3.2 Zdroj střídavého napětí a proudu Alternátor je točivý elektrický stroj, který mění energii mechanickou na energii elektrickou. Funguje na principu elektromagnetické indukce. U jednofázového alternátoru smyčka rotuje úhlovou rychlostí v magnetickém poli, periodicky se mění magnetický indukční tok s časem a v důsledku toho se ve smyčce indukuje napětí. V praxi je rotorem magnet (elektromagnet) a statorem (nepohyblivou součástí) je vinutí cívky. Ve spotřebitelské síti má napětí frekvenci 50 Hz. Střídavá napětí o vyšších frekvencích než 50 Hz získáváme v elektronických oscilátorech. Trojfázový generátor má vinutí cívek statoru umístěno tak, že osy cívek svírají úhel 120 , což 2 je π rad. 3

Obr. 6.3 Alternátor Jestliže turbína nebo jiný pohon otáčí rotorem a v jeho budícím vinutí prochází stejnosměrný proud, vzniká točivé magnetické pole, které v trojfázovém vinutí statoru vyvolá (indukuje) trojfázové střídavé napětí. V cívkách se pak indukují napětí: u1  U m  sin(ω  t )

2π   u 2  U m  sin ω  t   3  

4π   u 3  U m  sin  ω  t   3  

u1  u 2  u 3  0 , součet napětí se vždy rovná nule.

Vinutím statoru prochází proud při připojení statoru ke spotřebiči. Přenos energie se děje čtyřmi vodiči (zapojení do hvězdy) a třemi v zapojení do trojúhelníka. V praxi se i v zapojení do trojúhelníka používá čtvrtý vodič jako ochranný.

62

a – zapojení do hvězdy b – zapojení do trojúhelníka L 1, 2, 3 jsou fázové vodiče; N je nulový vodič Obr. 7.3 Zapojení do hvězdy a trojúhelníku Ve spotřebitelské síti mají fázová napětí efektivní hodnotu 230 V (napětí mezi nulovým vodičem a kterýmkoliv fázovým vodičem). Napětí mezi kterýmikoliv dvěma fázovými vodiči je napětí sdružené, to má hodnotu 400 V. u1 , u 2 , u 3 jsou v obrázku fázová napětí, u 12 , u13 , u 23 jsou v obrázku sdružená napětí:

Uf 

US 3



400 3

 230 V Fázová i sdružená napětí mají číselně stejně velké efektivní hodnoty, které nám ukazují měřicí přístroje

U ef  U ef

Um

U m  U ef  2 , , U m  230  2  325 V , kde U m je maximální napětí. 2 je efektivní napětí, U f je fázové, U S je sdružené a U m je maximální napětí.

Obr. 8.3 Souměrné zatížení alternátoru v zapojení do hvězdy 63

Při souměrném zatížení se proud ve vedení rovná fázovému proudu ve fázích alternátoru i spotřebiče. Směr fázových proudů pokládáme za kladný ve směru od alternátoru ke spotřebiči. Proud ve středním vodiči má kladný směr od spotřebiče k alternátoru. Při souměrném zatížení trojfázové soustavy svírají fázory napětí a proudů úhel 1200 a impedance v jednotlivých fázích jsou shodné: Z U  Z V  Z W . Proud ve středním vodiči I N  0. Pro fázové proudy platí I U  I V  I W  0 a všechny proudy jsou stejné.

IU 

UU UV UW , IV  , IW  ZU ZV ZW

Středním nulovým vodičem, neprochází žádný proud.

Nesouměrné zatížení sítě je způsobeno připojením několika různých jednofázových spotřebičů. Například obytné domy jsou připojeny na čtyřvodičové vedení, avšak jednotlivé byty jsou připojeny vždy jen na jednu fázi. Nejčastěji dochází k tomu, že souměrný zdroj je zatížen nesouměrně, neboť je obtížné odhadnout zatížení jednotlivých fází spotřebiči obyvatel domu. Platí: IU  IV  IW  IN ZU  ZV  ZW

Při nesouměrném zatížení prochází středním vodičem proud IN, který má vždy hodnotu menší než ve fázových větvích. V sítích nízkého napětí se nesmí střední vodič (nulový) přerušit (má současně ochrannou funkci) a nesmí se do něj vřazovat ani vypínače, ani pojistky.

Obr. 9.3 Zatížení alternátoru v zapojení do trojúhelníku I UV 

U UV  IU  IV Z UV

I VW 

U VW  IV  I Z VW

64

W

I WU 

U WU  IW  IU Z WU

Přeměna stejnosměrného proudu na střídavý proud a naopak pomocí elektronických obvodů není v dnešní době problém.

Obr. 10.3 Funkční schéma roznětnice KRAB 1200 1 – čtyři kusy monočlánků (baterie) 4 x 1,5 V = 6 V 2 – měnič stejnosměrného proudu o napětí 6 V na střídavý proud o napětí 6 V 3 – transformace střídavého proudu o napětí 6 V na napětí až 1200 V 4 – měnič střídavého proudu o napětí až 1 200 V na stejnosměrný proud o napětí až 1 200 V 5 – akumulace energie v kondenzátoru po jeho nabití až na napětí 1200 V Použité elektroznačky: 1 – baterie; 3 – transformátor; 5 – kondenzátor; – střídavý proud; – stejnosměrný proud. Roznětnice KRAB 1 200 má elektrické obvody nejen pro transformaci a akumulaci elektrické energie, ale má další funkční celky, mezi které patří kontrola nabití výstupního kondenzátoru, výstupní spouštěč – spínač a omezovač dodávky proudu roznětnicí do proudového okruhu na 4 ms. Délka proudového impulzu má zamezit vzniku elektrických oblouků na strženém propojovacím vedení mezi náložemi po jejich aktivaci. Další důležitou kontrolkou roznětnice je kontrola stavu monočlánků, pokud je jejich energie vyčerpaná, musí se vyměnit za funkční. Problém s monočlánky odpadá u kondenzátorových roznětnic DBR – 12, kde získáme potřebnou energii pro roznět rozbušek mechanicky otáčením klikou alternátoru. Otáčení provádíme tak dlouho, až se rozsvítí kontrolka nabití výstupního kondenzátoru.

3.4

Elektrický vodič

Elektrický vodič je látka, která vede elektrický proud. Elektrický vodič musí obsahovat volné částice s elektrickým nábojem, což jsou u vodičů z pevné látky volné elektrony, u kapalin to jsou iony, u plynů iony a volné elektrony a u vakuových elektronek se přenáší elektrický proud pomocí termoemise – uvolněné elektrony ze žhavené katody. Vodič lze také definovat jako látku s rezistivitou pohybující se mezi 10-6 a 10-8 Ωm. V elektrotechnice se vodičem také označují vodivý drát, kabel, pásek nebo lanko, které se používají pro vodivé propojení součástek v elektrickém obvodu.

Obr. 11.3 Elektrický vodič 65

Dělení vodičů Podle mechanismu vedení elektrického proudu dělíme vodiče na 2 skupiny:  vodiče 1. řádu (kovy a uhlík ve formě grafitu). U těchto vodičů se přenosem náboje nemění jejich fyzikální a chemické vlastnosti  vodiče 2. řádu (roztoky a taveniny iontových solí, kyselin a zásad = elektrolyty) Proud přenášejí elektricky nabité částice zvané iony. Pohybem ionů dochází k přenosu částic na elektrody a chemickým změnám látky. Iony jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je menší, takže i vodivost je nižší.

3.4.1

Odpor vodiče a elektrická vodivost

Vodič má odpor 1  , jestliže vodičem prochází proud 1 A a na koncích vodiče je napětí 1 V. R

U I

R  ρ

l S

Rt  R0  (1  α Δt )  R0  (1  α ΔT )

Δt  ΔT

Číselná hodnota rozdílu teplot v °C a K (kelvinech) je stejná.

Pro měrný elektrický odpor (rezistivitu) platí vzorec:  t  ρ0  ( 1  α Δ t ) G

1 S   R l

je elektrická vodivost s jednotkou S (siemens)

Tab. 7 Veličiny a jednotky, které se používají při výpočtech hodnot veličin z Ohmova zákona a ze vzorců pro elektrický odpor Veličiny

Jednotky

R = elektrický odpor U = elektrické napětí I = elektrický proud ρ = měrný elektrický odpor = rezistivita

Ω V A

  m 1

  mm  m  μ  m Elektrotechnická praxe užívá jednotku Mikroohmmetr je rezistivita vodiče o ploše průřezu 1 mm2, délce 1 m a odporu 1 . 2

l = délka vodiče πd2 2  plocha průřezu vodiče S = πr  4

m

R0 = elektrický odpor při počáteční teplotě Δt,ΔT  rozdíl teplot  = teplotní součinitel elektrického odporu

Ω K (kelvin) K-1

G =

γ

m2

1 = vodivost R

S (siemens)

1 = měrná vodivost = konduktivita ρ

S  m  mm2  MS  m1

66

Tab. 8 Hodnoty teplotních součinitelů elektrického odporu látek

Látka  K 1

konstantan

rtuť

stříbro

měď

hliník

wolfram

železo

0,00005

0,001

0,0041

0,004

0,004

0,0045

0,0065

Tab. 9 Konduktivita a rezistivita některých látek

Látka stříbro měď zlato hliník wolfram zinek železo (ocel) nikelin konstantan grafit



 1

MS  m 65 59 45 37 18 17 17 2,38 2,04 0,0167

μΩ  m 0,0152 0,0178 0,0220 0,0267 0,0536 0,0591 0,0596 0,4200 0,4900 60

Nejlepší vodivost (konduktivitu) má stříbro. Jako vodič se však používá vzhledem ke své ceně výjimečně. Jako vodič nejčastěji používáme měď. Hliník cenově i váhově na daný průřez vychází lépe, je však křehký a hodí se jen na trvalé nehybné propojení. V důlních podmínkách u elektrických rozbušek používáme i ocelové, pocínované vodiče s izolací z PVC. Špatné vodiče (s malou vodivostí, resp. velkým odporem: uhlík, nikelin, konstantan, chromnikl a řada dalších převážně slitin) se hodně zahřívají a ve vodiči vzniká velké množství tepla. Takové vodiče se používají např. jako topné spirály v tepelných elektrických spotřebičích, které se rovněž označují jako odporové vodiče. V elektrotechnice se velmi často používá elektrotechnická měď, u které nás zajímá odpor vodiče při průřezu 1 mm2 při délce 1 m, což je rezistivita vodiče v μΩ m (viz. tabulka 8). Při teplotě, která se blíží 0 K se vodič nemá téměř žádný elektrický odpor a tomuto jevu říkáme supravodivost.

3.4.2 Ohmův zákon Elektrický proud procházející vodičem je přímo úměrný napětí na koncích vodiče při konstantním elektrickém odporu vodiče. Ohmův zákon

I

U R

U  R I

Tyto vzorce vyjadřují lineární závislost proudu na napětí při konstantním odporu. Vzorec

R

U I

je odvozen z Ohmova zákona

67

Je to výpočet ohmické konstanty vodiče (rezistoru), která nezávisí na velikosti proudu a napětí, protože odpor je vlastnost vodiče (rezistoru). Je to definiční vztah pro jednotku elektrického odporu. Vodič má odpor 1 ohmu, jestliže vodičem protéká proud 1 ampéru a mezi konci vodiče je napětí jednoho voltu. I je elektrický proud ; A (ampér) U je elektrické napětí ; V (volt) R je elektrický odpor ; Ω (ohm) Elektrický odpor je vlastnost vodiče, rezistoru (prvku).

Obr. 12.3 V-A charakteristika rezistoru s konstantním odporem

Toto je grafické vyjádření závislosti proudu na napětí u rezistoru, pro který platí Ohmův zákon. Rezistor má konstantní odpor, když zanedbáme jeho zahřívání. Schéma zapojení prvků v obvodu, na kterém ověřujeme Ohmův zákon. Tento obvod lze použít jen při malých odporech rezistoru. Pro měření se doporučuje použít hodnotu odporu rezistoru do 100 .

Obr. 13.3 Schéma zapojení pro ověření Ohmova zákona

Cvičení 3

Příklady na výpočet elektrického odporu

1. Jaká je hodnota velikosti elektrického odporu rezistoru, jestliže na něm naměříme 100 V a prochází jím proud 250 mA. [R = 400 Ω] 68

2.

Určete velikost napětí na rezistoru o odporu 2 kΩ, kterým prochází elektrický proud 100 mA. [U = 200 V ]

3. Určete velikost elektrického proudu, který prochází rezistorem o odporu 200 Ω, na kterém je napětí 100 V. [I = 0,5 A] 4.

Jak se změní hodnota elektrického odporu prvku v obvodu, jestliže se velikost napětí dvakrát zvětší, avšak velikost elektrického proudu zůstane stejná? [2  se zvětší]

5.

Jak se změní velikost napětí na rezistoru, jestliže velikost odporu zůstane stejná a velikost elektrického proudu se zmenší na polovinu? [2  se zmenší]

6.

Určete délku vodičů z mědi a hliníku, jejichž odpor je 200 Ω, plocha průřezu je 0,025 mm2 a ρCu  0,0178 μΩm , ρAl  0,0285 μΩm . [ l Cu  280,9 m; l Al  175,4 m]

7.

Určete velikost elektrického odporu vodiče o délce 28 090 m, který je z mědi a plocha průřezu vodiče má velikost 5 mm2. [R = 100  ]

8.

Určete měrný elektrický odpor (rezistivitu) a konduktivitu materiálu vodiče, který má délku 1 km, průměr vodiče je 3,57 mm, elektrický odpor má velikost 200 Ω. 1 [ ρ  2 μΩm,   0,5 MS ·m ]

9.

Určete velikost elektrického odporu vodiče při teplotě 50 C , jestliže při teplotě 20 C má velikost 50 Ω. ( α  0,0042 K 1 ) [ R50  56,3  ]

10. Určete velikost teplotního rozdílu u vodiče, který má při počáteční teplotě elektrický odpor 1,5 Ω a při konečné teplotě je velikost elektrického odporu vodiče 1,55 Ω, teplotní součinitel odporu α  0,005 K 1 . Δ t  6,7 C 11. Na čem závisí velikost elektrického odporu vodiče? 12. Co se stane s velikostí elektrického odporu vodiče, u kterého snížíme teplotu? 14. Ovlivňuje hodnotu elektrického odporu vodiče materiál vodiče? 15. Nakreslete V-A charakteristiku rezistoru, pro který platí Ohmův zákon. 16. Zkuste nakreslit závislost odporu na teplotě u kovového vodiče.

69

3.4.3 Teplotní délková roztažnost vodičů Teplotní délková (lineární) roztažnost vodiče je jev, při kterém se délka vodiče zahřátého na určitou teplotu roztáhne v daném směru o určitou délku, nebo se při ochlazení vodič zkrátí. Tento jev je pozorován u venkovního elektrického vedení, kdy za velkých letních teplot dochází k prodloužení vodičů a při poklesu teploty v zimě dochází ke zkrácení vodičů a někdy i k jeho přetržení. Rozepsáním změny délky lze vztah zapsat ve tvaru l  l 0  (1  t )

l0 je délka vodiče (m) při počáteční teplotě t0 (obvykle 0 °C nebo 20 °C). l je výsledná délka vodiče (m) t je rozdíl mezi konečnou a počáteční teplotou (°C, K)  je teplotní součinitel délkové roztažnosti (K-1)

3.4.4 Rozdělení vodičů podle izolace A. Holé vodiče Tyto vodiče se používají tam, kde za běžných podmínek (včetně tzv. podmínek jedné poruchy) nehrozí nežádoucí chování vodiče (bezprostřední ohrožení života a zdraví, zkrat apod.) nebo tam, kde je naopak žádoucí, aby vodivé jádro bylo přístupné přímo. Jsou to vodiče:  Holý měděný drát kruhového průřezu - užívá se k výrobě spojek uvnitř rozvaděčů  Měděné tyče obdélníkového nebo obecně nekruhového průřezu - na přípojnice uvnitř rozvoden, rozvaděčů, jako součást přípojnicových rozvodů, kterými se napájejí stroje v průmyslových provozech  Měděné pletivo - pás spletený z tenkých měděných drátků, používá se k propojení kovových dveří nebo oddělitelných krytů různých strojů a rozvaděčů  Trolejový drát - drát s rybinovou upevňovací drážkou, slouží jako vrchní napájecí vedení na elektrifikovaných drahách (tramvaje, trolejbusy, elektrifikované železnice, starší typy mostových jeřábů)  Lana pro vzdušná vedení VN a VVN, jádro je tvořeno pevným ocelovým lanem, opleteným hliníkovými vodiči  Hromosvodní drát - ocelový, žárově pozinkovaný drát průměru 8 až 10 mm používaný na svody systémů ochrany před atmosférickým přepětím  Zemnicí páska - ocelová, žárově pozinkovaná páska k uložení do základů budov a k propojení jednotlivých svodů bleskosvodu  Odporová vlákna ze slitin železa - pro žhavicí spirály žárovek, zářivek a elektronek  Odporové dráty (pásky) také ze slitin železa - pro topné elementy v zařízeních pro elektrické topení (akumulační kamna, vzduchové clony), případně jako brzdové odpory ve vozidlech elektrické trakce  Ostatní holé, neizolované vodiče o Kolejnice na elektrifikovaných železnicích, v metru a tramvajových tratích. Ocelové kolejnice tvoří jeden přívodní vodič, druhým přívodním vodičem je trolej, jako vrchní napájecí vedení o Vodiče vytvořené jako součást motivu plošného spoje

70

B. Izolované vodiče Pokud je to potřeba, bývá vlastní vodivý materiál obalen izolační vrstvou, jejímž účelem je zabránit zkratům, v agresivním prostředí prodloužit životnost vodiče, a zejména pak u vyšších napětí (nad 50 V~ a 60 V=) zabránit ohrožení osob. Vodiče s plastovou izolací Na jádro takového vodiče se za vysoké teploty (podle druhu materiálu zhruba od 130 po 420 °C) nanáší roztavený plast - nejčastěji měkčené PVC (běžné nebo bezhalogenové), pro kabely s vyšší teplotní odolností polyetylen, pro energetické kabely HFFR, EVA (etylenvinylacetát), polyamid, FEP, teflon atd. Specialitou pro vodiče s vysokou tepelnou odolností je izolace ze silikonového kaučuku, která se nanáší obdobně jako ostatní plasty, ale děje se tak za běžné pokojové teploty a teprve poté se izolace na vodiči vypaluje v horkovzdušném tunelu. Vodiče s minerální izolací Vodiče pro vinutí elektrických strojů točivých i transformátorů jsou obaleny tkanicí ze skelných vláken prosycených pryskyřicí. Izolační materiál je příbuzný materiálu, který se používá pro výrobu plošných spojů. Jde vesměs o vodiče větších průřezů obdélníkového tvaru. Vodiče s lakovou izolací Tyto vodiče se nazývají smaltované a používají se například pro vinutí elektromotorů a alternátorů - velmi dobře odolávají vysokým teplotám a mechanickému namáhání.  Lakované vodiče s tepelně odolným lakem - pro vinutí pracující za vyšších teplot (typicky v teplotních třídách H nebo C). Pro připojení konců vinutí z těchto vodičů je nutné izolaci mechanicky odstranit  Pájitelné (samopájitelné) vodiče - lak je stabilní při provozní teplotě, ale při zahřátí páječkou se rozteče a odkryje povrch vodiče. Při zapojování konců vinutí z tohoto typu vodiče není nutné mechanické odstranění izolace.  Spékatelné vodiče - mimo vrstvu, která funguje jako závitová izolace je vodič opatřen další vrstvou , kterou lze po navinutí tepelně vytvrdit, spéct. Tím se zlepší izolační vlastnosti výsledného vinutí a zvýší se mechanická tuhost vinutí. Tato úprava může v řadě případů nahradit vakuově-tlakovou impregnaci vinutí. Vodiče s textilní izolací Tato izolace může být nanesena opředením nebo opletením. C. Barvy izolace Izolace vodičů je různobarevná. Na základě přijaté ČSN IEC 757 jsou od roku 1996 definovány tyto základní barvy (v závorce používaná zkratka):  černá (č) - black (BK)  hnědá (h) - brown (BN)  rudá (r) - red (RD); český název "červená" barva se v kabelařině zásadně nepoužívá, aby nedošlo k záměně s pojmem "černá".  oranžová (or) - orange (OG)  žlutá (žl) - yellow (YE)  zelená (z) - green (GN)  modrá (m) - blue (BU)  fialová (f) - violett (VI)  šedá (š) - grey (GY)  bílá (b) - white (WH)  růžová (ru) - pink (PK)  zlatá (zla) - golden (GD) 71

tyrkysová (t) - turquoise (TQ) stříbrná (stř) - silver (SR) Kabelářská výroba pak přidala ještě další barvy, na které IEC v původním dokumentu z roku 1983 nepomyslel:  světle hnědá (sh) - tan (TA)  světle modrá (sm) - light blue (LB)  bezbarvá transparentní (tt) - transparent (TT). Barvy pak lze vzájemně kombinovat - jedna barva se použije jako základní (75 - 85 % povrchu) a druhá jako přístřiková (15 - 25 % povrchu). Toho využívají zejména výrobci automobilů - vzhledem ke stále rostoucímu množství elektrických obvodů v autech rostou i nároky na rozlišitelnost obvodů, a tak se dnes setkáváme již s několika stovkami typů kombinací. Ovšem v silových rozvodech existuje jediná přípustná barevná kombinace povolena pro žlutou a zelenou barvu, jejichž vzájemný poměr musí být mezi 30 a 70 % a které se smí použít výhradně jako ochranný vodič.  

Třídy teplotní odolnosti izolace Pro vinutí elektrických strojů točivých i netočivých je běžné udávat nejvyšší přípustnou teplotu písmenným kódem, takzvanou teplotní třídou (třídou teplotní odolnosti). Teplota se určuje měřením odporu vinutí. Tab. 10 Teplotní třídy izolací

Třída Teplota (ºC)

Y 90

A 105

E 120

B 130

F 155

H 180

C >180

1 – vodič; 2 – izolace; 3 – stínění; 4 – izolace

hnědý vodič – fázový – L1 žlutozelený vodič – ochranný – PE světlomodrý vodič – nulovací (střední) - N

Obr. 14.3. Elektrický vodič se stíněním

Obr. 15.3. Elektrický kabel

Cvičení 4 1.

Kde se používají holé vodiče?

2.

Vyjmenujte druhy izolací vodičů. 72

3.

Na jaký vodič se v sítích používá černě, hnědě a šedě, modře a žlutozeleně zbarvená izolace?

4. Jaký je význam velkých písmen na izolacích vodičů?

3.5

Elektrické spotřebiče

Elektrický spotřebič je elektrotechnická součástka, která mění (spotřebovává) elektrickou energii na jiný druh energie. Elektrický spotřebič spolu se zdrojem elektrického proudu je nejdůležitější částí elektrického obvodu. Toto zařízení se často skládá z více součástek a je kombinací různých druhů přeměn energií. Parametry spotřebičů Důležitým parametrem elektrických spotřebičů je elektrické napětí a elektrický příkon, který určuje, kolik elektrické energie za jednotku času spotřebič potřebuje k tomu, aby začal fungovat. Parametry bezpečnosti Parametry bezpečnosti (bezpečnostní předpisy) u elektrických zařízení jsou určeny k zabránění úrazům způsobeným elektrickým proudem. Proto jsou výrobci elektrických spotřebičů (i dovozci) povinni před uvedením výrobku na trh provádět základní zkoušky (dle ČSN 34 5610, ČSN 34 5611, …) a rovněž získat osvědčení autorizované zkušebny EZU Praha (Elektrotechnický zkušební ústav). Třída ochrany Elektrický spotřebič lze podle způsobu připojení v elektrické instalaci zařadit do některé ze tříd ochrany. Tab. 11 Třídy spotřebičů

Třída spotřebiče Třída ochrany 0

Popis + příklady Spotřebiče nemají pracovní izolaci a naše norma jejich užití zakazuje. …

Třída ochrany I

Spotřebiče mají pracovní izolaci a jsou opatřeny ochrannou svorkou nebo ochranným kontaktem. Patří sem: Pračka, sporák, žehlička, počítač, …

Třída ochrany II

Spotřebiče mají dvojitou nebo zesílenou izolaci a nemají (nesmějí mít) ochrannou svorku. Mají celý povrch buď z izolantu nebo mohou mít některé části kovové, avšak vždy oddělené zesílenou izolací. Patří sem: Holicí strojek, fén, vrtačka, bruska, …

Třída ochrany III

Spotřebiče se připojují k malému napětí, tedy k sítím SELV a PELV. Patří sem: Nízkovoltové žárovky, nízkovoltová elektrická zařízení v zahradnictví, lékařství, zemědělství, …

Stupeň krytí Krytí je konstrukční opatření, které je součástí elektrického spotřebiče. Poskytuje ochranu před dotykem s živými a pohybujícími se částmi. Rovněž však chrání spotřebič před poškozením, vnikem cizích těles a vody či vodních par.

73

Přeměna energií ve spotřebičích: a) změna elektrické energie na tepelnou – odporový drát nejčastěji ve formě topné spirály obsažené v tepelných elektrických spotřebičích: elektrický vařič, elektrická trouba, elektrický přímotop, pračka, elektrický bojler, rychlovarná konvice, ponorný ohřívač, kulma, fén, žehlička, elektrická rozbuška (obr. 3.12 a 3.13) apod. b) změna elektrické energie na mechanickou - elektromotor, kuchyňský robot, mixér, vysavač, elektrické čerpadlo, elektrická bruska, okružní pila elektromobil, startér, elektrická lokomotiva, vrtačka, soustruh, přehrávače, rekordéry, dopravníky, kombajny, nakladače, apod. c) změna elektrické energie na zářivou energii (energii některého z druhů elektromagnetického záření) - katodová trubice, zářivka, televizor, monitor počítače, digitální budík, kalkulačka, elektromagnetický dipól, mobilní telefon, infrazářič, mikrovlnná trouba, laser, GPS, LED apod. d) změna elektrické (elektromagnetické) energie na zvuk – reproduktor, rádio, televizor, sluchátka, telefon, elektroakustické hudební nástroje apod. e) změna elektrické energie na chemickou energii - zařízení pro elektrolýzu, galvanizaci, elektrická rozbuška apod. f) změna mechanické energie na elektrickou energii – generátory g) změna tepelné energie na elektrickou – termočlánek h) změna světelné energie na elektrickou – fotorezistor, fotodioda Elektronické spotřebiče Zvláštní skupinu tvoří elektronické spotřebiče, obsahující elektronické obvody, které nemusejí přímo měnit elektrickou energii na jiný druh energie, ale zpracovávají elektrické signály od vstupního zařízení do výstupního. Mezi elektronické spotřebiče patří počítač, mobilní telefon, přehrávač, rekordéry, gramofon, magnetofon, video, elektronické hudební nástroje, zesilovač, mixážní pult, kontrolní, řídicí a přenosové systémy apod.

Obr. 16.3. Elektrická rozbuška

1 – vodič; 2 – elektrická pilule; 3 – přenosová a zpožďovací nálož; 4 – roznětná nálož

Obr. 17.3 Řez elektrickou rozbuškou

74

3.6

Řízení elektrického obvodu

A. Řízení elektrických obvodů pomocí kontaktních přístrojů Nejjednodušším způsobem ovládání elektrických obvodů je využití kontaktních přístrojů. V úvodu třetí kapitoly na obrázku 3.3 je znázorněn elektrický obvod ovládaný vypínačem. Na obrázcích 21.2 až 24.2 v druhé kapitole jsou znázorněna elektrická schémata ovládání světelných okruhů pomocí vypínačů a přepínačů. Kontaktní přístroje rozdělujeme podle rozpojovaného napětí a proudu, druhu proudu (stejnosměrný a střídavý) a ovládané zátěže (zátěž ohmická, indukční a kapacitní).

Obr. 18.3 Elektrotechnická značka spínače (vypínače)

Obr. 19.3. Vypínač pro světelné okruhy

Obr. 20.3. Přepínač

Obr. 21.3. Stykač

Na obrázku 20.3 je přepínač, který slouží pro spouštění elektrických motorů do příkonu 3 kW pro trojfázový proud v zapojení do hvězdy a po rozběhu motoru s možností přepnutí do trojúhelníku. Spotřebiče o větším příkonu nad 3 kW, případně spotřebiče, které chceme ovládat dálkově nebo pomocí elektroniky, ovládáme pomocí stykače (obr. 21.3). Stykač je zařízení pro spínání nebo rozepínání elektrického spojení.

75

Obr. 22.3. Schematická značka třífázového stykače 1-2, 3-4, 5-6 jsou fázové kontakty, 11-12 jsou pomocné rozpínací kontakty a 23-24 spínací kontakty

1 – ovládací cívka 2 – pružina 3 – magnetický obvod (celé magnetické jádro i spodní část), vrchní pohyblivá část se jmenuje kotva 4 – pohyblivé kontakty

Obr. 23.3 Vnitřek stykače Stykače a relé mají podobnou konstrukci, princip i charakteristické parametry. Když přivedeme napětí na svorky cívky, vzniká magnetické pole a kotva s pohyblivými kontakty je přitažena. Pohyblivé kontakty se spojí s pevnými nebo se přeruší spojení. U stykačů jsou hlavní proudové kontakty spínací. Pomocné kontakty jsou spínací nebo rozpínací. Výměnou jednotlivých částí, například sady kontaktů nebo cívky, je možno stykač upravit pro jiné napětí nebo vybavit jiným typem kontaktů. Stykače se rozdělují do kategorií podle druhu proudu a použití. Příslušná kategorie musí být na stykači uvedena.

Obr. 24.3 Vnitřek kompaktní stykačové skříně 76

V důlních provozech pracují elektrické spotřebiče o příkonech v desítkách až stovkách kilowattů. Stykače pro uvedené příkony musí mít speciální kontakty opatřené zařízením pro zhášení oblouků, které vznikají zejména při odpojování indukčních zátěží. Na obrázku 24.3 je kompaktní stykačová skříň, která slouží pro ovládání tří elektrických zařízení. Sdružování více stykačů do jedné skříně je řešeno z důvodů úspory místa a finančních prostředků. Stykačové skříně v nevýbušném provedení jsou větší a dražší. B. Řízení elektrických obvodů bezkontaktními přístroji Pro spínání elektrických spotřebičů se využívá elektronických součástek, kterými mohou být spínací tranzistory, tyristory a triaky. Při tomto způsobu spínání nevzniká elektrický oblouk a nevzniká mechanické namáhání, proto jsou při vhodné konstrukci bezkontaktní spínače velice spolehlivé. Výhodou mohou být i malé rozměry těchto přístrojů a široké možnosti nastavení jejich funkce. Nevýhodou je větší odpor při sepnutém stavu a z toho vyplývající ztráty a zahřívání elektronických spínacích součástek. Ve vypnutém stavu je elektrický odpor mnohem nižší než u rozepnutého kontaktu, proto nelze bezkontaktní spínání použít pro bezpečné vypnutí elektrického zařízení – k bezpečnému vypnutí se použije hlavní vypínač, který svými kontakty mechanicky odpojí zařízení od zdroje. C. Výkonové spínače s elektronickým vypínáním Moderní výkonové spínače zahrnují i jističe a elektroniku zajišťující: · Ochranu před přetížením, · Ochranu před zkratem mezi aktivními vodiči, · Ochranu před zkratem na zem, před chybovým proudem na zem, · Ochranu před nesymetrickým zatížením fází, · Ochranu před podpětím a · Hlídání teploty, např. teploty vinutí motoru. Kromě toho jsou některé výkonové spínače vybaveny ukazateli (měřicími přístroji) fázových proudů, výkonu, účinku (cos j) a indikátory vypínacích funkcí. Pro dálkové sledování a řízení jsou moderní výkonové spínače vybaveny také komunikačním rozhraním, např. rozhraním RS 485, AS-I-Bus nebo PROFIBUS-DP. Moderní výkonové spínače zajišťují všechny běžné ochrany a předávají po datové síti informace o svém stavu.

3.7

Elektrické veličiny obvodu a jejich výpočet

Mezi veličiny, které je v elektrických obvodech nutné umět vypočítat, patří elektrický proud, napětí, elektrický odpor, rezistivita, konduktivita, celkový odpor obvodu při sériovém a paralelním zapojení spotřebičů, celkové napětí a proud při sériovém zapojení spotřebičů a zdrojů, práce a výkon elektrického proudu, účinnost zařízení a tyto výpočty je třeba aplikovat na pracoviště v dole.

3.7.1 Barevný kód rezistorů Na značení se používá 12 barev, které se v podobě úzkého proužku nanášejí těsně vedle sebe po obvodu válcového tělíska rezistoru. 77

Tab. 12 Význam barev proužků na rezistorech

Barva stříbrná zlatá černá hnědá červená oranžová žlutá zelená modrá fialová šedá bílá žádná

1. proužek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

2. proužek 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

Součinitel 10 2 10 1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 -

Odchylka  10%  5%  1%  2%  0,5%  0,25%  0,1%  20%

Při určování velikosti odporu rezistoru musíme nejdříve zjistit, na které straně tělíska jsou proužky naneseny blíže ke kraji – k čepičce. Tam je začátek barevného kódu a odtud se stanoví pořadí proužků k opačnému konci. První a druhý proužek zleva udává dvojčíslí, které patří do jmenovité řady hodnot. Třetí proužek určuje násobitel. Abychom se vyhnuli problémům, zapamatujme si následující radu: Za dvojčíslí připíšeme tolik nul, kolik udává číslo ve druhém sloupci, které patří barvě ve třetím sloupci. V praxi to znamená: třetí proužek je černý (0) - žádnou nulu nepřipisujeme hnědý (1) - připíšeme 1 nulu, násobíme deseti červený (2) - připíšeme 2 nuly, násobíme stem oranžový (3) - připíšeme 3 nuly, násobíme tisícem atd. Čtvrtý proužek značí dovolenou úchylku v procentech. Stříbrný a zlatý proužek patří vpravo, tedy na konec barevného kódu. Někdy však je problém správně vyhodnotit barvy (špatně se vytiskly, jiný odstín …). Největší jistota při správném určení odporu rezistoru – použijte ohmmetr! Řešený příklad 2 podle tabulky 12 Rezistor má odpor 35 000 Ω s odchylkou  5%

Obr. 25.3 Barevné značení hodnot odporu rezistoru

78

Cvičení 9 1.

Určete číselné hodnoty odporu rezistoru k52, 8k2, 6M8, 2M1, M43, 50, 430, 24k, 5M5, [520 Ω; 8 200 Ω; 6 800 000 Ω; 2 100 000 Ω; 430 000 Ω; 50 Ω; 430 Ω; 24 000 Ω; 5 500 000 Ω]

2.

Určete hodnotu odporu podle barevných proužků: 1. proužek žlutý, 2. proužek je oranžový, 3. proužek žlutý, 4. proužek zlatý. [R = 430 000 Ω s odchylkou  5%]

3.

Určete hodnotu odporu rezistoru podle barevných proužků: 1. proužek šedý, 2. proužek červený, 3. proužek hnědý, 4. proužek oranžový. [R = 820 Ω]

4

Hodnoty odporů rezistorů z příkladu 2 a 3 ověřte ohmmetrem.

3.7.2 Sériové a paralelní zapojení rezistorů a) sériové zapojení (za sebou)

b) paralelní (vedle sebe)

Obr. 26.3 Sériové a paralelní zapojení rezistorů

a)

I = konstantní

b)

U  U1  U 2

U = konstantní

I  I1  I 2

1. K. z.

1 1 1   R R1 R2

R  R1  R2

U paralelního zapojení se pro uzly používá 1. Kirchhoffův zákon (K. z.): Algebraický součet proudů v uzlu je roven nule: I – I1 – I2 = 0; I = I1 + I2 Platí znaménková dohoda: Proudy, které do uzlu vstupují, považujeme za kladné a proudy, které z uzlu vystupují, považujeme za záporné.

79

Příklady na sériové a paralelní zapojení rezistorů Cvičení 6 1.

Dva rezistory o odporech R1 = 50 Ω a R2 = 150 Ω jsou zapojeny do série na celkové napětí 100 V. Určete napětí na jednotlivých rezistorech, celkový proud a proud I1 a I2 a celkový odpor. [ U 1  25 V; U 2  75 V; I C  I1  I 2  0,5 A]

2.

Tři rezistory o odporech R1 = 20 Ω, R2 = 40 Ω, R3 = 80 Ω jsou zapojeny paralelně, kde celkový proud je 8,75 A. Určete celkový odpor, celkové napětí, U1 až U3, proudy I1 až I3. [ RC  11,43Ω; U = 100 V; I1  5 A; I 2  2,5 A; I 3  1,25 A]

3.

Čtyři rezistory o odporech R1 = 100 Ω, R2 = 50 Ω, R3 = 20 Ω, R4 = 15 Ω jsou zapojeny sériově. Elektrickým obvodem prochází celkový proud 2 A. Vypočítejte celkový odpor, celkové napětí a napětí na jednotlivých rezistorech. [ RC  185 Ω ; U C  370 V; U 1  200 V; U 2  100 V; U 3  40 V; U 4  30 V]

4.

Čtyři rezistory o odporech R1 = 20 Ω, R2 = 60 Ω, R3 = 150 Ω, R4 = 300 Ω jsou zapojeny paralelně. Celkové napětí je 30 V. Určete celkový proud a odpor v obvodu a proudy I1 až I4. [ RC  13,04 ; I  2,3 A; I 1  1,5 A; I 2  0,5 A; I 3  0,2 A; I 4  0,1 A]

3.7.3 Práce a výkon stejnosměrného elektrického proudu Pro práci elektrického proudu platí vzorec: W  U  I  Δt ; jednotka je J (joule) I = elektrický proud, U = elektrické napětí, Δt  změna času, Q = teplo Jestliže vodičem projde za 1 s elektrický proud 1 A a na koncích vodiče naměříme elektrické napětí 1 V, pak elektrická síla vykonala práci 1 J. Jouleův – Lenzův zákon W  U  I  Δt = Q Práce vykonaná elektrickým proudem ve vodiči je číselně rovna teplu, které vznikne konáním práce. Použijeme-li Ohmův zákon, pak můžeme psát vzorec ve tvaru:

U 2  Δt W  R  I  Δt   G  U 2  Δt  Q R 2

Výkon elektrického proudu: P 

, kde Q je teplo; J

U2 W U  I  Δt 2 s jednotkou W   U  I = RI = R Δt Δt (watt)

80

Zařízení má výkon 1 W, jestliže vykoná práci 1 J za dobu 1 s. V praxi se používají jednotky kilowatt megawatt gigawatt Účinnost:

η

= 1 kW = 1 000 W = 1 MW = 1 000 000 W = 1 GW = 1 000 000 000 W

Pv  číslo  1 bez jednotky nebo: Pp

η 

= 103 W = 106 W = 109 W

Pv  100  číslo % Pp

 = účinnost; bez jednotky, nebo v % Pp = příkon, je číselně roven energii dodané do soustavy za jednotku času; W PV = výkon, je číselně roven energii spotřebované soustavou za jednotku času; W η  1 perpetuum mobile - účinnost stroje  100%, což v praxi není možné, protože existují vždy nějaké energetické ztráty, které jsou způsobeny např. třením, teplem apod.

Cvičení 7 1.

Určete práci a výkon elektrického proudu, jestliže vodičem o odporu 14 Ω prochází elektrický proud 8 A po dobu 42 minut. [W = 2 257 920 J ; P = 896 W]

2.

Zařízení o odporu 100 Ω je připojené na napětí 100 V po dobu 30 minut. Určete práci elektrického proudu a jeho výkon. [W = 180 000 J; P = 100 W]

3.

Příkon zařízení je 5 kW, výkon 3 kW. Určete účinnost zařízení. [ η  60 %]

4.

Výkon zařízení je 2 kW. Určete příkon, jestliže účinnost zařízení je 70%. [Pp = 2 857 W]

5.

Odvoďte v praxi používanou jednotku kWh a určete 1 kWh = ? J. [1kWh = 3 600 000 J]

6.

Jak dlouho je elektrické zařízení připojeno ke zdroji napětí 50 V, jestliže práce elektrického proudu je 0,5 kWh a proud má hodnotu 200 mA? [ Δ t  180 000 s = 50 h]

7.

Jaký je rozdíl mezi výkonem a příkonem?

8.

Co je to účinnost?

81

3.7.4 Zapojování rezistorů zjednodušeně Při zjednodušování zapojení vycházíme ze zákonitostí pro sériové a paralelní zapojování rezistorů. Pak platí, že jakkoli složitý obvod z rezistorů jde zjednodušeně překreslit na sériové nebo paralelní zapojení rezistorů. Řešený příklad 3 Na vzorovém příkladu je vysvětlen postup řešení. Tento vzorový příklad je poněkud složitější. Je návodem, jak řešit i jednodušší příklady. V kombinovaném zapojení podle obrázku je zapojeno deset rezistorů o odporech R1 = 20 Ω, R2 = 20 Ω, R3 = 30 Ω, R4 = 50 Ω, R5 = 50 Ω, R6 = 150 Ω, R7 = 20 Ω, R8 = 40 Ω, R9 = 80 Ω, R10 = 100 Ω. Obvodem prochází celkový elektrický proud 3 A. Vypočtěte celkový odpor, celkové napětí, napětí U1 až U10 a proudy I1 až I10.

Obr. 27.3 Schéma k zadání vzorového příkladu

Všemi odpory protéká proud I = 3 A, protože při sériovém zapojení rezistorů je proud všude stejný. Pro celkový odpor platí: RC  R  R4  R  R  R10 (1) Odpor R  určíme jako celkový odpor 3 paralelně zapojených rezistorů R1 , R2, R3 podle vzorce: R  R3  R1  R3  R1  R2 1 1 1 1    = 2 R1  R2  R3 R R1 R2 R3

R 

R1  R2  R3 20  20  30 12 000 =   7,5  R2  R3  R1  R3  R1  R2 20  30  20  30  20  20 600  600  400 82

(2)

(3)

Napětí U  určíme z Ohmova zákona:

U   R   I c  7,5  3  22,5 V

Jelikož víme, že při paralelním zapojení je napětí konstantní, můžeme psát, že: U   U 1  U 2  U 3  22,5 V I1 pak spočítáme ze vzorce:

I1 

U  22,5   1,125 A R1 20

I2 

U  22,5   1,125 A R2 20

I3 

(4)

(5)

(6)

U  22,5   0,75 A R3 30

Kontrolu pro výpočet proudu provedeme pomocí 1. Kirchhoffova zákona pro uzel: I = I1 + I2 + I3 = 1,125 + 1,125 + 0,75 = 3 A I4 = IC = 3 A, neboť při sériovém zapojení je proud všude stejný (viz zjednodušené schéma)

(8)

U 4  R4  I C = 50 3 = 150 V

(9)

Dále určíme výpočtem R  jako výsledný odpor paralelně zapojených rezistorů R5 a R6:

1 1 1   R  R5 R6 Pro U  platí vzorec:

R 

R5  R6 50  150 7 500    37,5 Ω R6  R5 150  50 200

U   R   I C  37,5  3  112,5 V

(10)

(11)

Zase využijeme znalosti, že při paralelním zapojení je napětí konstantní a z toho vyplývá, že:

U   U 5  U 6  112,5 V

(12)

Pomocí Ohmova zákona spočítáme proudy I5 a I6:

I5 

U  112,5   2,25 A R5 50

(13)

I6 

U  112,5   0,75 A R6 150

(14)

Pomocí 1. Kirchhoffova zákona o uzlu provedeme kontrolu: I C  I 5  I 6  2,25  0,75  3 A

83

Spočítáme odpor R  podle vztahu platného pro paralelní zapojení:

1 1 1 1    R  R 7 R8 R9 R  

(15)

R7  R8  R9 20  40  80 640 000    11,43  R8  R9  R7  R9  R7  R8 40  80  20  80  20  40 3200  1600  800

U   R  I C  11,43  3  34,29 V = U 7  U 8  U 9

pro:

(16)

Spočítáme podle Ohmova zákona proudy I 7 až I 9 :

I7 

U  34,29   1,715 A R7 20

I8 

U  34,29   0,857 A R8 40

I9 

U  34,29   0,429 A R9 80

(17)

Podle 1. Kirchhoffova zákona pro uzel provedeme kontrolu výpočtu proudů:

I C  I 7  I 8  I 9  1,715  0,857  0,429  3 A Pro U 10 platí:

(18)

U 10  R10  I C  100  3  300 V

Pro RC z upraveného obvodu platí: RC  R   R4  R   R   R10

(19) (20) = (1)

R C  7,5  50  37,5  11,43  100  206,43 Ω U C  RC  I C  206,43  3  619,29 V

(21) = (4)

U C  U   U 4  U   U   U 10  22,5  150  112,5  34,29  300  619,29 V (22) Poslední vztah pro napětí platí pro sériové zapojení rezistorů zjednodušeného obvodu. Cvičení 8 1.

Určete celkový elektrický odpor soustavy zapojené podle obrázku, jestliže odpory rezistorů jsou R1 = 10 Ω, R2 = 20 Ω, R3 = 30 Ω, R4 = 50Ω, R5 = 150 Ω, R6 = 50 Ω, R7 = 100 Ω, R8 = 200 Ω. Zakreslete zjednodušené schéma zapojení rezistorů. [RC = 243,57 Ω]

84

Obr. 28.3 Schéma zapojení rezistorů k příkladu 1

2.

Celkový proud v předchozím příkladu je 5 A. Určete napětí na jednotlivých rezistorech. [UC = 1 217,85 V; U1 = 25 V; U2 = 50 V; U3 = U   U  = 75 V; U4 = 250 V; U5 = 750 V; U  = U6 = U7 = U8 = 142,85 V]

3.

Při použití výsledků výpočtů z příkladů (1) a (2) určete velikost proudů I1 až I8. [I1 = I2 =2,5 A; I3 = 2,5 A; I4 = I5 = 5 A; I6 = 2,587 A; I7 = 1,4285 A; I8 = 0,71425 A]

4.

Určete celkový elektrický odpor rezistorů zapojených podle obrázku, jestliže odpory rezistorů jsou R1 = 50 Ω, R2 = 200 Ω, R3 =25 Ω, R4 = 75 Ω. Nakreslete zjednodušené zapojení a do původního obrázku zakreslete proudy IC a I1 až I4. [RC = 58,75 Ω ]

Obr. 29.3 Schéma zapojení rezistorů k příkladu 4

5.

Celkové napětí v příkladu (4) je 118 V. Určete velikost celkového proudu v obvodu. [IC = 2A; přesná hodnota je 2,0085 A; dosadíte při výpočtu napětí v příkladu 6]

6.

Určete velikost napětí U1 až U4 a proudů I1 až I4 v příkladu 4. [U1 = U2 = 80 V; U3 = U4 = 37,5 V; I1 = 1,6 A; I2 = 0,4 A; I3 = 1,5A; I4 = 0,5 A]

7.

Určete celkový odpor rezistorů podle obrázku 30.3. Rezistory mají odpory o velikostech R1 = 50 Ω, R2 = 200 Ω, R3 = 75 Ω, R4 = 25 Ω. Rezistory R1 a R2 jsou zapojeny sériově a R3 a R4 jsou zapojeny paralelně. [RC = 268,75 Ω]

Obr. 30.3 Schéma zapojení rezistorů k příkladu 7

85

8.

Určete napětí na jednotlivých rezistorech z příkladu (7), proudy I1 až I4 a celkový proud, jestliže celkové napětí je UC = 1 075 V. [IC = 4 A = I1 = I2 = I´ ; I3 = 1A; I4 = 3A; U1 = 200 V; U2 = 800 V; U3 = U4 = U´ =75V]

3.7.5 Spojování zdrojů napětí Zdroje napětí můžeme spojovat do série, paralelně nebo smíšeně. Spojování zdrojů v sérii používáme pro získání vyššího napětí. Zápornou svorku zdroje spojujeme s kladnou svorkou dalšího zdroje.

Obr. 31.3

Pro stejné využití všech zdrojů je výhodné spojovat do série zdroje, které mají stejná napětí naprázdno a stejné vnitřní odpory. Výsledné napětí zdrojů je rovno součtu jednotlivých napětí zdrojů.

Paralelních spojení zdrojů se používá pro získání většího proudu. Spojujeme vždy spolu všechny kladné a záporné póly zdrojů.

Obr. 32.3

Pro správný chod zdrojů je nutné, aby měly všechny zdroje stejné napětí naprázdno a stejně velké vnitřní odpory, aby nevznikaly vyrovnávací proudy. Celkový proud je dán součtem proudů jednotlivých zdrojů.

A jak to pak vypadá v praxi? 86

A. Zapojování monočlánků do série

Obr. 33.3 Sériové zapojení zdrojů

Obr. 34.3 Značka baterie

Celkové napětí Stejnosměrné zdroje zapojujeme do série podle obrázku 33.3, záporný pól zdroje napojujeme na kladný pól následujícího zdroje. Na obrázku 33.3 znázorňují šipky směr svorkového napětí (ideálního napětí, kde nebereme v úvahu vnitřní odpor zdroje) Paralelní propojování zdrojů provádíme tehdy, když potřebujeme zvětšit proud. B. Sériové propojení roznětných náloží

Obr. 35.3 Ražené důlní dílo pomocí trhací práce po propojení roznětných náloží Řešený příklad 4 Na obrázku 36.3 je připraveno k odpalu 100 roznětných náloží s trhavinou propojených do série.

Obr. 36.3 Celkové schéma roznětného okruhu

87

Obr. 37.3 Elektrické schéma zátěží roznětného okruhu podle obrázku 36.3 RXC = odpor přívodního vedení XCYAR – 1,5, které tvoří dvě měděná lanka o průřezu 1 mm2 s rezistivitou 0,0178 µΩm (odpor vodiče 0,02 Ω na 1 m délky vodiče při jeho průřezu 1 mm2). Délka vodiče je 150 m a vedení se skládá ze dvou vodičů. Celkový odpor přívodního vedení pak vypočítáme podle vzorce

RXC 

  l XC  N

, kde  je rezistivita vodiče v µΩm (Ωm · m/mm 2), lXC je délka

S jednoho přívodního vodiče v m, N je počet přívodních vodičů a S je plocha průřezu vodiče v mm2.

  l XC  N

RXC 

S

0,0178 150  2  5,34  1



RPRV = odpor propojovacího vedení, které je z mědi, průměr vodiče je 0,5 mm, rezistivita činí 0,0178 µΩm. Délka vodiče je 20 m a vodiče jsou 2. Pro použití předchozího vzorce si ještě vypočítáme plochu průřezu vodiče podle vzorce

S

 d2 4



3,14  0,25  0,196 mm 2  0,2 mm 2 4

Propojovací vedení slouží k propojení konců přívodního vedení s roznětnou sítí. Celkový odpor propojovacího vedení vypočteme

RPRV 

  l PRV  N S



0,0178 20  2  3,63  0,196

RR = odpor okruhu rozbušek. Okruh rozbušek se skládá ze sto náloží a každá nálož má vlastní elektrickou rozbušku. Přívodní vodiče jsou buď z oceli o d = 0,6 mm, nebo z mědi o d = 0,5 mm. Ocel má rezistivitu 0,06 μΩ m a plochu průřezu vodiče 0,28 mm2, měď má rezistivitu 0,0178 µΩm a plochu průřezu 0,196 mm 2. Standardní délka přívodních vodičů je 3,4 m. RR  RPV  R P , kde R PV je odpor přívodních vodičů a R P je odpor pilule v rozbušce, který je v rozmezí

0,4 – 0,7 Ω. RPV z oceli je RPV 

  l PV  N S



0,06  3,4  2  1,46  a při RP = 0,7 Ω 0,28

Po odpor jedné rozbušky pak platí RR1  RPV  RP  1,46  0,7  2,16  a pro 100 rozbušek to je

RR1 100  216 

88

RCRO = Celkový odpor roznětného okruhu z obrázku 37.3 vypočteme podle vztahu RCRO  RXC  RPRV  100 R1 RCRO  5,34  3,63  216  225 

Celkovým odporem můžeme ověřit schopnost roznětnice daný okruh iniciovat. Rozbušky DeM-zb-S se zvýšenou bezpečností proti nahodilé iniciaci elektrostatickým nebo indukovaným proudem potřebují pro iniciaci minimální proud 0,45 A. Roznětnice používané k elektrickému odpalu se nabíjejí na napětí 1 200 V. Možný proud I v řešeném roznětném okruhu ověříme výpočtem dle vztahu:

Požadavek minimálního proudu je tímto splněn a aktivační proud 2,12 A pro uvedené rozbušky je rovněž splněn. Uvedená výše aktivačního proudu musí být zajištěna po dobu 4 ms. Schopnost roznětnice dodávat aktivační proud po dobu 4 ms jsme schopni ověřit výpočtem pomocí přechodového jevu, což se však v praxi nepoužívá. V praxi je nutné znát povolenou výši odporu roznětného okruhu pro danou roznětnici. Odpor roznětného okruhu při odpalu si střelmistři ověřují ohmmetrem. Tab. 13 Hlavní parametry kondenzátorových roznětnic Typ roznětnice

m kg

C μF

E J

U V

KRAB - 1200 DBR – 12 SCHAFFLER 808 SCHAFFLER 844

3,50 2,20 3,20 6,70

16 25 10 16

18,0 5,0 14,6

1200 1200 1000 1350

mezný odpor R pro rozněcovadla S  250 430 195 370

poznámka důl. bezp. důl. bezp. důl. bezp. důl. bezp.

C. Propojování spotřebičů paralelně Paralelní propojování spotřebičů využíváme zejména u tvrdých zdrojů, například spotřebiče v domácnosti připojujeme na jeden zdroj (obr. 38.3).

Obr. 38.3 Paralelní světelný okruh V domácnosti je zdrojem elektrické energie veřejná elektrická síť 230 V o napětí působícím mezi fázovým vodičem L1 a nulovacím vodičem N. Celkový příkon jednotlivých žárovek o příkonu 75 W sčítáme podle vztahu

89

PC  75  75  75  75  75  300 W

U spotřebičů musíme z důvodu jištění znát odebíraný proud. Pokud by spotřebiče odebíraly větší proud než je jmenovitý proud jistícího prvku, ten odpojí přívod proudu. Odebíraný proud můžeme vypočíst z celkového příkonu:

I

PC 300   1,3 A U 230

Na světelné okruhy v domácnostech používáme jističe na jmenovitý proud 10 A, což pro daný případ plně vyhovuje. Elektrické rozbušky čistě paralelně nezapojujeme, pokud nemáme nízkonapěťovou roznětnici a nezapojujeme menší počet elektrických rozbušek. Při zapojení sta rozbušek paralelně bychom potřebovali iniciační proud 212 A, přívodní a propojovací vodiče by musely mít průřez několik desítek milimetrů čtverečních, což je v podstatě kabel. Tento způsob by byl pro praxi nepoužitelný. D) Sérioparalelní zapojení spotřebičů Při hloubení jam by počet elektrických rozbušek zapojených do série překročil mezní odpor pro rozněcovadla, která by nedostatečným proudem nebyla iniciována. V tomto případě jsme nuceni rozněcovadla zapojit sérioparalelně. Vhodné je, aby byl v každé samostatné větvi stejný počet rozněcovadel, pak jejich celkový odpor klesne na polovinu a iniciační proud se zdvojnásobí, což může být dostatečné. Při rozdílném počtu rozněcovadel v jednotlivých větvích odebere větší část energie roznětnice větev s menším počtem rozněcovadel. Větev s větším počtem rozněcovadel obdrží menší náboj z roznětnice, který nebude stačit na iniciaci a dojde k selhávce.

Obr. 39.3 Sérioparalelní zapojení rozněcovadel Řešený příklad 5 Pro 100 rozbušek sériově propojených vychází odpor 216 Ω. Když máme dva rozbuškové obvody o sto rozbuškách propojeny paralelně, pak je jejich odpor (obr. 39.3) RC  I

RR1  RR2 216  216  RXC  2 RPRV   5,34  7,26  120,6  RR1  RR2 432

U ROZN. 1 220   10,12 A RC 120,6

Na stránce 63 máte vysvětleny příklady na sérioparalelní zapojení spotřebičů.

90

4. kapitola Elektrické teplo a světlo Elektrické tepelné spotřebiče

4.1

Elektrické tepelné spotřebiče využívají jevu, kdy průchodem elektrického proudu koná elektrický proud práci, která je číselně rovna vzniklému teplu, což popisuje Jouleův - Lenzův zákon

W  U  I  Δt = Q

Použijeme-li Ohmův zákon, pak můžeme psát vzorec ve tvaru:

U 2  Δt W  R  I  Δt   G  U 2  Δt  Q , kde Q je teplo; J R 2

Množství tepla, které vznikne ve vodiči za 1 s průchodem elektrického proudu, je přímo úměrné elektrickému odporu vodiče a čtverci proudu. (J.P. Joule 1841) Ze vzorce vyplývá, že když má zařízení velký odpor a protéká jím velký proud, pak i vzniklé teplo je velké. Rovněž při výpočtech používáme vzorec pro výpočet elektrického odporu v závislosti na teplotě. Rt  R0  (1  α Δt )  R0  (1  α ΔT )

, kde ΔT  t

A vzorec pro rezistivitu v závislosti na teplotě

 t  ρ0  ( 1  α Δ t ) Ještě jednou připomínám tepelné spotřebiče uvedené na straně 64, u kterých je vznik tepla žádoucí: -

odporový drát, nejčastěji ve formě topné spirály obsažené v tepelných elektrických spotřebičích: elektrický vařič, elektrická trouba, elektrický přímotop, pračka, elektrický bojler, rychlovarná konvice, ponorný ohřívač, kulma, fén, žehlička, elektrická rozbuška, klasická žárovka s wolframovým vláknem

-

tavné pojistky a bimetalový pásek v jističi

-

mikrovlnné záření v mikrovlnné troubě, které rozkmitá atomy látky na větší rychlost a tím se látka zahřeje

U těchto zařízení je vznik tepla nežádoucí: -

každý vodič se průchodem elektrického proudu zahřívá

-

elektromotor

-

počítač

-

zahřívání elektronických spínacích součástek 91

-

stykače musí mít speciální kontakty opatřené zařízením pro zhášení oblouků, které vznikají zejména při odpojování indukčních zátěží

-

transformátor

Řešený příklad 6 Žárovkou zapojenou na spotřební síť 230 V prochází při teplotě vlákna 2 500 C proud 0,272 A. Jak velký je nárazový proud v okamžiku rozsvícení žárovky (při 20 C ), je-li teplotní součinitel odporu wolframu 0,0045 K-1. (Vzorový výpočet)

U = 230 V t1 = 20 °C t2 = 2 500 °C I = 0,272 A   0,0045K 1 In = ? A ───────── Řešení: Odpor Rt při svícení je:

Rt =

U 230   845,59  I 0,272

Δt  t 2  t1  2 500  20  2 480 C Odpor R1 při zapnutí žárovky určíme ze vztahu:

R1 

Rt  R1  (1  α Δt )

845,59 845,59 Rt  69,54  = = (1  α  Δt ) (1  0,0045 2480) 12,16

Nárazový proud při zapínání je:

In 

U 230   3,31A R1 69,54

Je to přibližně dvanáctkrát více než při svícení, a proto se vlákno žárovky při sepnutí obvodu často přepálí. Velmi důležité je rovněž dotahovat všechny šroubky u vypínačů. Při nedotažených šroubcích dochází k vytvoření elektrického oblouku a následně pak i k požáru.

92

4.2

Vedení elektrického proudu v plynech

Plyny jsou za normálních podmínek nevodivé. Aby v plynu vznikly volné nosiče elektrického náboje (iony a volné elektrony), musí na plyn působit ionizátor, který z elektricky neutrálních molekul plynu odtrhne elektrony, a proto vzniknou volné nosiče elektrického náboje – elektrony a iony. Ionizátorem je kterékoliv záření, které má dostatečně velkou energii na uvolnění elektronu z molekuly plynu – tepelné, elektromagnetické, ... Vedení elektrického proudu v plynu je: a) nesamostatný výboj – iony a volné elektrony vzniknou pomocí vnějšího zdroje energie (záření) a po odstranění ionizátoru výboj zanikne, protože dochází k opětovnému sloučení elektronů a kladných ionů (k rekombinaci), b) samostatný výboj – výboj v plynu pokračuje i po odstranění ionizátoru, protože uvolněné částice způsobují další ionizaci nárazem na molekuly plynu, u kterých se ještě elektrony neuvolnily. Pro práci (energii), která z molekuly vytrhne elektrony, platí W  E  W i , kde Wi je ionizační práce: Wi  e  U i . Vhodnými částicemi na ionizaci plynu jsou elektrony, protože při malé hmotnosti vzhledem k molekulám plynu dosahují velkých rychlostí, a proto uvolňují elektrony snadněji než jiné částice. Počet srážek je přímo úměrný hustotě plynu, a proto i počet uvolněných elektronů na hustotě plynu závisí.

Obr. 1.4 Voltampérová charakteristika výboje v plynu

Pokud máme plyn v trubici s elektrodami, na které přivádíme napětí, pak v ionizovaném plynu s rostoucím napětím proud roste. Při U  U n platí I  U a při určitém napětí Un přestane rekombinace a všichni nositelé náboje přejdou na elektrody (dosáhne se hodnoty nasyceného proudu In). Pokud proud dále stoupá, pak je příčinou další ionizace ionizátor, 93

nebo jde o ionizaci nárazem. Toto se děje při U  U Z ( U Z je zápalné napětí). Velikost zápalného napětí závisí na tlaku plynu a druhu plynu. Za nižšího tlaku roste střední volná dráha částic, tím se získá větší kinetická energie částic, která je potřebná k ionizaci nárazem, a proto je za nižšího tlaku plynu zápalné napětí menší. Při U  U Z dochází ke vzniku samostatného výboje v plynu. Samostatný výboj v plynu za nízkého tlaku se často nazývá doutnavým výbojem. Při tlaku asi 5 332,9 Pa se v trubici objeví úzký, hadovitě se vlnící červený pruh, který vychází z anody, ale nesahá až ke katodě. Při dalším snižování tlaku v trubici se barevný pruh rozšiřuje a zkracuje – vzniká anodový sloupec, který je od katody oddělen tmavým Faradayovým prostorem, a na katodě se objeví doutnavé katodové světlo. Dalším snižováním tlaku anodový sloupec bledne, stává se vrstevnatým a katodové světlo pokrývá celou katodu. Při tlaku 2,67 Pa světelné jevy v trubici mizí a proti katodě se objeví žlutozelená fluorescence stěn trubice. Užití doutnavého výboje v praxi: – anodového světla se využívá ve světelných reklamách, protože anodové světlo sleduje zakřivení trubice, a rovněž ve výbojkách, které se upravují jako zářivky, – katodové světlo se využívá v doutnavkách (kontrolní světla na spínačích). Mají tvar žárovky, jsou plněny neonem pod tlakem 1 066,58 – 1 333,22 Pa a obsahují dvě blízké elektrody, buď ve tvaru prstence a kloboučku, nebo prstence a terčíku, nebo ve tvaru dvojité závitnice. Při stejnosměrném napětí je katoda obalena oranžovým světlem, při střídavém napětí svítí střídavě obě elektrody. Doutnavky potřebují velmi malý proud (0,1 mA), jsou proto velmi úsporné. Doutnavky slouží ke stabilizaci proudu i napětí, – ve spektrálních trubicích, které jsou uprostřed zúženy, nastává zde velká hustota proudu, a proto spektrální trubice vydávají velký jas. Trubice jsou plněny vodíkem, heliem, dusíkem, neonem, argonem, kryptonem, kyslíkem. Samostatný výboj v plynu za obvyklého a zvýšeného tlaku Ve vzduchu za normálního tlaku je potřeba k ionizaci elektrické pole o velké intenzitě (106 V.m-1). Samostatný výboj v tomto případě ovlivníme velikostí napětí. Tichý výboj (Towsendův) – iony vznikají v celém prostoru mezi elektrodami. Vzniká při velkém napětí mezi elektrodami. Je pozorován nad nejzakřivenějšími částmi vodičů (hroty stožárů, hroty věží – Eliášovo světlo). Intenzita elektrického pole je 4  106 V  m  1 . Tichý výboj, který se nazývá koróna, se tvoří na dálkovém vedení přenosu elektrické energie pro napětí větší než 100 000 V. Koróna způsobuje značné ztráty ve vedení, a proto se používá dutých vodičů, které mají při stejném odporu menší křivost. Jiskrový výboj je elektrický průraz plynu za normálního a vyššího atmosférického tlaku. Je to průchod velkého náboje při velkém napětí. Teplota jiskry je až 50 000 K. Každá jiskra je doprovázena praskotem, který je způsoben tím, že Joulovo teplo vyvinuté okamžitým velkým proudem vyvolá na výbojové dráze mimořádné ohřátí plynu. To vyvolá velký tlak a tlaková vlna způsobuje slyšitelný praskot. Napětí, při kterém dochází k jiskře, závisí na tvaru a vzdálenosti elektrod, na druhu plynu a tlaku plynu. Příkladem jiskrového výboje je blesk mezi dvěma mraky nebo mezi mrakem a zemí. Doba trvání blesku je 1 ms při napětí 109 V a tento výboj představuje energii 5 000 kWh. Obloukový výboj vzniká mezi uhlíkovými elektrodami, mezi mosaznými elektrodami (vypínače) a elektrický oblouk se využívá u svařování a u svítidel.

94

4.2.2 Fotometrické veličiny Fotometrické veličiny charakterizují přenos energie světelného záření a jeho účinek na zrak. Svítivost I bodového zdroje v daném směru definujeme jako podíl světelného toku   vyzařovaného zdrojem v tomto směru do malého prostorového úhlu  a velikosti tohoto prostorového úhlu.

I 

Φ Ω

jednotka je cd (kandela)

Zdroj má svítivost 1 cd, jestliže do prostorového úhlu 1 sr vyzařuje světelný tok 1 lm. Světelný tok Φ vyjadřuje intenzitu zrakového vjemu normálního oka vyvolaného energií světelného záření, které projde za jednotku času určitou plochou v prostoru, kterým se světlo šíří.

Φ  I  Ω  E  S

jednotka je lm (lumen)

Zdroj má světelný tok 1 lm, jestliže má svítivost 1 cd a vyzařuje do prostorového úhlu 1 sr. Osvětlení E je číselně rovno světelnému toku, který dopadá kolmo na plochu o obsahu S .

E 

Φ I   I  2  2 S r   r

jednotka je lx (lux)

E 

I  cos  r2

Plocha 1 m2 má osvětlení 1 lx, jestliže na ni dopadá světelný tok 1 lm. Osvětlení dané plochy závisí i na svítivosti zdroje I, na vzdálenosti plochy od zdroje a na úhlu dopadu světla na tuto plochu. Pro čtení je nutné osvětlení 500 lx, rýsování 1 500 lx, ...

Obr. 2.4 Prostorový úhel Ω

Obr. 3.4 Úhel dopadu

Prostorový úhel 

Ω 

ΔS r2

jednotka steradián (sr)

Světelná účinnost K je číselně rovna podílu světelného toku a zářivého toku. 95

K 

Φ Φe

jednotka (lm · W – 1)

Světelná účinnost se někdy také v literatuře nazývá měrný světelný výkon. Osvětlovací normy popisuje norma ČSN EN 13032-1. 4.2.3 Uplatnění plynu a výbojů v plynu u svítidel Žárovky jsou světelné zdroje, ve kterých vzniká světelné záření zahříváním vlákna žárovky na vysokou teplotu (3 653 K). Uvnitř skleněné baňky je buď vakuum, nebo směs vzácných plynů pro snížení odpařování wolframu. Wolfram, který se odpařuje, se usazuje na skle a černý povlak postupně snižuje hodnotu světelného toku. 100W vakuová žárovka má teplotu vlákna asi 2 450 K a halogenová žárovka asi 3 200 K. Žárovky jsou běžnými zdroji světla a halogenové nízkovoltové žárovky se používají v reflektorech motorových vozidel. Žárovky mají světelnou účinnost 7 – 8 %, zbytek energie je teplo. Životnost je přibližně 1 000 hodin. Světelná účinnost je 13,8 – 36 lm/W. Halogenové žárovky. Náplní těchto žárovek jsou páry bromu, fluóru nebo jódu pod nízkým tlakem. Páry na sebe vážou emitovaný wolfram a pak se opět usazují na rozžhaveném vlákně (halogenový cyklus). Tím se životnost žárovky prodlužuje na dvojnásobnou. Halogenové žárovky na 230 V dosahují větších výkonů (1 000 W), používají se ve fotografických reflektorech. Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, v nichž se ultrafialové záření výboje mění vrstvou luminoforu na světlo. Luminofor je prvek, který po dodání energie zářením následně vyzařuje viditelné světlo. Zářivka se skládá ze skleněné trubice, která je uvnitř pokryta luminoforem. Trubice naplněná argonem (někdy směsí s neonem) na tlak přibližně 400 Pa a parami rtuti má na obou koncích žhavené spirálovité wolframové elektrody pokryté oxidem barya, který snižuje zápalné napětí a zabraňuje rozprašování elektrod a zvětšuje intenzitu rezonančních čar rtuti.

Obr. 4.4 Zapojení zářivky

96

Doutnavkový zapalovač připojený do série s tlumivkou vytvoří napětí asi 1 000 V, dojde k zapálení obloukového výboje mezi elektrodami zářivky. Po zapálení výboje je střídavý proud omezován tlumivkou. Na induktivním jalovém odporu je úbytek napětí takový, že se výboj udržuje při napětí asi 80 V, které by nestačilo na zapálení výboje. Předřadné odpory zářivky se startérem a tlumivkou mají tepelné ztráty a způsobují fázový posun mezi proudem a napětím (cos  = 0,4). Elektronické předřadné obvody mají napětí usměrněno a ze stejnosměrného napětí spínaný zdroj vyrobí střídavé vysokofrekvenční napětí (35 kHz). Do žhavícího obvodu elektrod je umístěn termistor s kladným teplotním součinitelem odporu, který po zapnutí umožní nažhavení elektrod. Po zapálení prochází obvodem proud se jmenovitou hodnotou. Na vstupu obvodů zářivky kondenzátor funguje jako odrušovací člen, který zabraňuje pronikání rušivého vf – kmitočtu do napájecí sítě. Řídicí elektronika pro některé zářivky umožňuje provoz zářivky bez stroboskopického (blikavého) efektu a s účiníkem cos  = 0,95 bez nutnosti kompenzace. Při provozu zářivek na střídavé napětí bliká světlo s kmitočtem síťového napětí. Osvětlíme-li tímto světlem rotující kolo, jeví se kolo jako stojící. Toto je stroboskopický efekt, který je nebezpečný u točivých strojů v dílnách. Zářivky mají dlouhou životnost (8 000 – 12 000 h při četnosti spínání 8krát za 24 h) a velkou světelnou účinnost (40 – 85 lm/W). U standardní 40W zářivky se 21 % dodané energie přemění na světlo. Kompaktní zářivková svítidla jsou malá zářivková svítidla se šroubovací žárovkovou paticí na 230 V, nebo na nízké napětí s dvoukolíkovou paticí. Při stejném světelném výkonu jako klasická žárovka mají 4 - 5krát menší spotřebu energie a 8x větší životnost. Rtuťové výbojky se používají na osvětlení velkých výrobních a sportovních hal. Jsou to výbojky s luminoforem nebo bez něj, kde tlak rtuťových par je 105 Pa. Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké rtuťové výbojky, jejichž světlo vzniká zářením par rtuti a zářením produktů štěpení halogenidů (převážně jodidů), které určují barevnost světla. Poloha provozu je předepsána výrobcem. Mají větší světelný výkon než pouze rtuťové výbojky. Použití je stejné jako u rtuťových výbojek. Sodíkové nízkotlaké výbojky mají menší tlak par, ionizační i budící potenciály. Jsou provozovány jen ve vodorovné poloze a používají se k osvětlování silnic, kolejišť a přístavů. Sodíkové světlo je velmi dobře vnímáno zrakem. Sodíkové vysokotlaké výbojky se používají na osvětlení velkých prostorů. Náplň trubic tvoří xenon a amalgam sodíku. Zápalné napětí činí 2 kV a více. Výhodami jsou malé rozměry při velkém výkonu, dobrá barevnost, dlouhá životnost (přes 8 000 h). Světelné trubice jsou plynem plněné výbojky s nežhavenými elektrodami, vysokým zapalovacím i provozním napětím (1 000 – 10 000 V) a malým světelným výkonem. Používají se pro reklamní účely a barva světla závisí na druhu použitého plynu a druhu luminoforu. Jako nadproudové ochrany se používají tavné pojistky nebo jističe do 16 A. Pro vodiče se musí použít průřez minimálně 1,5 mm2. Výbojky mají velkou světelnou 97

účinnost 40 – 130 lm/W podle typu výbojky, dlouhou životnost a dobrou svítivost i na velkou vzdálenost. Cvičení 1 1.

Jak se nazývají volné nosiče elektrického náboje v plynech?

2.

Co to je ionizátor?

3.

Kdy v plynu nastává nesamostatný a samostatný výboj?

4.

Co to je zápalné napětí?

5.

Co je doutnavý výboj a kde se používá v praxi?

6.

Co je jiskrový a obloukový výboj a kde je pozorován v praxi?

7.

Srovnejte výhody a nevýhody žárovky a zářivky.

8.

Čím se liší kompaktní zářivkové svítidlo od klasické žárovky?

9.

Jak velký světelný tok má všesměrový zdroj světla tvaru koule, který má svítivost 4 cd? [ Φ  50,24 lm]

10. Jak velkou svítivost má všesměrový kulatý zdroj světla o světelném toku 12,56 lm? [I = 1 cd] 11. Kolik lumenů světelného toku musí mít žárovka, která kolmo osvětluje stůl o ploše 0,72 m2, aby osvětlení bylo 500 lx. [Φ  360 lm]

4.2.4 Osvětlení důlních pracovišť Jak bylo uvedeno v odstavci 4.2.2, osvětlovací normy popisuje norma ČSN EN 13032-1. Pro osvětlení důlních pracovišť dosud platí z roku 1996 normy ČSN 36 0050-1, 2 a 3 navazující na normu ČSN 36 0050 z roku 1983. Pro osvětlení důlních pracovišť musí být zpracován projekt, který určuje typ, množství a umístění svítidel pro dané osvětlované prostory. Řídící pracovníci při svých pochůzkách kontrolují funkčnost všech svítidel. Nefunkční osvětlení může být klasifikováno i jako příčina úrazu. Jako nefunkční se považuje svítidlo se svítivosti sníženou pod 80 %.

4.2.4.1

Termíny a definice

Pro projektování osvětlení v dolech platí následující termíny a definice:  dlouhé pole svítidel: podélně i plošně připevněná svítidla,  kompaktní svítidlo: malé a robustní svítidlo,  navrhovaný koeficient: koeficient, jehož velikost se řídí očekávanými světelnými poměry při použití navržených svítidel a především intervaly údržby; pro doly se udává p = 2,  referenční bod: místo na srovnávací rovině, ve kterém se zjišťují hodnoty osvětlení,  základní rovina pro jmenovitou intenzitu osvětlení: rovina, na níž se měří nebo určuje jmenovitá intenzita osvětlení. Základní rovinou pro jmenovitou intenzitu 98

osvětlení v podzemí je všeobecně počva, popřípadě podloží, pokud není uvedena jiná, důležitějším zrakovým úkolům odpovídající základní rovina.

4.2.4.2

Technické požadavky na osvětlovací zařízení

a) Kvalitativní znaky Kvalita osvětlení se posuzuje podle následujících znaků:  střední intenzity osvětlení  rovnoměrnosti rozdělení intenzity osvětlení  omezení oslnění  barvy světla a podání barev Zásadou je optimalizace ve všech uvedených znacích. V daném případě a v daných možnostech může příslušet zrakovému úkolu jeden nebo druhý jakostní znak. b) Svítivost a rovnoměrnost Pracovní místa musí být osvětlena tím intenzivněji, čím méně poznáváme podrobnosti a čím rychlejší jsou průběhy pohybů. V příloze A jsou uvedeny směrné hodnoty pro intenzitu osvětlení, které jsou považovány za postačující pro dané osvětlovací účely. Hodnotou se rozumí intenzita osvětlení Eη. Přihlédneme-li k úbytku světla následkem stárnutí světelných zdrojů a znečištěním svítidla, jsou tyto hodnoty při navrhovaném osvětlení násobeny navrhovaným koeficientem p = 2. Pro zrakové podmínky na pracovním místě je vedle střední svítivosti důležitá také rovnoměrnost rozdělení intenzity osvětlení. Měřítkem pro rovnoměrnost rozdělení intenzity osvětlení je poměr mezi minimální a střední svítivostí. Tab. č. 14 Svítivost stacionárních osvětlovacích zařízení v podzemí dolů Jmenovitá svítivost1) Účel osvětlení (zrakový úkol) Eη lx optické vedení 3 základní zřetelnost 6 v pracovním prostoru

Provozní příklad lokomotivní chodba porub, čelba

15

přehlednost

30

značení nebezpečí/redukování oslnění hlavovým svítidlem

oblast porubového vynášecího a nakládacího dopravníku Pásový pohon/montážní místo štítová výztuž

60 1202)

prostorový přehled

šachetní zarážky

200

detailní značení (bez hlavového svítidla)

opravářská a montážní oblast dílny

1)

K přihlédnutí úbytku světla znečištěním a stárnutím jsou hodnoty násobeny navrhovaným koeficientem p = 2, jehož velikost je určena podle pravděpodobných rizikových poměrů

2)

Svítivost zvolíme v závislosti na žádané přesnosti rozeznávání, velikosti poznávaných předmětů, rozsáhlosti prostoru, viditelnosti zhoršené prachem nebo vlhkostí a předvídaných intervalech údržby.

99

c) Omezení oslnění Pro přesnou práci usilujeme o poměr lepší než 1:3. Oko má konečné schopnosti detekce. Je schopné vidět při osvětlení 100 000 lx, ale také při osvětlení 0,1 lx. Oko však není v jedné scéně schopno vidět rozdílně osvětlené předměty s rozdílem osvětlení větším než 1:10. Poměr jasu 1:100 již způsobuje oslnění. d) Barva světla a podání barev Barva světla má jenom malý vliv na zrakový výkon očí, určuje ale podstatně příjemnost osvětlení. Z obvyklých používaných barev pro zářivky, a to barvy světla teplé bílé (TB), neutrální bílé (NB) a bílé denní světlo (DB), má být pro podzemí použita neutrální bílá. Osvětlené barevné předměty budou ovlivněny spektrálním složením světelného zdroje. Barevné reprodukční vlastnosti světelného zdroje jsou rozdělovány v odstíny. Odstín 1 je pro vysoké nároky. Se žárovkou je zajištěn barevný reprodukční odstín 3, při kterém jsou stále znatelná barevná bezpečnostní značení (příkazové a zákazové štítky), např. u elektrického vedení a trhavin. e) Požadované údaje svítidel a světelných zdrojů Používaná svítidla a zdroje světla musí splňovat tyto požadavky:  přípustné pracovní polohy  těsnosti proti prachu a vodě  křivky svítivosti  provozní účinnosti světla  rázové a vibrační pevnosti  mechanické pevnosti  odolnosti proti korozi  míry a hmotnosti  měrného výkonu světelného zdroje  životnosti  signálové stálosti ČSN 36 0050-1 určuje  barvu světla  barevný reprodukční odstín  zpožděné spínání  světelný tok světelného zdroje  nevýbušná svítidla musí splňovat požadavky kapitoly 21 ČSN EN 50014, kapitoly 17 ČSN EN 50018 a článku 4.3 ČSN EN 5001 f) Dlouhé pole svítidel Dlouhé pole svítidel se může používat pro celkové osvětlení v chodbách a prostorech. Provedení s osazením zářivkami je také vhodné pro pomocné poruby. g) Kompaktní svítidla Kompaktní svítidlo se může používat přednostně v porubech. Je také vhodné pro jiné stíněné prostory, např. pod pracovními povaly v ražení chodeb. h) Světlomet Světlomet je možno použít:  jako pevné zabudované zařízení na vozidlech a pojízdných pracovních strojích 100

 

k nepřímému osvětlení technicky problémové oblasti, např. předstihů ražených chodeb a přechodové oblasti porub/chodba k osvětlení vzdáleně ležících objektů, např. u jámy při prohlídce lana nebo při zavěšování břemen.

i) Podoby osvětlovacích zařízení Svítidla v podzemí nemohou být uspořádána výhradně podle světelně technických hledisek. Dostupné průřezy, vestavěná a provozní zařízení ztěžují výběr připevňovacích bodů a vyžadují kompromisy. Při umísťování svítidel je třeba zajistit aby:  svítidla byla chráněna před poškozením  světlo dopadalo bez překážky na užitečnou rovinu  bylo zabráněno oslnění  svítidla byla bez nebezpečí dosažitelná k údržbě. Dlouhé pole svítidel má být, pokud možno, umístěno souběžně s větrním proudem a to pro udržení co možná nejmenšího znečištění. Pokud jde o výšku zavěšení svítidel, je nutno zvážit to, že větší výška jednak rovnoměrně rozděluje intenzitu osvětlení a dává méně nebezpečné oslnění, na druhé straně ale zmenšuje svítivost na počvě a ztěžuje údržbu. j) Signalizování a výstraha spouštění Osvětlovací zařízení není určeno k signalizování. S jistým omezením je možné užití osvětlovacího zařízení dovrchních dopravníků pro výstrahu spouštění, pokud průběhy spouštění nejsou časté a kmitočet blíkání světelného zdroje je větší než 2 Hz. POZNÁMKA: Pro signalizování a výstrahu spouštění je dávána přednost akustickým zařízením. Při silném okolním šumu může být účelné optické signální zařízení. Potom má být používáno speciální signální svítidlo. k) Stroboskopický efekt Střídavým proudem napájené zářivky mohou u rotační strojní části simulovat menší počet otáček nebo zastavení. Tomuto stroboskopickému efektu zamezíme dvojitým zapojením nebo elektronickým předřadníkem (norma ČSN EN 60928, ČSN EN 60929). l) Zesvětlení Osoby a předměty jsou před jasným pozadím snadno postřehnutelné. Prostorově ohraničené plochy jsou proto podle možností zesvětlené. Bílý až jasně žlutý nátěr vozidla, stroje a jiného provozního zařízení (štítové výztuže) zlepšuje znatelnost předmětů. Vypřáškování pracoviště mletým vápencem (např. překladiště, nástupiště , montážní komory, čelby apod.) slouží nejen jako protivýbuchové opatření, ale podstatně zlepšuje viditelnost a tím využití světla. m) Údržba osvětlovacích zařízení Svítidla mají být čištěna v pravidelných časových intervalech, jakož i v případě potřeby. Pro usnadnění údržby mají být svítidla lehce a bez nebezpečí dosažitelná a světelné zdroje dobře přístupné. U dlouho životných osvětlovacích zařízení, např. v náražištích a dílnách, má být podle určených dob účinnosti prováděna výměna světelných zdrojů ve skupině se současným čištěním svítidla. Udržba osvětlovacího zařízení má být provedena, poklesne-li střední svítivost na 80 % jmenovité svítivosti.

101

Obr.5.4 Osvětlení náražiště

Obr. 6.4 Údržba (čištění) osvětlovacího tělesa Pravidelné čištění světel v dole je velmi důležité pro dobrou viditelnost na pracovišti! Rovněž je pravidelná kontrola osvětlení pracovišť důležitá i z hlediska bezpečnosti práce.

102

5. kapitola Elektrické stroje 5.1

Druhy elektrických strojů

Elektrické stroje jsou zařízení, která buď vyrábějí elektrickou energii, nebo ji ke své činnosti potřebují. Do první skupiny patří alternátor (str. 52) a dynamo (str. 51), jejichž činnost již byla popsána v předchozích kapitolách, a v druhé skupině jsou elektromotory a transformátor (str. 16).

5.2

Elektrické motory

Elektrické motory se používají v hornictví pro pohon dopravníků, dobývacích strojů, hydraulických agregátů, důlních lokomotiv, těžních strojů apod. Dělí se na stejnosměrné a střídavé podle toho, zda na stator přivádíme stejnosměrný nebo střídavý proud. Dále používáme univerzální motory, které se dají použít jak na stejnosměrný, tak i na střídavý proud.

5.2.1 Stejnosměrné motory Stejnosměrné motory mají tyto části: - stator - rotor - komutátor

Obr. 1.5 Řez stejnosměrným motorem Stator je nepohyblivá část motoru. Má kostru s hlavními póly s budicím vinutím. Rotor je pohyblivá část motoru. Je složen z plechů s izolační vrstvou, na povrchu rotoru jsou drážky, v nichž je uloženo vinutí a z něj odbočují vývody k lamelám komutátoru. Komutátor mění střídavý proud na stejnosměrný. Vlivem komutátoru je ve vodičích rotoru stále stejný směr proudu, a proto má magnetická síla Fm = B · I · l stále stejnou orientaci. B je magnetická indukce; T (tesla) I je elektrický proud; A (ampér) l je aktivní délka vodiče; m (metr) Fm je magnetická síla; N (newton), čte se [ňutn] 103

Podle vzájemného zapojení budicího a rotorového vinutí rozlišujeme stejnosměrné motory na: 1. s paralelním buzením 2. se sériovým buzením 3. s kompaudním buzením 4. s cizím buzením 1. Motor s paralelním buzením - budicí vinutí je připojeno paralelně k vinutí motoru. Budicí vinutí má velký počet závitů malého průřezu. Reostatem lze měnit budicí proud a tím se mění otáčky rotoru ve velkém rozsahu. Motor má ještě spouštěcí rezistor, u kterého se při rozběhu motoru odpor zmenšuje a při skončeném rozběhu je velikost odporu spoštěče nulová. Při spouštění motoru je odpor reostatu na budícím vinutí nulový a u spouštěče maximální. Motor má tvrdou charakteristiku, to znamená, že otáčky s rostoucím zatížením klesají jen nepatrně. Motor je vhodný pro všechny druhy průmyslových pohonů, zvláště pak pro automatizovaná zařízení. Používá se například u obráběcích strojů, dopravníků a dopravních prostředků. 2. Motor se sériovým buzením – má vinutí statoru a rotoru zapojeno sériově a proud, který oběma vinutími prochází, je stejný. Budicí vinutí má malý počet závitů o velkém průřezu. Motor má měkkou charakteristiku, to znamená, že otáčky s rostoucím zatížením výrazně klesají. Motor má velký záběrný moment, točivý moment s klesajícími otáčkami roste. Je to typický trakční motor, vhodný pro elektrická vozidla a transportní zařízení. 3. Motor s kompaundním buzením – má paralelní i sériové budicí vinutí. Podle toho, které z obou vinutí převládá, lze dosáhnout charakteristik blízkých buď motoru se sériovým, nebo paralelním buzením. Používá se na zařízení s velkými setrvačnostmi, jako jsou zdvihací, lisovací a válcovací stroje. Otáčky stejnosměrných motorů je možné regulovat těmito způsoby: -

-

-

změnou napájecího napětí rotoru – provádí se zařazováním odporu do obvodu rotoru. S rostoucím odporem otáčky klesají a naopak. Regulace se provádí na nižší otáčky, než jsou základní, a ekonomicky je výhodnější, má-li motor svůj regulovaný zdroj stejnosměrného napětí, změnou budicího proudu – při zvětšování budicího proudu otáčky klesají, budicí proud regulujeme zařazováním reostatu do obvodu budicího vinutí. Tento způsob používáme na zvětšování otáček nad základní otáčky. Ztráty jsou ve srovnání s výkonem motoru malé, kombinací obou předchozích způsobů, (reverze) – což je změna směru točení motoru přehozením přívodů k budicímu vinutí nebo vinutí motoru.

5.2.2 Elektrické motory střídavé 1. synchronní, kde jsou otáčky magnetického pole stejné jako otáčky rotoru 2. asynchronní, kde jsou otáčky pole a rotoru různé Jednofázové asynchronní motory pro pohon domácích spotřebičů. Ty se dělí na: Jednofázové motory s pomocnou odporovou fází do výkonu asi 250 W. Tam je tepelná zátěž vinutí velká, a proto se tyto motory nepoužívají pro pohon s častým vypínáním a zapínáním. Kondenzátorové motory s provozním kondenzátorem jsou vhodné pro pohony s lehkou zátěží nebo pro chod naprázdno. Motory s rozběhovým kondenzátorem jsou vhodné pro zařízení, která při rozběhu pracují pod velkou zátěží (ždímačky). 104

Motory s rozběhovým i provozním kondenzátorem (rozběhový kondenzátor se po rozběhu odpojí) se používají pro pohony s těžkou zátěží (kompresory). Motory se stíněnými póly jsou vhodné pro malé výkony asi jen do 500 W a používají se na pohon ventilátorů, čerpadel, ždímaček. Synchronní motory se používají pro pohon velkých jednotek, které nevyžadují regulaci otáček a časté spouštění. V hornictví se používají pro pohon kompresorů, ventilátorů, odstředivých čerpadel apod.

5.2.3 Trojfázový asynchronní elektromotor s kotvou nakrátko Rotorem asynchronního elektromotoru je soustava spojených vodičů - tyčí (kotva nakrátko). Tyče rotorového vinutí motoru s kotvou nakrátko jsou z hliníku a vyrábějí se tlakovým litím. Velikost a tvar rotorových tyčí ovlivňuje rozběhovou charakteristiku motoru, proto se vyrábějí rotory s různými tvary drážek, buďto je drážka kruhová, nebo hluboká.

Obr. 2.5 Drážky Statorové vinutí se může skládat z dvoupólového nebo vícepólového vinutí. U trojfázových asynchronních motorů jsou do drážek statorového svazku plechů vložena tři vinutí, jejichž začátky jsou proti sobě posunuty o 120°. Spojíme-li konce těchto tří vinutí, vznikne zapojení do hvězdy. Je-li spojen konec jednoho vinutí se začátkem následujícího vinutí, vzniká zapojení do trojúhelníka.

Obr. 3.5 Zapojení vinutí statoru do hvězdy a do trojúhelníka a zapojení svorkovnice 105

Zavedeme-li do statoru (stejného jako u trojfázového generátoru) trojfázový proud, vznikne v dutině statoru točivé magnetické pole (vektor B se otáčí s frekvencí proudu). Točivé magnetické pole vyvolá v rotoru indukované proudy. Na rotor začnou v magnetickém poli působit síly, které se jej snaží uvést vůči točivému magnetickému poli do relativního klidu (Lenzův zákon). Rotor se roztočí, frekvence jeho otáčení je nižší než frekvence točivého pole. U asynchronního motoru jsou otáčky (frekvence) rotoru vždy menší než tzv. synchronní otáčky (frekvence) točivého magnetického pole. Rozdíl frekvencí točivého pole a rotoru se nazývá skluz. Jeho velikost se mění se zatížením motoru. Čím je větší skluz, tím je větší indukovaný proud a tím větší je odběr energie ze sítě a na rotor působí větší magnetická síla. Tím se současně zvětšuje moment otáčení motoru. V praxi se skluz vyjadřuje v procentech podle vzorce: s 

f p  fr fp

 100 (%)

Skluz při plném zatížení elektromotoru bývá 2-5%. U motorů do 5,5 kW je to 3,5 % až 6 %, u motorů o větších výkonech to je 2,5 až 3,5 %. Skluz asynchronních motorů se zatížením roste. V okamžiku připojení k síti (zapnutí) se chová motor s kotvou nakrátko jako transformátor se sekundárním vinutím spojeným nakrátko. Odběr proudu je proto velký, zvláště při použití tyčí kruhového průřezu. Činný (ohmický) odpor je velmi malý a u motoru převažuje induktivní odpor. To způsobí zpoždění rotorového proudu za napětím rotoru téměř o 90°. Proto je účiník cos  při rozběhu motoru velmi malý. Činný výkon a užitečný záběrový moment je přes velký statorový proud malý. Tyto nevýhody odstraňuje rotor s hlubokými drážkami. Motory s hlubokými drážkami v rotoru nebo dvojitou klecí mají menší záběrný proud při současně zvětšeném záběrném momentu.

Obr. 4.5 Řez asynchronním motorem s kotvou nakrátko Když připojíme statorové vinutí elektromotoru k trojfázové síti (zdroji napětí), vzniká točivé elektromagnetické pole. Otáčky tohoto pole závisí na frekvenci sítě a počtu pólově párových 106

vinutí. Čím větší je frekvence sítě a čím menší je počet pólově párových vinutí, tím větší jsou otáčky. Tab. 15 Synchronní otáčky při frekvenci 50 Hz pro běžné počty pólpárů

f  60 , kde f je frekvence napětí v síti 50 Hz a p je p počet pólpárů. Cívka se dvěma póly je jeden pólpár. [n] = ot./min. Pro synchronní otáčky platí vzorec nS 

Pro otáčky rotoru u asynchronního elektromotoru pak platí vzorec:

nR 

f  60  1  s   nS  1  s  , kde s je skluz. p

Regulace otáček je možná: - změnou frekvence – vyžaduje to zvláštní střídavý zdroj s možností změny frekvence, regulace je jemná a hospodárná, - změnou počtu pólpárů – lze provádět po velkých skocích, regulace je hospodárná, - změnou skluzu – regulace je jemná, ale není hospodárná, protože část energie se mění na teplo. Skluz se mění změnou odporu rotorového vinutí. Tuto změnu nelze uskutečňovat u motorů s klecovým vinutím. Vlastnosti asynchronních motorů: – – – –

při jmenovitém výkonu odebírají motory jmenovitý proud motory mají nejlepší účiník při jmenovitém výkonu přípustná tolerance kolísavosti napětí je podle ČSN  10 % k omezení záběrných proudů (šestinásobek až osminásobek jmenovitého proudu) předepisují provozovatelé sítě spouštěcí zařízení – při zapojení hvězda - trojúhelník se záběrný proud zmenší na jednu třetinu, při zapojení do hvězdy a po rozběhu se motor přepne na zapojení do trojúhelníka – spouštěcí transformátory a spouštěcí rezistory zmenšují záběrný proud snížením napětí. U spouštěcího zařízení se snížením napětí zmenší záběrný proud, ale kvadraticky se vzhledem k napětí zmenší i záběrný moment. Rozběh je proto možný jen při chodu naprázdno nebo jen s malým zatížením. K regulaci napětí se proto používá měkký startér (u motorů s kotvou nakrátko do 1,5 kW jsou to tyristory v antiparalelním zapojení místo rezistorů). Záběrný proud, záběrný moment a doba rozběhu jsou v tomto případě nastavitelné. Motory mají nejlepší účiník při jmenovitém výkonu.

107

V praxi se ještě používají další elektromotory: Trojfázové motory s kroužkovou kotvou, u kterých jsou vinutí statoru i rotoru zapojeny do hvězdy. Tyto motory jsou vhodné pro těžké rozběhy k pohonu strojů, které potřebují velký záběrný moment, např. motory pro jeřáby, tiskařské lisy nebo odstředivky. Motory s přepínáním počtu pólů se používají pro pohony obráběcích strojů. Univerzální motory, které se mohou zapojit na stejnosměrný nebo střídavý zdroj. Svou konstrukcí odpovídají sériovému komutátorovému motoru a používají se pro pohon elektrického nářadí, domácích spotřebičů a kancelářských strojů.

5.2.4 Elektrotomotory používané v hornictví Trojfázové asynchronní motory v obyčejném konstrukčním provedení se používají na povrchu i v podzemí tam, kde nehrozí nebezpečí výbuchu, na povrchových dolech v úpravnách apod. Používá se např. trojfázový asynchronní motor s krytím TP 44, 100 kW, 500 V, 50 Hz na pohon hlavního čerpadla v prostředí bez nebezpečí výbuchu (PBNV). Motory řady F pro těžké pracovní podmínky jsou vybaveny tepelnou ochranou ze tří pozitivních termistorů, vestavěných do vinutí motoru. Vývody termistorů ústí na svorkovnici motoru. Při rostoucí teplotě roste odpor termistorů, které jsou vloženy do obvodu citlivého relé, a to signalizuje nadměrnou teplotu, nebo vypíná silový obvod chráněného motoru. Pro pohon pásového dopravníku šířky 1,6 m se používá motor s krytím IP, izolací třídy B, 320 KW, 6 000 V, 2p = 4. Malé nevýbušné důlní motory s dvojitou rotorovou klecí do 15 kW, 500 V, 50 Hz se používají k pohonu malých důlních čerpadel, elektrických vrtaček, malých dopravníků, elektrických vrátků apod. Střední nevýbušné důlní motory s dvojitou rotorovou klecí od 15 do 100 kW, 500 V, 50 Hz se používají k pohonu uhelných kombajnů, pluhů, razicích strojů, nakladačů a těžkých dopravníků. Velké nevýbušné důlní motory s dvojitou rotorovou klecí nad 100 kW pro napětí 500 nebo 1 000 V, 50 Hz se používají k pohonu velkých uhelných kombajnů a jiných velkých technologických celků. Motory od 100 do 200 kW se používají k pohonu těžkých strojů ve slepých šachticích a motory nad 200 kW se používají k pohonu hlavních čerpacích stanic. Motory bývají chlazené vzduchem s vlastním vnějším povrchovým ventilátorem, který žene vzduch na podélná chladcí žebra na obvodu statoru. Chladicí žebra jsou zakryta ocelovým plechem, který je chrání před uhelným prachem i před mechanickým poškozením. Elektromotory v prostorech s nebezpečím výbuchu se uzavírají do tzv. nevýbušných závěrů. Prostředí závěru ochladí zblodiny výbuchu, takže vně závěru již k výbuchu nedojde. Druhy závěrů: - pevný závěr je nevýbušný závěr, který snese bez poškození výbuch směsi uvnitř záběru, přičemž nedojde k přenosu výbuchu. Spáry a vůle musí mít předepsaný rozměr, mezi dosedací plochy závěru se nesmí vkládat žádné těsnění, neboť by nebyla zachována předepsaná šířka spáry. Značí se Ex3, - pískový závěr je vyplněn pískem. Zabraňuje přístupu výbušné směsi k živým částem, které by mohly způsobit výbuch. Značí se Ex1 a bývá použit u důlního transformátoru, - kapalinový závěr Ex5 je vyplněn tekutinou, která izoluje elektrické části od výbušného prostředí, 108

-

závěr s vnitřním přetlakem Ex6 je závěr, u kterého je vnitřní prostor provětráván buď proudem čistého vzduchu, nebo inertního plynu, anebo je jimi vypněn pod stálým přetlakem vůči okolí.

Cvičení 1 1. Co tvoří stator elektromotoru? 2. Co je rotor elektromotoru? 3. Co způsobí roztočení rotoru elektromotoru? 4. Co je skluz elektromotoru? 5. Liší se konstrukčně elektromotor od generátoru? 6. Jakým způsobem regulujeme otáčky elektromotoru? 7. Jak vypočítáme synchronní otáčky elektromotoru? 8. Jak vypočítáme asynchronní otáčky elektromotoru? 9. Popište činnost trojfázového asynchronního elektromotoru. 10. Jaké elektromotory se používají v běžné praxi? 11. Jaké druhy elektromotorů se používají v hornictví? 12. Jak zajišťujeme, aby při činnosti elektromotoru nedošlo na šachtě k výbuchu?

5.2.5

Výkon střídavého proudu

Činný jednofázový výkon

P  U  I  cos

jednotka je W = watt

Zdánlivý jednofázový výkon

S U  I

jednotka je VA = voltampér

Jalový jednofázový výkon

jednotka je VAr Q  U  I  sin voltampér reaktantní (reaktivní) VoltAmpere reaktiv; reaktiv (lat.) = zpětně působící [10]

Ve vzorcích označuje cos účiník a  je fáze, což je fázový posun mezi proudem a napětím. K fázovému posunu nedochází pouze tehdy, když zařízení funguje jen jako rezistor s odporem. Vzorec pro činný výkon střídavého proudu se dá vyjádřit i pomocí maximálních hodnot napětí a proudu, když za efektivní hodnoty U a I dosadíme:

U ef 

Um 2

a za I ef 

Im 2

109

P  U  I  cos 

cos 

P P  S U I

U m Im 1   cos   U m  I m  cos 2 2 2

účiník můžeme určit pomocí činného a zdánlivého výkonu.

Účiník není účinnost! Fázi  určíme na kalkulačce navolením tlačítek cos1 číslo = a přečtením výsledku. Jestliže máte určenu hodnotu  , pak navolíte na kalkulačce tlačítko sin. Tuto hodnotu pak využijete při výpočtu jalového výkonu. Účinnost zařízení pak vypočítáme ze vzorce:

η

Pv Pp

η

Tento výraz nemá jednotku a výsledek je menší než 1.

Pv  100  Pp

%

Pv označuje výkon a Pp příkon.

Cvičení 2 1.

Na štítku elektromotoru na střídavý proud jsou údaje: 230 V, 5 A, cos   0,8 . Jaký je činný, zdánlivý a jalový výkon elektromotoru? [P = 920 W, S = 1 150 VA, Q = 690 VAr]

2.

Určete velikost proudu v elektromotoru na 230 V při účiníku 0,9, jestliže činný výkon je 3 kW, a určete, zdali bude motor fungovat při 16 A jističi. [I = 14,49 A; bude fungovat]

3.

Určete u motoru z předchozího příkladu zdánlivý a jalový výkon. [S = 3 332,7 VA, Q = 1 452,7 VAr]

4.

Na štítku pračky jsou uvedeny tyto údaje: činný výkon 1 850 W, napětí 230 V, elektrický proud 10 A. Určete fázi (posunutí mezi U a I) v obvodu a účiník. [  5432, cos  0,804]

5.

Jednofázový motor odebíral proud 10 A po dobu 5 minut při napětí 230 V; elektroměr za tu dobu naměřil 0,13 kWh. S jakým účiníkem pracoval motor? [cos   0,68]

6.

Co znamenají značky W, VA, Var?

7.

Co ovlivňuje účiník?

110

Výkon trojfázového proudu je dán součtem (součinem) výkonů v jednotlivých fázích

P  3Pf  3  U f  I f  cos  Pro zapojení do hvězdy platí U f 

US

, I f  I , U  US ,

3 a činný výkon trojfázové soustavy pak bude PČ  3 

US 3

 I f  cos  

3 3

 3

3  U S  I f  cos  ; W

Pro zapojení do trojúhelníka platí

US  U , I f 

činný výkon

IS 3

, I  IS a

3 3

 3

Výkon trojfázové soustavy pak bude

PČ  3  U S 

IS 3

 cos  

3  U S  I S  cos  ; W

činný výkon

Úhel  je fázový posun mezi fázovým napětím U f a fázovým proudem I f .

S  3  U S  I ; VA

zdánlivý výkon

Q  3  U S  I  sin ; VAr

jalový výkon

Výkon trojfázové soustavy se stanoví při zapojení do trojúhelníka i do hvězdy podle stejného vztahu, v němž I je proud ve vedení, U je napětí mezi fázovými vodiči a  je fázový posun mezi fázovým napětím U f a fázovým proudem I f . U nesouměrného zatížení jsou fázové posuny v jednotlivých fázích různé, a proto v tomto případě účiník vyjadřujeme podílem činného a zdánlivého výkonu. Účiník cos u motoru závisí na jeho zatížení. Při chodu naprázdno dosahuje hodnoty od 0,1 do 0,3 a motor působí jako cívka (cívky) s indukčností. S rostoucí zátěží se cos zvětšuje a při jmenovitém zatížení dosahuje hodnoty uvedené na identifikačním štítku. Pokud je výkon motoru zvolen pro určitý provoz příliš velký, účiník se zmenšuje. Pokud je motor přetížen, vede navýšení proudu k větším ztrátám a k nedovolenému zahřátí vinutí. Někdy je výhodné změnit u trojfázových soustav zapojení do trojúhelníka na zapojení do hvězdy, protože tím snížíme hodnotu příkonu soustavy! Řešený příklad 7 Stanovte změnu příkonu trojfázového elektromotoru o výkonu P = 12 kW v zapojení do trojúhelníka na napětí 3 x 400 V, přepojíme-li vinutí do hvězdy.

111

Odpor jedné fáze je

U U Rf    I If 3

3 U  I

3  U 3  U 2 3  4002    40  P P 12 000 3 U

Po přepojení do hvězdy je na každé cívce napětí

Uf 

US 3



400 3

 230 V

U f 230   5,75 A a ten dosadíme do vzorce pro P. Rf 40 Příkon elektromotoru přepojeného do hvězdy je za předpokladu, že elektromotor bereme jako spotřebič s odporem R (pak je cos = 1), P  3  U  I f  3  400  5,75  3 983,7 W

Proud v jedné fázi je

If 

a víme, že U  U S . Jestliže spotřebič zapojený do trojúhelníka přepojíme do hvězdy, zmenší se jeho příkon na třetinovou hodnotu výkonu. Práce trojfázové soustavy

W  P  Δt , kde P je výkon a Δt je změna času Pro činnou práci dosadíme do vzorce za P činný výkon

W  3  U  I  Δt  cos ;

Pro jalovou práci dosadíme místo P jalový výkon Q

W j  3  U  I  sin  Δt

Pro zdánlivou práci dosadíme místo P zdánlivý výkon S

WZ  3  U  I  Δt

J

Řešený příklad 8 Jak velký síťový a fázový proud odebírá trojfázový elektromotor v zapojení do trojúhelníku ze sítě 3 x 400 V, je-li jeho výkon 13 500 W, účinnost 90 % a cos  je 0,8.

PP 

PV 13 500   15 000 W η 0,9

PP  3  U  I S  cos IS 

If 

PP 3  U  cos

IS 3



27,06 3



15 000 3  400  0,8

 27,06 A

 15,62 5 A

Síťový proud (sdružený) je 27,06 A, fázový proud je 15,62 A.

112

Cvičení 3 1. Určete, jak se změní příkon trojfázového spotřebiče o výkonu 3 kW zapojeného do trojúhelníku na napětí 3 x 400 V, přepojíme-li spotřebič do hvězdy. [P = 998 W] 2.

Na štítku mikrovlnné trouby jsou zapsány hodnoty příkonu 1 200 W a výkonu 900 W. Určete účinnost trouby a velikost práce elektrického proudu, je-li trouba v chodu 2 min. [  0,75  75 %; W  108 000 J  0,03 kWh]

3.

Určete práci a výkon elektrického proudu v trojfázově zapojené soustavě do trojúhelníka na napětí 3 x 400 V. Proud ve vedení je 5 A, účiník je 0,65 a doba činnosti je 2 hodiny. [W = 16,2 MJ = 4,5 kWh; PČ = 2 252 W]

4. Určete činný, jalový a zdánlivý výkon trojfázového alternátoru, který dodává při zapojení do trojúhelníka do sítě sdružené napětí 400 V a síťový proud 160 A. Jde o souměrné zatížení při účiníku 0,6. [ PČ  66 511 W; Q  88 681 VAr; S  110 851 VA] 5. Trojfázový elektromotor o výkonu 3 kW v zapojení do trojúhelníka na napětí 3 x 400 V pracuje s účinností 75 % při účiníku 0,85. Určete činný, zdánlivý a jalový příkon, fázový a síťový (sdružený) proud. [ PP  4 000 W; S P  4 705,9 VA; Qp  2 479 VAr; I S  6,79 A; I f  3,92 A]

5.2.6

Kompenzace účiníku

V elektrických sítích se vyskytují hlavně fázové posuny způsobené především magnetizačními proudy, které mají indukční charakter. Aby se elektrická energie získaná ze zdroje proměnila v užitečnou práci, je potřeba, aby byl její přenos ke spotřebiči uskutečněn při co největším účiníku. Instalace trojfázových asynchronních elektromotorů a jiných indukčních spotřebičů v průmyslu se negativně projevuje tím, že kromě činného výkonu musí elektrárna dodávat do místa spotřeby i indukční jalový výkon. Jalový výkon zatěžuje alternátory, sítě, elektromotory, transformátory a omezuje výrobu a přenos elektrické energie. Dodávka elektrické energie při malém účiníku znemožňuje plné využití výkonu alternátorů v elektrárnách, spotřebuje se větší množství mědi a vyžaduje větší zdánlivý výkon transformátorů. Jalový proud zatěžuje síť, a proto provozovatelé sítě požadují hodnoty účiníku zátěží kompenzovat na hodnotu přibližně 0,9. U jednotlivých motorů se to děje paralelně zapojenými kompenzačními kondenzátory k cívkám. Kompenzační kondenzátor má být umístěn co nejblíže k motoru. Při jednotlivé kompenzaci se musí kompenzační kondenzátory vybít po vypnutí během jedné minuty na napětí maximálně 50 V. Jalový výkon kompenzačních kondenzátorů má být zhruba 35 % výkonu motoru, aby při částečné zátěži nedošlo k překompenzování. V praxi se při kompenzaci účiníku postupuje takto – náhradní obvod elektromotoru si lze představit jako paralelně zapojený obvod R, L, C. Vyjdeme z fázorových diagramů pro proudy a výkony za podmínky, že I L  I C a QL  QC . 113

Tady je nutné vědět, že při paralelním propojení cívky a kondenzátoru je napětí na π kondenzátoru i cívce stejné, ale proud na kondenzátoru předbíhá napětí o rad 2 π a proud na cívce, který je větší než na kondenzátoru, se za napětím zpožďuje o rad. 2 Toto se zakreslí do fázorového diagramu podle obrázku 5.5.

Obr. 5.5 Fázorový diagram proudů

Obr. 6.5 Fázorový diagram výkonů

Budeme brát motor napřed bez kondenzátoru a ten bude mít činný výkon P, jalový QL a zdánlivý S1 . Pak k cívce paralelně připojíme kondenzátor a motor bude mít činný výkon P, jalový QL  QC a zdánlivý S 2 (viz obr. 7.5).

Obr. 7.5 Fázorový diagram výkonů při paralelním zapojení cívky a kondenzátoru Kompenzací účiníku se u spotřebiče zmenší odebíraný proud na hodnotu I (obr.5.5) a zdánlivý výkon se zmenší z S1 na S2. Hodnota cos se zvětší z cos1 na cos 2 .

114

Řešený příklad 9 Jednofázový motor s výkonem P = 0,5 kW při účiníku cos  1 = 0,65 je připojen na napětí U = 230 V, f = 50 Hz. Stanovte kapacitu kondenzátoru, který se musí připojit ke svorkám elektromotoru, aby se účiník zlepšil na cos  2 = 0,9. Zdánlivý výkon elektromotoru bez kondenzátoru je

S1 

P 500   769,23 VA cos 1 0,65

Jalový výkon elektromotoru je QL  S12  P 2  769,232  5002  584 ,6 VAr

Připojením kondenzátoru se má účiník zlepšit na cos  2 = 0,9. Zdánlivý výkon s připojeným kondenzátorem je

S2 

P 500   555,55 VA cos  2 0,9

Na kalkulačce navolíme postupně tlačítka

cos1 0,9   2  25,840  250 5031

sin 25,840  0,4359

Jalový výkon bude podle obr. 7.5 QL  QC  S 2  sin  2  555,55  0,4359  242,16 VAr QC  QL  S 2  sin  2  584,6  242,16  342,44 VAr QC  U  I C

IC 

QC 342,44   1,488 A U 230

U  U  ω  C  U  2  π  f  C  230  2  3,14  50  C 1 ωC IC 1,488 C    20,6 μ F U ω 230  2  3,14  50

1,488 

U  XC

Kapacita paralelně připojeného kondenzátoru je 20,6 μ F . Další možnost odvození vzorce pro výpočet kapacity kompenzačního kondenzátoru (stačí znát jalový výkon na kondenzátoru, napětí a frekvenci) 115

Q U  U ω  C IC  C U XC Q U ω  C  C U Q Q 342,44 C  2C  2 C   20,6 μF 2 U  ω U 2π  f 230  6,28  50

IC 

Cvičení 4 1. Určete kapacitu kondenzátoru paralelně připojeného k cívce statoru elektromotoru, když je elektromotor připojen na napětí 230 V při frekvenci 50 Hz. Činný výkon elektromotoru je 250 W, cos 1  0,7 a chceme účiník cos  2 zvětšit na hodnotu 0,95 . [C = 10,38 μF ] 2. Vypočtěte kapacitu kondenzátoru, který je paralelně připojen k cívce statoru motoru, jestliže elektromotor je připojen na napětí 230 V při frekvenci 50 Hz. Činný výkon motoru je 3 kW, cos1  0,7 a chceme získat účiník  2  0,9. [C = 96,9 μF ] 3.

Určete kapacitu kondenzátoru paralelně připojeného k cívce elektromotoru zapojeného do trojúhelníku na napětí 3 x 400 V, který má výkon 13 500 W, cos 1  0,8 , f = 50 Hz. Účiník chceme zvětšit na hodnotu 0,9. [C = 23,8 μF]

Při řešení tohoto příkladu postupujte takto: 1. Vydělte výkon motoru třemi, protože potřebujete zjistit výkon na 1 statorové cívce. 2. Další postup je úplně stejný jako u vzorového příkladu. Na výpočet kapacity můžete použít oba konečné vzorce ze vzorového příkladu a zjistíte, že výsledek je stejný. Napětí při řešení je 400 V. Postupné výsledky pro Vaši orientaci jsou tyto. [P1 = 4 500 W; S1 = 5 625 VA; QL = 3 375 VAr; S2 = 5 000 VA;   25,84 0  250 5031 ; sin   0,4359 ;

116

6. kapitola Elektrické pohony Elektrický pohon je označení pro soubor všech technických prostředků zajišťujících pohon nějakého strojního mechanismu za pomoci elektrické energie, zpravidla za pomoci nějakého elektromotoru (viz. 5. kapitola), který pak obvykle tvoří základní část elektrického pohonu. Výhody elektrického pohonu proti neelektrickému  rychlá, téměř okamžitá pohotovost nasazení,  jednoduchost ovládání a dobrá řiditelnost mechanických veličin (moment, rychlost, poloha)  dobrá účinnost  malá hmotnost, malá náročnost na údržbu a snadná vyměnitelnost  možnost použití ve složitých a nebezpečných prostředích. Hlavními nevýhodami elektrického pohonu jsou  závislost na přívodu elektrické energie (výjimkou je pohon s napájením pomocí akumulátorů, které však jsou schopny dodat jen omezený příkon),  vysoké jmenovité otáčky (vyžaduje použití mechanických převodů).

6.1.

Základní provozní pojmy elektrických pohonů

Spouštění pohonu: činnost potřebná pro rozběh pohonu. Rozběh pohonu: přechod EP z klidu na stanovenou rychlost  záběr – začátek rozběhu pohonu,  doba rozběhu – z klidu na stanovenou rychlost,  míra rozběhu – kvantifikuje obtížnost rozběhu a lze jej definovat vztahem dle velikosti míry rozběhu m: lehký rozběh m ≤ 0,75 normální rozběh 0,75 < m ≤ 1,5 těžký rozběh m > 1,5 Zastavení pohonu: přechod pohonu z pracovní rychlosti do klidu  doběh pohonu: zastavení pohonu bez brzdění motorem  brzdění pohonu: - činnost potřebná pro zastavení pohonu (elektrické motorem, mechanické brzdou).

Obr. 1.6 Blokové schéma elektrického pohonu 117

Prvky elektropohonu Prvky elektrického pohonu jsou například napájecí, regulační, ovládací, řídicí, signalizační zařízení a další prvky (obr. 1.6), které zajišťují požadované parametry přeměny elektrické energie, dodávané z vnějšího prostředí (například z napájecí elektrorozvodné sítě, z baterie apod.), na mechanickou energii požadovaných parametrů. Součástí pohonu tedy bývá i celá řada dalších elektrických strojů, přístrojů či jiných specializovaných zařízení (např. řízený usměrňovač elektrického proudu, měřicí přístroje, signalizační prvky, vypínače proudu, motorové jističe, různé regulační mechanismy včetně ovládacího počítače atd.).

6.1.1 Rozdělení elektropohonů Rozdělení podle druhu pohybu:  točivý pohon  netočivý pohon (např. lineární) Rozdělení podle druhu použitého motoru  stejnosměrný pohon (se stejnosměrným motorem)  střídavý pohon (s hnacím střídavým elektromotorem)  pohon s krokovým motorem Rozdělení podle řízení otáček:  jednorychlostní motory  vícerychlostní motory  s plynule nastavitelnou rychlostí Rozdělení podle druhu řízení  ovládaný pohon  regulovaný pohon (regulátor se zpětnou vazbou)

6.1.2 Návrh pohonu    

Volba typu pohonu (typ motoru, stanovení, zda má být pohon řízený, regulovaný nebo neřízený, volba celkové koncepce – tj. rozhodnutí, zda je výhodnější převodovka nebo frekvenční měnič FM). Dimenzování pohonu Návrh struktury regulačních obvodů (výběr snímačů, návrh regulačních smyček, stanovení parametrů jednotlivých regulátorů) Volba jištění a ochran proti úrazu elektrickým proudem.

6.1.2.1

Volba typu motoru (viz kapitola 5)

6.1.2.2

Dimenzování pohonu

Rovnice pohonu Každé soustrojí má svoji účinnost. Pro návrh pohonu musíme znát jeho maximální požadovaný výkon. Pokud se pohon skládá pouze z elektrického motoru, účinnost je 100 %. Pokud se pohon skládá z elektrického motoru o výkonu PM a převodovky, výkon pohonu Ppo je snížen o ztráty v převodovce vyjádřené její účinností ηp. Pak Ppo  PM  P ; W (watt) a ztráty výkonu pohonu mohou zvětšit i regulační a řídicí prvky. 118

6.1.2.3

Návrh struktury regulačních pohonů

Pracovní režimy pohonu

Obr. 2.6 Pracovní režimy elektrických pohonů    

pracovní režimy se zobrazují v rovině (M,ω), když je výkon motoru (P = M · ω; W) kladný, pak motor pracuje v režimu motorickém (1Q), je-li výkon záporný (záporný moment a kladné otáčky), potom motor pracuje v režimu brzdném (2Q), jestliže je výkon záporný (kladný moment a záporné otáčky), pak nereverzovaný motor pracuje v brzdném režimu (4Q).

Mechanické charakteristiky elektrických pohonů Podle typu motoru rozlišujeme tři typické průběhy hnacího momentu M = f( ) nebo momentové charakteristiky.

Obr. 3.6 Momentové charakteristiky elektrických pohonů Točivý moment elektrického stroje je základním parametrem a je rozhodující pro velikost, hmotnost a cenu stroje. 119

Mechanické (zatěžovací, pracovní) charakteristiky elektrických pohonů  Točivý moment elektrického stroje je základním parametrem a je rozhodující pro velikost, hmotnost a cenu stroje.  Závislost M(ω) se nazývá momentovou charakteristikou stroje. Mechanické charakteristiky zátěžných mechanizmů  Pasivní zátěžný moment Tyto momenty působí vždy proti směru pohybu pracovního mechanizmu a mění tedy své znaménko se změnou směru otáčení. (Hoblovková charakteristika obr. 4.6).

Obr. 4.6 Hoblovková charakteristika 

Aktivní zátěžný moment vzniká při zvedání a spouštění břemen a je nezávislý na otáčivé rychlosti. Ve 4Q působí zátěžný moment ve směru působení hnacího momentu a je tedy aktivní (Jeřábová charakteristika obr. 5.6),

Obr. 5.6 Jeřábová charakteristika 120



Kalandrová charakteristika

Obr. 6.6 Kalandrová charakteristika 

Ventilátorová charakteristika

Obr. 7.6 Ventilátorová charakteristika 

Navíječková charakteristika

Obr. 8.6 Navíječková charakteristika 121

6.1.2.4

Řízení a regulace pohonů

Pohony dělíme na řízené a regulované. Pohony řízené Pohon můžeme řídit: a) změnou převodového poměru převodovky (mechanicky), b) změnou počtu pólpárů (p) elektrického motoru a tím změnou otáček (str. 97). Pro těžký rozjezd hřeblových dopravníků snížíme zvýšením počtu pólpárů elektrického motoru jeho otáčky a tím i zatížení celého pohonu. Při těžkém rozjezdu mají elektrické pohony několikanásobně zvýšen odběr proudu. Dimenzování energetické přenosové soustavy na taková přetížení by bylo velmi nákladné. Po uvedení dopravníku do chodu se zvýší snížením počtu pólpárů rychlost dopravníku bez zbytečných proudových rázů. Prvotní zpomalený rozjezd pásových dopravníků rovněž značně šetří pásový potah (při rozjezdu s plným výkonem pohonu dochází k prokluzu v hnacích válcích pásového dopravníku a k poškozování pásového potahu), c) změnou frekvence (str. 97) pomocí frekvenčních měničů (viz vztah pro výpočet otáček elektromotoru na straně 97, kdy vede zvýšení frekvence u dodávané elektrické energie ke zvýšení otáček elektrického motoru a při snížení frekvence ke snížení otáček). V současné době jsou pro plynulé rozjezdy zaváděny tyristorové a tranzistorové frekvenční měniče, d) změnou skluzu

Obr. 9.6 Pohon řízený Pohony regulované U řady elektrických pohonů jsou požadovány přesné otáčky. U takovýchto pohonů musíme mít přístroj pro sledování otáček výstupní hřídele (na obrázku 10.6 označený jako Tacho) a další přístroje pro vyhodnocení naměřených a požadovaných veličin, které následně vyhodnocuje regulátor a pomocí akčních veličin ovládá frekvenční měnič.

Obr. 10.6 Pohon regulovaný 122

6.2

Elektrická trakce

Elektrická trakce je elektrický pohon drážních vozidel, zejména vlaků, tramvají, podzemní nebo trolejbusové dráhy. Hlavními přednostmi elektrické trakce jsou menší znečištění a hluk, vyšší energetická účinnost a nižší provozní náklady. Rozlišujeme trakci nezávislou, kde si vozidlo veze zdroj energie, a závislou, s vnějším vedením proudu. Hlavní nevýhodou nezávislé trakce je omezená kapacita a velký objem akumulátorů, u závislé trakce náklady na elektrické vedení. Zvláštním případem je kombinovaná trakce, například dieselelektrická, kde si vozidlo vyrábí proud spalovacím motorem a generátorem. Závislá trakce Nejdůležitější je závislá trakce, kde se proud přivádí zvenčí stabilním vedením. Vedení může být nadzemní (trolej), pozemní (kolej) nebo podzemní. Výhodou pozemního vedení (třetí nebo boční kolej) jsou menší náklady, hlavní nevýhodou je nebezpečí pro chodce. Tu se snažily obejít podzemní systémy s kanálkem mezi kolejemi. Po stranách kanálku, přístupného pouze úzkou štěrbinou, jsou dvě měděné sběrnice, a do kanálku zasahuje sběrná tyč vozidla se dvěma kluznými sběrači. Kanálek se však zanáší nebo plní vodou a systém je tak nespolehlivý. Proto se dnes pozemní vedení používá jen u podzemních a předměstských drah s vlastním tělesem, kam nikdo nemá přístup. Určité problémy vznikají na výhybkách a kříženích, kde se vůz chvíli pohybuje setrvačností a sběrače musí překonávat mezery. Nejdůležitější jsou proto systémy s vrchním vedením, jednou nebo dvěma trolejemi v bezpečné výšce kolem 4 m nad zemí. Trolej je tvořena silným měděným drátem zvláštního "osmičkového" průřezu, zavěšeným na sloupech. Úseky troleje v max. délce asi 500-800 m se musí napínat závažím a kladkami. U tramvajových vedení jsou závěsy troleje častější, kdežto u železničních vedení je trolej zavěšena na podélném nosném lanu a sloupy jsou ve vzdálenosti 30-50 m. Dalším problémem závislé trakce jsou sběrače proudu. Původní rámové sběrače nahradily Spragueovy odpružené sběrací tyče s kladkou nebo smykovou botkou. Novější vývoj se ale vrací k odpruženým pantografům a polopantografům, které jsou spolehlivější a vyhovují i pro nejvyšší rychlosti.

Obr. 11.6 Vrchní vedení

Obr. 12.6 Pantograf

Napájecí soustavy Do roku 1963 byla vozidla napájena stejnosměrně - tzv. Křižíkova napájecí soustava, později se začíná přecházet na střídavé napájení.

123

stejnosměrné (Křižíkova soustava) 1. 250 V - podzemní dráhy 2. 600 V - tramvaje, trolejbusy (např. v Plzni nebo Opavě) 3. 750 V - pozdější trolejbusové vedení, metro (na 600 V i 750 V se používají stejné trolejbusové vozy) 4. 1 500 V - v Holandsku, část Francie 5. 3 000 V - Itálie, Polsko, Belgie, část ČR, část zemí bývalého SSSR 

střídavé 1. 15 kV, 16 a 2/3 Hz - v Německu, Rakousku, Švýcarsku, Švédsku, Norsku 2. 25 kV, 50 Hz - novější; část Francie, Maďarsko, Indie, Pákistán, část ČR, část Slovenska 3. 25 kV, 60 Hz - v Japonsku 

6.3

Elektrické důlní lokomotivy

A. Elektrické trolejové důlní lokomotivy Důlní trolejové lokomotivy mohou být vybaveny trakčními motory na stejnosměrný, střídavý nebo pulzní proud. Trakční proud se přivádí trolejovým drátem, odebírá se pantografovými nebo tyčovými sběrači. Jako zpětný vodič slouží kolejnice, které musí být v místě spojů propojeny měděnými lanovými spojkami.

Obr. 13.6 Elektrická trolejová důlní lokomotiva Lokomotivy jsou vybaveny hlavní elektrodynamickou brzdou a pomocnou brzdou mechanickou. U nejtěžších typů se používají i brzdy elektromagnetické, které působí na kolejnice. Trolejové vedení je rozděleno na samostatné izolované úseky, které jsou samostatně napájeny z měnírny tak, aby úbytek napětí v soustavě nepřekročil 30%. Trolejové vedení musí být umístěno v dostatečné výšce nad temenem kolejnic, a to 1,8 m v chodbách, které neslouží jako cesty pro běžnou chůzi, 2 m v chodbách určených pro chůzi a 2,2 m v blízkosti jam, nárazišť, sýpů a ústí štol.

124

B. Elektrické akumulátorové důlní lokomotivy Zdrojem energie pro trakční stejnosměrné sériové motory je olověný nebo alkalický akumulátor, umístěný na lokomotivě. Akumulátory se nabíjejí ve stanici vybavené nabíjecími stoly se zařízením pro usnadnění výměny baterií (přesuvné nebo zvedací rampy). Trakční napětí je v rozmezí 40 – 120 V. Lokomotivy se vyrábějí v provedení pro normální nebo výbušné prostředí. Akční rádius je dán kapacitou baterie.

Obr. 14.6 Elektrické akumulátorové důlní lokomotivy

6.4

Výpočet elektrického pohonu

Pro správnou volbu převodovky a hnacího elektromotoru je potřeba znát následující údaje: požadovaný výstupní krouticí moment M2, výstupní otáčky převodovky n2, způsob zatěžování převodovky a tomu odpovídající provozní součinitel Sm. Na základě těchto vstupních hodnot lze následně stanovit odpovídající velikost, výkon převodovky a převodový poměr " i ". Vztahy pro výpočet jednotlivých veličin Výstupní krouticí moment M2 Krouticí moment M2 je dán požadovaným zatížením převodovky. M2 lze vyjádřit jako sílu F2, která působí na rameno o délce r2.

M 2  F2  r2 ; N  m Převodovky ani elektrické motory nenavrhujeme, ale volíme z nabídky výrobců nejblíže vhodné komponenty dle provedeného výpočtu. Provozní součinitel Sm Aby byla zaručena optimální životnost převodovky v různých pracovních režimech zatížení, používáme při volbě velikostí převodovky tzv. provozní součinitel Sm, který je dán součinem dílčích faktorů, zohledňujících jednotlivé podmínky: S m  S1  S 2  S 3  S 4

125

Tab. 16 S1 = faktor zatížení

normální rozběh bez rázu, malá urychlovaná hmota (ventilátory, zubová čerpadla, montážní pásy, dopravní šneky, míchačky tekutin, plnicí a balicí stroje) rozběh s mírnými rázy, nerovnoměrný provoz, střední urychlovaná hmota (transportní 1,25 pásy, výtahy, navijáky, hnětací míchací stroje, dřevoobráběcí, tiskařské a textilní stroje) nestejnoměrný provoz, silné rázy, velká urychlovací hmota (míchačky betonu, sací 1,5 čerpadla, kompresory, buchary, válcová stolice, přepravníky pro těžké zboží, ohýbací a lisovací stroje, stroje se střídavým pohybem) 1,0

Tab.17 S2 - faktor plynulosti provozu

S2 1,0 1,15 1,3 1,5

počet sepnutí za hodinu 0 až 10 10 až 50 50 až 100 100 až 200

Tab. 18 S3 - faktor provozní doby

S3 0,8 1,0 1,2 1,3

počet sepnutí za den 0 až 4 4 až 8 8 až 16 16 až 24

Tab. 19 S4 - faktor pohonu

S4 1,0 1,2

druh elektromotoru elektromotor bez brzdy elektromotor s brzdou

Při výběru konkrétní převodovky je pak třeba dbát na to, aby byl provozní součinitel Sm menší než servisní faktor převodovky Sf. Servisní faktor Sf Servisní faktor převodovky Sf udává přibližně poměr mezi maximálním krouticím momentem na výstupu převodovky, kterým může být převodovka trvale zatěžována, a skutečným výstupním krouticím momentem, který je schopen poskytnout zvolený elektromotor. Sf 

M 2 max. ; bez jednotky M2

Maximální krouticí moment M2max je stanoven pro provozní součinitel Sm = 1, který je uváděn v tabulkách. Hodnoty servisních faktorů pro jednotlivé varianty velikostí, převodů a přiřazení elektromotorů jsou rovněž uváděny v tabulkách.

126

Výkon elektromotoru P1 Pro stanovení potřebného výkonu elektromotoru P1 je použit vzorec: P1 

M 2  n2  100 ; kW 60 000 

,

kW 

Nm · min 1  100 60 000  %

Část výkonu je spotřebována na překonání mechanického odporu převodovky. Tento podíl vyjadřuje účinnost  , která je poměrem mezi výkonem na výstupu P2 a příkonem P1 na vstupu

 

P2  100  P1

%

Převodový poměr i Převodový poměr je poměrem vstupních a výstupních otáček převodovky n i  1 ; bez jednotky n2 n1; min-1, kde n1 jsou jmenovité otáčky elektromotoru n2; min-1, kde n2 jsou výstupní otáčky převodovky

6.5

Připojování elektrických strojů

6.5.1 Průmyslové zásuvky Stejně jako u domovní zásuvky a vidlice slouží k dočasnému spojení pohyblivého přívodu k pevnému zdroji energie. Ovšem podmínky použití jsou podstatně odlišné. Jednak přenášené proudy bývají podstatně větší než u domovních zásuvek a také prostředí, do něhož jsou tyto zásuvky určeny, jsou podstatně náročnější než běžné domovní zásuvky. U nás se používají průmyslové zásuvky na jmenovité proudy 16, 32, 63, 125 a výjimečně 250 A.

6.5.2 Přípojná místa výkonových zařízení Výkonová zařízení s velkým odběrem proudu se připojují elektrickým kabelem přímo na ovládací stykače. Pokud je vzdálenost mezi stykačem a elektrickým strojem větší, elektrické kabely se propojují elektrickými spojkami, případně pomocí spojovacích krabic (obr. 10.6.) Ve výbušném prostředí není dovoleno používat žádná zásuvková propojení.

Obr. 15.6 Důlní spojovací krabice DSVS 127

6.5.3

Ovládací přístroje strojů

6.5.3.1

Ruční ovládání

Stroje malého výkonu ovládáme přímo ručně pomocí spínačů. Pokud chceme stroj ovládat z jednoho místa (např. pomocí počítače nebo automatiky) i na velké vzdálenosti, pro jejich ovládání používáme stykače. U strojů o velkém příkonu (např. důlní kombajn, lžícový nakládač apod.) nejsou ovládací stykače umístěny na daných strojích, ale jsou instalovány samostatně vzhledem ke svým rozměrům (obr. 16.6).

Obr. 16.6 Ovládací stykač hřeblového dopravníku

6.5.3.2

Dálkové ovládání

Dálkové ovládání známe i z domácnosti. Většinou se jedná o zařízení pracující na optickém systému (např. dálkový ovladač televizoru), v průmyslu častěji k dálkovému ovládání využíváme elektromagnetické vlnění s patřičnou elektronikou. V rámci elektrických zařízení existují speciální přístroje, které umožňují dálkové nebo automatické ovládání důlních strojů a zařízení. Dálkové ovládání můžeme rozdělit na bezdrátové a klasické pomocí kabelu. Dálkové bezdrátové ovládání se používá zejména pro ovládání všech dobývacích kombajnů, pro nejnovější typy razicích kombajnů a také např. pro ovládání zařízení pro dopravu sekcí. Tyto dálkové systémy pracují zejména na principu radiového spojení nebo bezdrátové komunikace bluetooth. Dálková ovládání výrazně přispívají zejména ke zvýšení bezpečnosti a zvýšení komfortu obsluhy strojů.

Obr. 17.6 Dálkové bezdrátové ovládání dobývacího kombajnu 128

Pro ovládání ostatních strojů se používá klasické dálkové ovládání. V místě obsluhy stroje jsou ovládací tlačítka a pomocí kabelu jsou ovládány příslušné spínače elektrických motorů strojů. Do této skupiny lze zařadit i systémy ovládání mechanizovaných výztuží pořízených v rámci programu POP 2010 nebo dobývací komplexy s uhelnými pluhy.

Obr. 18.6 Dálkový ovladač mechanizované výztuže řízený počítačem Samostatnou skupinou jsou stroje s automatickým ovládáním. Zapnutí nebo vypnutí stroje je provedeno při splnění určitých parametrů, nezávisle na obsluze. Do této skupiny patří systémy pásových dopravníků v rámci dopravních linek nebo i systémy ovládání mechanizovaných výztuží, kdy při splnění nastavených parametrů dojde například k přeložení sekce. Stroje a zařízení s automatickým ovládáním musí splňovat vysoké požadavky pro zajištění bezpečnosti pracovníků.

6.5.4 Jisticí prvky strojů Veškeré elektrické spotřebiče, včetně elektrických motorů, musí být jištěny nadproudovými ochranami (viz část 2.4 Nadproudové ochrany). Domácí spotřebiče jsou chráněny vhodně dimenzovanými jističi v bytovém rozvaděči. Výkonové spotřebiče mají buď samostatné jističe, nebo jsou proti nadproudům jištěny přístroji, které jsou součásti zdrojů energie (např. transformátorů). Funkcí stykačové soupravy (obr. 16.6) není jen zapínat a vypínat elektrický motor, ale má uvnitř zabudovány různé další zabezpečovací prvky. Ty slouží k ochraně samotného motoru, kabelu a také pro dálkové ovládání stykače od stroje nebo místa obsluhy. Jedná se o nadproudové ochrany, tepelné ochrany vyhodnocující teplotu motoru, relé blokující zapnutí při poklesu izolačního stavu na vývodu, relé hlídající celistvost ochranného vodiče, jiskrově bezpečné převodníky a podobně.

6.5.5 Přívody elektrické energie Pro elektrické rozvody k odběrným místům (v domácnosti mezi bytovým rozvaděčem a zásuvkou ve zdi), které se stávají po své instalaci nepohyblivé, používáme plnoprůřezové vodiče (např. obr. 20.2). Pro pohyblivé přívody používáme šňůrová vedení, skládající se z velkého množství tenkých drátků, které zajišťují ohebnost přívodů (např. obr. 11.3). U strojů, jejichž součástí není ovládací stykač, mají kabely kromě silových vodičů (napájející elektrický motor) i ovládací vodiče, které mají většinou podstatně menší průřez (obr. 19.6). 129

Obr. 19.6 Elektrický vlečný kabel Cvičení 1 1.

Co všechno řadíme k elektrickému pohonu?

2.

Vysvětlete rovnici pohonu.

3.

Jak dělíme elektropohony?

4.

Vysvětlete pracovní režimy pohonu z hlediska momentu a otáček.

5.

Vysvětlete grafy zátěžových momentů.

6.

Čím se mohou řídit otáčky pohonu?

7.

Co je to trakce a jaké jsou její druhy?

8.

Jaké se používají v praxi důlní lokomotivy a na jakém principu pracují jejich pohony?

9.

Na jaký proudový rozsah jsou v České republice průmyslové zásuvky?

10. Jaké znáte druhy ovládání strojů? 11. Jaké jsou jistící prvky strojů a jaké jsou principy jejich činnosti? 12. Jakými vodiči se přivádí elektrická energie ke strojům?

130

7. Kapitola Ovládání pohonů Ovládání jednoduchých elektrických zařízení bylo vysvětleno v kapitole číslo 6. U průmyslových elektrických zařízení je situace různá. Chod některých strojů můžeme kontrolovat z místa obsluhy, jako např. nakládač, zvedací zařízení, agregát apod., dlouhá zařízení, jako např. pásový nebo hřeblový dopravník, pásový vlek a klece v jámě kontrolujeme osobně periodicky a nepřímo, pomocí vyhodnocovacích zařízení (automatiky). Hlavní podmínkou je, že se stroje musí spouštět pouze z jediného místa. Pokud se na zařízení pracuje, je nutno zařízení zajistit tak, aby se nedalo spustit, a na spouštěcí místo je nutno vyvěsit tabulku „POZOR – na zařízení se pracuje!“. Zařízení se samo nezastaví bezdůvodně, pokud není v automatickém režimu. Proto je nutné každé zařízení před spuštěním celé zkontrolovat. Před spuštěním dopravníků, ale i všech ostatních strojů, které můžou ohrozit okolo jdoucí osoby, musí zaznít varovný signál.

7.1

Základní prvky v obvodu ovládání motoru

Obr. 1.7 Základní prvky v obvodu ovládání elektrického asynchronního motoru Tlačítka START a STOP u automatizovaných systémů nahrazujeme kontakty ovládanými řídicími přístroji (počítačem, čidly apod.) 131

7.2

Vypínací prvky v ovládání elektrických pohonů

Průmyslové stroje se většinou neovládají jedním tlačítkem. Spouštěcí místo, jak již bylo uvedeno, musí být pouze jedno, pro zastavování zařízení však může být i několik „STOP“ tlačítek. „STOP“ tlačítka většinou mají barvu červenou. V provozech kolem dlouhých zařízení (pásové a hřeblové dopravníky, pásové vleky, lanové dráhy apod.) instalujeme tzv. „blokovací zařízení“, které se skládá z vypínače pohonu zařízení a na něho napojeného lanka nataženého kolem celého daného zařízení ze strany běžné chůze.

Obr. 2.7 „STOP“ tlačítko s blokovacím lankem kolem pásového dopravníku Dalšími vypínacími prvky elektrických zařízení jsou:  zábrany proti vjetí osoby do drtiče hřeblového dopravníku (obr. 3.7 a 4.7)  zábrany proti přejetí výstupní stanice u dopravy osob na pásových dopravnících (obr. 6.7), lanových drahách (obr. 5.7), pásových vlecích apod.  dojezdové vypínače, které vypnou patřičný elektrický pohon (např. dojezdový vypínač pásového vleku). Dojezdové vypínače musí být velmi spolehlivé. Většinou nepracují na mechanickém principu. U pásových vleků používáme jako dojezdové vypínače elektrické snímače reagující na magnetické pole  koncové vypínače, které vypnou elektrický pohon zařízení při přejetí dojezdových vypínačů (např. koncový vypínač přejetí dojezdového vypínače u pásového vleku, obr. 7.7)

Obr. 3.7 Vypínací zařízení podporubového dopravníku před drtičem 132

Obr. 4.7 Elektrické nouzové vypínací zařízení dopravníku před drtičem

Obr. 5.7 Blokování pohonu lanové dráhy po přejetí výstupní stanice

Obr. 6.7 Vypínání pohonu pásového dopravníku po přejetí výstupní stanice při přepravě osob 133

Obr. 7.7 Elektrický vypínač pohonu pásového vleku pro případ přejetí koncového dojezdového vypínače

7.3

Automatizované systémy v ovládání elektrických pohonů

Automatizace je základní podmínkou zvyšování produktivity práce. Automatické řídicí systémy jsou závislé na informacích získaných z čidel, která monitorují správnou funkci zařízení. V automatizovaném systému dnes nepracují pouze pásové a hřeblové dopravníky, ale i pásové vleky, důlní lanovky, čerpadla a mechanizované výztuže. V automatickém režimu pracuje např. i skipokomplex, degazační stanice, klimatizační stanice, úpravna apod. Aby automatizovaný systém dobře fungoval, všechna čidla musí být správně umístěna. V důlních podmínkách se nejčastěji setkáváme s automatizací pásových linek. V minulosti byl upřednostňován pneumatický systém MJM, v dnešní době přecházíme na systémy s čidly na elektrické bázi (APD1, PROMOS).

Obr. 8.7 Sestava APD1 134

1 – Stanice dopravníku SD1 P2 3 – Zdroj napájení OZ2 P3, P4 4 – Zdroj napájení OZ3 P1, P2 5 – Klíč blokovací OKB1 6 – Hovorový zesilovač OPZ1 8,9 – Snímač odklonu SO P1

10 – Snímač rychlosti pásu 11 – Telefonní převodník TP1 13 – Snímač teploty ST1 P2 15 – Skrápěcí zařízení 16 – Pult ovládací 17 – Snímač brzdy SB1

V důlních podmínkách patří mezi nejdůležitější čidla snímače teploty, které umísťujeme na kritická místa (obr. 9.7). Monitorovat celou trať pomocí čidel je dosud technicky nemožné, proto jsou nařízeny kontrolní pochůzky požárních hlídačů.

Obr. 9.7 Rozmístění teplotních čidel na pásovém dopravníku

Obr. 10.7 Teplotní čidlo

Čidla teploty obsahují teplotní senzor THERMIK o aktivační teplotě 70º C. Čidlo snímá teplotu místa, na kterém je upevněno. Překročením teploty rozpojí smyčku jiskrově bezpečného obvodu dálkového ovládání a následovně dojde k vypnutí elektromotorů pohonu stroje. Čidla signalizují překročení dovolené teploty svítící rudou LED diodou. Novější čidla signalizují provozuschopnost zelenou LED diodou. Funkci brzdy pásového dopravníku kontroluje snímač brzdy SB1 (obr. 11.7)

Obr. 11.7 Snímač brzdy pásového dopravníku SB1

135

Obr. 12.7 Snímač odklonu SO P1

Snímač odklonu SO P1 má široké využití:  kontrola chodu těživa po potahu pásového dopravníku v návaznosti na skrápěcí systém přesypu  snímač zahlcení přesypu  snímač odklonu pásového potahu na výložníku. Pro funkci snímače odklonu je rozhodující správné umístění v monitorovaném prostoru. Směnová kontrola pomocných prvků strojů, kterými jsou blokovací lanka, různé vypínače, snímače a čidla, znalými osobami je podmínkou jejich funkce. Jejich poškození nebo nesprávná poloha může být příčinou poruchy, úrazu, případně i havarijní situace. Cvičení 1 1.

Co je nutné před spuštěním zařízení udělat?

2.

Jaká je hlavní podmínka při zanutí stroje?

3.

Jak se varují osoby v prostoru stroje před jeho spuštěním?

4.

Čím jsou nahrazena tlačítka start a stop u automatizovaných zařízení?

5.

Z čeho je složeno blokovací zařízení u dlouhých strojů?

6.

Jaké znáte druhy vypínacích prvků?

7.

Jaké se používají nejdůležitější čidla v důlních podmínkách?

8.

Jaká je aktivační teplota teplotního čidla?

9.

Jakou funkci má snímač odklonu SO P1?

10. Jaké jsou pomocné ochranné prvky strojů?

136

8. kapitola Bezpečnost práce na elektrických zařízeních 8.1

Zásady bezpečné práce na elektrických zařízeních

Ochrana před úrazem elektrickým proudem má v maximální míře omezit možnost úrazu nebo smrti zapříčiněného přímo nebo nepřímo elektrickým proudem. Přítomnost elektrického napětí nezjistíme, dokud s ním nepřijdeme přímo do kontaktu. Zatímco se oheň nebo mechanická energie projevují světlem, kouřem nebo hlukem, před elektrickou energií nás nic nevaruje. Přítomnost elektrického napětí pocítíme až pomocí vyvolaného proudu, a to bývá již často pozdě.

8.1.1 Účinky proudu na lidský organismus Je známou skutečností, že čím je elektrický proud procházející lidským tělem větší, tím větším účinkem se projevuje. Průchod střídavého elektrického proudu tělem začínáme pociťovat při velikosti okolo 0,5 mA. Tato hodnota se považuje za práh vnímání. Do hodnoty 3 mA proud vyvolává v těle, a to zejména v místech, kde do těla vstupuje, pocity mravenčení až brnění. Tento proud, pokud neprotéká lidským tělem příliš dlouho, není nebezpečný. Při dalším zvyšování jeho velikosti se začnou svírat svaly tak, že při hodnotě nad 10 mA není toto sevření možné uvolnit. To je zvlášť nebezpečný stav, kdy již není možno pustit se například elektrického nářadí s proraženou izolací a tak procházející proud přerušit. Vzniká zde hrozba dlouhodobého průchodu proudu, který je zvlášť nebezpečný. Hodnota 10 mA se nazývá mez uvolnění (mez snesitelnosti). U žen je tato hodnota asi 8 mA a u dětí již 5 mA. Proud o velikosti 20 mA již může mít škodlivé patofyziologické následky – vnitřní poranění, porušení tkání apod. Při velikosti proudu nad 35 mA může dojít k srdeční zástavě a u proudu nad 80 mA je srdeční zástava téměř jistá. Všechny přibližné hodnoty, které zde byly uvedeny, platí pro střídavý proud o frekvenci 50 Hz, a to pro dlouhodobější průchod proudu kolem 5 s (tab. 16). Závislost mezních hodnot proudu na čase je zobrazena na obrázku 1.8.

Obr. 1.8 Závislosti působení střídavého proudu 50 Hz na člověka 137

Oblast 1 – žádná reakce těla Oblast 2 – zpravidla žádný patologický účinek Oblast 3 – s rostoucím proudem a dobou jeho působení vrůstá možnost trvalých poruch srdeční činnosti Oblast 4 – pravděpodobnost vzniku fibrilace (rozkmitání srdečních komor) Střídavý proud je nebezpečnější pro lidské tělo, než je stejnosměrný, protože při frekvenci proudu 50 Hz a dlouhodobějším působení dochází k narušení struktury buněk. Hranice účinku (práh vnímání) stejnosměrného proudu je 5 - 7 mA. Tab. 20 Porovnání účinku střídavého proudu o frekvenci 50 Hz a stejnosměrného proudu

I mA

Účinek stejnosměrného proudu 1,5

žádný pocit

2 -

3

žádný pocit

5 -

7

svědění, pocit tepla

0,6 -

práh vnímání

8 - 10

větší pocit tepla

15 - 25

ještě větší pocit tepla, neznatelné zkrácení svalů na ruce

50 - 80

silný pocit tepla, křeče, ztížené dýchání

90 - 100 500 a více

Účinek střídavého proudu

ochrnutí dýchacích orgánů, tepelné a elektrolytické účinky na nervový systém ochromení srdeční činnosti, popáleniny, zesílené elektrolytické účinky

silné chvění prstů, zvýšení krevního tlaku křeče v rukou, zvýšení krevního tlaku bolest v prstech, zápěstích a pažích, lze ještě pustit vodič ztížené dýchání, silná bolest, nelze pustit vodič ochrnutí dýchacích orgánů, bezvědomí, počátek fibrilace zastavení krevního oběhu, fibrilace, zástava srdce přehřívání svalstva

Smrtelné účinky elektrického proudu jsou současně způsobeny ochromením dýchacích orgánů a srdce, jen zřídka samotným ochrnutím srdce. Hlavním vodičem jsou tělní tekutiny, cévy, svaly.

8.1.2 Odpor (impedance) lidského těla Zde se dostáváme vlastně ke vztahu mezi proudem a napětím, který potřebujeme znát z hlediska účinků proudu v poměru k dotykovému napětí. Rovněž v tomto případě platí Ohmův zákon. V ČSN ICE 479 jsou shrnuty výsledky různých měření impedancí, která byla provedena na tělech zvířat a lidí. Celková impedance lidského těla Z T je přitom složena především z impedance místa na kůži, jímž proud do těla vstupuje (Zp1), impedance místa, jímž proud z těla vystupuje (Zp2) a dále pak z vnitřní impedance těla (Zi), tj. impedance tkání samotného trupu a končetin. Impedance lidského těla má převážně charakter činného odporu. Malý podíl kapacit je obvykle zanedbatelný. Velikost odporu přitom závisí na dráze proudu lidským tělem. Hodnota impedance kůže naproti tomu závisí na řadě vnějších činitelů. Těmi jsou napětí, kmitočet, doba průchodu proudu, plocha, kterou se člověk dotýká části pod napětím, i tlak na tuto plochu, vlhkost a teplota kůže. Například zpocená kůže má třetinový odpor kůže 138

suché. Při malém napětí do 50 V AC je impedance kůže velká, při zvyšujícím se napětí její hodnota značně klesá, od napětí 150 V výše přitom stále méně závisí na vlhkosti a ploše dotyku. Od určitého napětí (kolem 200 V AC – střídavého napětí) dojde k průrazu kožní vrstvy a její impedanci je pak možno zanedbat. Největší odpor kladou kosti, hlavně v zápěstních a hlezenních kloubech. Stejnosměrná dotyková napětí jsou přibližně dvakrát větší než dovolená dotyková napětí střídavá. Nejnebezpečnější je fáze, kdy proud (střídavý) mění svou polaritu. Tehdy jsou tkáně nejvíce namáhány. Střední hodnota impedance lidského těla je v rozmezí 650 – 850 Ω. Platí zásada, že čím je menší dotykové napětí, tím je větší impedance. Zvlášť je to patrné při měření digitálním ohmmetrem, který měří pod napětím řádově v jednotkách ohmů. Naměříte hodnoty 1 700 Ω a vyšší.

8.1.3 Dovolená dotyková napětí -

-

-

-

Jak již bylo uvedeno, z hlediska nebezpečí úrazu elektřinou je rozhodující proud, který prochází lidským tělem. Jaký proud bude lidským tělem procházet, se dá předběžně určit podle předpokládaného působícího napětí. Dotykové napětí je napětí mezi vodivými částmi, kterých se osoba nebo zvíře dotýká současně (podle ČSN EN 61140), normální prostory jsou prostory, v nichž je používání elektrického zařízení považováno za běžné, protože působením vnějších vlivů nedochází ke zvýšenému nebezpečí elektrického úrazu, nebezpečné prostory - horké, vlhké (i přechodně), prašné (je-li prach vodivý a nehořlavý se zvýšenou korozní agresivitou), s otřesy, venkovní, prostory s mechanickým poškozením, s vodivým okolím; což jsou takové prostory, kde působením vnějších vlivů je buď přechodné, nebo stálé nebezpečí úrazu elektrickým proudem, zvlášť nebezpečné prostory - mokré, s extrémní korozní agresivitou, prostory, kde se nebezpečí úrazu mimořádně zvyšuje nepříznivými poměry (voda, kotle a kovové nádrže, těsné prostory s kovovými hmotami, zdravotnická zařízení. Zvláštními předpisy jsou za nebezpečné prostory určeny takové prostory, kde se působením zvláštních okolností a vnějších vlivů nebezpečí úrazu elektrickým proudem ještě zvyšuje.

Obr. 2.8 Dotyková napětí jako napětí mezi dvěma předměty přístupnými dotyku nebo jako napětí mezi předmětem přístupným dotyku a zemí UD – dotykové napětí, U1, U2 – napětí na předmětech přístupných dotyku 139

Obr. 3.8 Dotykové a krokové napětí v závislosti na potenciálu země UD – dotykové napětí; UK – krokové napětí (1 m); US – napětí na konstrukci stožáru Krokové napětí vzniká jako rozdíl potenciálů při určité vzdálenosti mezi chodidly, když se přibližujeme ke drátům vysokého napětí spadlým na zem. Tab. 21 Meze bezpečných malých napětí při dotyku Prostory

Při dotyku částí

živých neživých živých nebezpečné (vlhké) neživých živých zvlášť nebezpečné (mokré) neživých U MBS = napětí malé, bezpečné, střídavé U MBSS = napětí malé, bezpečné, stejnosměrné normální (suché)

U MBS V střídavá 50 50 25 50 12 25

U MBSS V stejnosměrná 100 120 60 120 25 60

8.1.4 Základní pravidlo ochrany před úrazem elektrickým proudem Před tím, než uvedeme základní pravidlo ochrany před úrazem elektrickým proudem, je nutné objasnit některé termíny, které mnozí intuitivně používají, nicméně je třeba tyto pojmy upřesnit: - živé části jsou vodivé části (obvykle přímo vodiče) určené k tomu, aby při obvyklém užívání byly pod napětím, - neživé části jsou rovněž vodivé části elektrického zařízení, které však nejsou na rozdíl od živých částí určeny k tomu, aby byly při obvyklém užívání pod napětím. Nejsou obvykle živé a je možné se jich dotknout (nejsou zakryty izolací či jiným způsobem). Tyto části se však mohou stát živými, jestliže dojde k poruše. - Zřejmě každý má tu zkušenost, že živé části jsou ty části, které jsou nebezpečné. Není tomu tak ale vždy. Jistě nikoho nenapadne podezírat vnitřek kapesní elektrické svítilny z toho, že by byl nebezpečný. Proto se, jaksi pro úplnost, definuje tzv.: 140

nebezpečná živá část, což je živá část, která za stanovených podmínek může způsobit úraz elektrickým proudem. K těmto částem - živým a neživým - se tedy především vztahuje základní pravidlo ochrany před úrazem elektrickým proudem. To spočívá v tom, že: nebezpečné živé části nesmějí být přístupné a přístupné vodivé části se nesmějí stát nebezpečnými živými částmi. K tomu nesmí dojít: - ani za normálních podmínek provozu elektrického zařízení, - ani za podmínek jedné poruchy. -

8.1.5 Třídy ochran elektrických zařízení a elektronických zařízení Třída ochrany vyjadřuje, jak je elektrické bezpečnosti, z hlediska ochrany před dotykem neživých částí, dosaženo a označuje se číslicemi 0 – III. Stručné rozdělení bylo uvedeno v části 3.5. Elektrické spotřebiče v tabulce číslo 11 (str. 64). 1. Zařízení třídy 0 - elektrické zařízení má pouze základní izolaci, nemá ochranný vodič, nemá prostředky pro připojení ochranného vodiče na neživé části. Zajištění bezpečnosti elektrických zařízení a elektronických zařízení jednotlivých tříd je provedeno okolím. U zařízení třídy 0 je ochrana před úrazem elektrickým proudem pro běžného uživatele nedostatečná. Z toho důvodu nejsou zařízení třídy 0 určena pro běžné použití a v ČR se nesmí volně prodávat. Ve třídě 0 se konstruují části elektráren, rozvoden, apod., kam má přístup pouze kvalifikovaný personál. 2. Zařízení třídy I - elektrické zařízení má pouze základní izolaci, má ochranný vodič a má prostředky na připojení ochranného vodiče sítě. Ochrana je zajištěna spojením s ochranným vodičem napájecí sítě, to je soustavou ochranných vodičů a zemničů přívodní napájecí sítě. Zařízení se zapojují pouze do sítí, kde je pomocí jističů zajištěno samočinné odpojení v případě průniku napětí na ochranné spoje, v některých případech (nové nebo rekonstruované sítě) je navíc předepsáno použít chrániče. Při poruše může sice dojít k průrazu elektrického proudu (napětí) na živé dotykové části, zmíněná ochranná soustava však musí zajistit dostatečně rychlé odpojení, aby nemohlo dojít k úrazu. Typické příklady použití: stolní počítač, tepelné spotřebiče (žehlička, vařič, ...). 3. Zařízení třídy II – elektrické zařízení nemá prostředky pro připojení ochranného vodiče. Základní izolace je doplněna izolací přídavnou nebo je provedena izolace zesílená. Ochrana je zajištěna provedením elektrického předmětu a je nezávislá na přívodní síti. Při poruše nesmí dojít k průrazu elektrického proudu (napětí) na živé dotykové části (dvojitá izolace, zvýšená ochrana). Typickým příkladem použití je audio/video technika. Třída II sice klade vyšší nároky na konstrukci, ale u audio/video zařízení je preferována, neboť zde nevznikají zemní smyčky přes uzemňovací spoje, které mohou být příčinou brumu. 4. Zařízení třídy III – elektrické zařízení má základní izolaci a je určeno pro rozsah napětí kategorie I (malé napětí). Ochrana je zajištěna připojením na napětí SELV, PELV. Typickým příkladem užití jsou dětské hračky. Elektrický předmět s ochranou SELV, podobně jako u PELV, nesmí mít na žádné vnitřní ani vnější části nebezpečné napětí. Na rozdíl od PELV však jeho obvody nejsou připojeny ani k ochranné soustavě ani k zemi. Zdroje obvodů SELV musí být v bezpečném provedení, aby do chráněné sítě nemohlo proniknout vyšší napětí. Tyto zdroje musí být od jiných obvodů elektricky odděleny. Zdrojem pro sítě SELV a PELV může být baterie, bezpečnostní transformátor (s dvojitou nebo zvýšenou izolací), nebo také dynamo na jízdním kole. Základem termínu SELV je koncovka -ELV, která označuje zařízení, obvod 141

nebo síť malého napětí. Doslovný překlad výrazu "Extra Low Voltage" je "velmi nízké napětí", v terminologii našich norem to bylo "malé napětí".

8.1.6 Ochrany elektrických zařízení v důlních provozech V důlních podmínkách jsou elektrická zařízení umístěna ve velmi stísněných prostorech, a tím jsou ohrožena mechanickým poškozením (např. dopravou materiálu). S ohledem na prostředí musí být v protivýbuchovém provedení. Zařízení se proto umísťují do kovových beden, které jsou elektricky vodivé. Základním ochranným prvkem takových zařízení je připojení všech vodivých neživých částí těchto zařízení na zemnicí síť (obr. 32.2 a 33.2). Všichni pracovníci by měli být poučeni o tom, že poškození (nebo zcizení) zemnicí sítě by mohlo vést k vytvoření velmi nebezpečného stavu. Veškerá poškození zemnicí sítě musí být ihned odstraněna. Kabelové rozvody proti poškození jsou částečně chráněny kovovým pancířem (obr. 21.1), který je připojen k zemnicí síti. Pohyblivé kabely, s ohledem na ohebnost, mají stínění z elektrických vodičů (obr. 22.1). Poškození takového kabelu má za následek snížení jeho izolačního stavu, na který zareaguje příslušné zařízení. Hlídače izolačního stavu uvedou do činnosti zařízení, které odpojí poškozený kabel od zdroje energie.

8.2

Úraz elektrickým proudem

K úrazu elektrickým proudem dochází při průchodu nadměrného elektrického proudu tkáněmi živých organismů, včetně lidí a zvířat. V tkáních živých organismů dochází k procesům svázaným s tokem velmi slabých elektrických proudů nepřekračujících zlomky miliampérů, přičemž současně dochází ke vzniku napětí v řádu zlomku voltů. Kontakt člověka nebo zvířete s vnějšími zdroji elektrického proudu může vést k popálení tkáně, svalovým křečím, ztrátě vědomí, zástavě srdce, nebo i ke smrti. Negativní působení elektrického proudu člověk cítí od hodnot vyšších než 0,5 miliampéru, hodnoty vyšší než 1 miliampér negativní působení vyvolávají. Při vyšších proudech dochází ke svalové křeči a člověk již není schopen se sám dostat z elektrického obvodu, jehož je součástí, jak již bylo uvedeno v části 8.1.1. Rozhodující faktory při úrazu elektrickým proudem jsou:  velikost proudu (tabulka 20 na straně 138)  druh proudu (střídavý nebo stejnosměrný)  cesta proudu tělem (např. noha - noha, levá ruka - pravá noha, levá ruka - levá noha)  doba působení elektrického proudu. Nejnebezpečnější cesta elektrického proudu lidským tělem je přes srdce. To se děje při dotyku živého vodiče s proudem oběma rukama, neboť tehdy je vyloučen odpor obuvi a podlahy a proud prochází přímo srdcem.

8.2.1 Rozdělení úrazů elektrickou energií podle příčiny Mezi úrazy, ke kterým došlo vlivem elektrického proudu, počítáme všechna poškození zdraví způsobená elektrickým proudem, ať již přímo, nebo nepřímo. K nepřímému působení elektrického proudu můžeme počítat tepelné působení elektrického oblouku, pád způsobený úlekem při průchodu elektrického proudu tělem i neočekávané spuštění stroje v důsledku poruchy v ovládacích obvodech.

142

S přímým působením elektrického proudu jsme se již seznámili. Uvedené hodnoty jsou průměrné, protože každý jedinec je jiný. Nejvíce ohrožení elektrickým proudem jsou lidé se sklonem k pocení nebo s jemnou pokožkou (ženy, děti). Vezmeme-li průměrnou reakci muže za 100 %, pak ženy reagují při 66 % hodnoty proudu a děti při 50 %. Kromě individuálních vlastností člověka záleží při úrazu elektrickým proudem na druhu proudu. Střídavý proud je horší než stejnosměrný, nejnepříznivější je střídavý proud o kmitočtu do 500 Hz, nad 10 kHz se účinek pronikavě snižuje. Kromě velikosti proudu záleží na době jeho průchodu, a to jak z hlediska trvání průchodu, tak vzhledem k okamžité funkci srdce. Srdce je nejcitlivější na průchod elektrického proudu v okamžiku, kdy vypuzuje krev ze srdeční komory. Jedna srdeční perioda trvá 0,8 s. Vzhledem k tomu, že při průchodu proudu srdcem snese člověk při prvním stahu průchod proudu o velikosti 1 A, při druhém stahu 0,1 A a dále hodnotu stále nižší, nezpůsobí poměrně velký proud, který neprochází lidským tělem delší dobu než 1 s, většinou žádnou újmu na zdraví.

8.2.2 Postup záchranných prací Výsledek záchrany postiženého úrazem elektrickým proudem závisí na včasném a správném provedení záchranných prací. Záchranné práce začínají v první fázi vyproštěním postiženého, pokračují poskytnutím první pomoci (oživovací pokusy, ošetření apod.) a přivoláním lékařské pomoci. Při vyproštění musíme zasaženého člověka vyprostit z dosahu elektrického proudu. Nejlépe vypnutím vypínače, vytažením šňůry ze zásuvky, vypnutím jističe apod. Pokud to není možné, tak odtažením postiženého nebo vodiče, přetržením nebo přeseknutím vodiče, zkratem apod. Zachránce musí dbát na to, aby postižený po vypnutí proudu nespadl z výšky na nebezpečné předměty, ale také na to, aby neohrozil sám sebe. Proto je nutné používat izolované pomůcky (suché tyče, hadry, záchranný hák apod.) nebo izolované stanoviště (stůl, bednu, pneumatiku, dielektrický koberec). Nesmí se zapomenout na možnost úrazu krokovým napětím, zvláště pomáháme-li někomu, kdo se zranil vysokým napětím. Pokud postižený hoří, je nutné oheň udusit zamezením přístupu vzduchu, např. dekou, kabátem apod.

Obr. 4.8 Nesprávný postup při vyproštění člověka zasaženého elektrickým proudem

Obr. 5.8 Správný postup při vyproštění člověka zasaženého elektrickým proudem 143

8.2.3 Postup při poskytování první pomoci Ošetření zraněného Zastavení tepenného nebo žilního krvácení. Oživení životních funkcí Po vyproštění musí zachránce zjistit, zda postižený dýchá a má hmatatelný tep. Pokud není do 7 minut obnoven přívod kyslíku do mozku, může dojít k nevratným změnám na mozku, i když se postiženého podaří později oživit. Některé funkce mozku mohou být trvale poškozeny. Proto má obnova dýchání a srdeční činnosti přednost před ošetřováním jiných poranění. Stabilizovaná (zotavovací) poloha Pokud postižený dýchá, ale je v bezvědomí, uložíme ho do tzv. stabilizované polohy. Toto neděláme, pokud nevíme, zda má zraněný člověk poškozenou páteř.

Obr. 6.8 Postup uložení postiženého do stabilizované polohy Když je postižený při vědomí, pohodlně ho uložíme, pokud možno v teple, a podáváme mu teplé nápoje. Nesmí vstát. V důsledku úrazu může nastat poúrazový šok a s ním i problémy s dechem a činností srdce. Umělé dýchání V případě, že postižený nedýchá, ale má hmatatelný tep, zavede se ihned umělé dýchání. Provádí se metodou z úst do úst, nebo pokud to z nějakých důvodů není možné, metodou jinou. Jak rozpoznat, že člověk nedýchá:  cyanóza, vosková bledost  nepřítomnost dýchacích pohybů (kontrolujeme zrakem)  necítíme proud vydechovaného vzduchu na přikloněné tváři První pomoc u dospělých osob při zástavě dechu člověka je umělé dýchání z úst do úst. Jak postupujeme při dýchání z úst do úst:  umístíme člověka na záda na rovnou, tvrdou podložku 144



vyčistíme ústní dutinu, vyndáme člověku zubní protézu a odstraníme překážky z dýchacích cest  zakloníme nedýchajícímu hlavu a rukou přitisknutou na čelo současně držíme prsty nos  zahájíme záchranu 2 - 4 hlubokými vdechy, nečekáme na první výdech (zajistí maximální rozpětí plic, jejich okysličení, rozepnutí nevzdušných ložisek, případně možnost reflexní obnovy dýchání)  každý umělý vdech musí být dostatečně dlouhý a hluboký (dle standardů Evropy 0,4 až 0,6 litrů, dle standardů USA 0,8 - 1,2 litrů), dále dodržujeme frekvenci 12 - 16 vdechů za minutu. Jak poznat, že je dýchání účinné: zvedá se hrudník, lepší se barva postiženého, hmatný tep na krkavicích. Pokud se při úvodu umělého dýchání hrudník nezvedá a při vdechu je cítit odpor, je pravděpodobná překážka v dýchacích cestách. Pokud nejde těleso z dýchacích cest odstranit, provádíme umělé dýchání i nadále (bez ohledu na zmiňované cizí těleso v dýchacích cestách). Lepší je nějaká resuscitace, než žádná! Dutinu ústní čistíme a revidujeme vleže na zádech v mírném záklonu a otočení hlavy ke straně. Předcházíme tak možné aspiraci nebo zapadnutí případného tělesa do hlubších částí dýchací trubice (tímto způsobem nelze čištění provádět při poranění páteře). Při nemožnosti otevření dutiny ústní z důvodu např. křečí použijeme k otevření tzv. trojitý manévr. Ten použijeme i při podezření na poranění krční páteře. Své prsty pokládáme za úhel dolní čelisti, palce vedle sebe na bradu, tahem za úhel a mírným tlakem na bradu dolní čelist povytahujeme a vysouváme dopředu. Vytáhneme tak závěsný aparát jazyka, který uvolní dýchací cesty. Není-li hmatatelný tep na velkých cévách, je nutno přikročit k nepřímé nebo přímé srdeční masáži. Přitom nesmí být přerušeno umělé dýchání. Na obnaženém hrudníku vyhledáme dolní konec hrudní kosti (místo, kde se setkávají žebra obou polovin hrudníku). Dlaň ruky se položí asi 3 cm nad konec hrudní kosti (obr. 7.8). Na zápěstí položíme dlaň druhé ruky a zaklesneme prsty obou rukou (obr. 9.8). Nad postiženého se nakloníme tak, abychom s nataženými končetinami v loktech stlačovali hrudní koš do hloubky 4 až 5 cm (obr. 8.8). Po stlačení hrudní kost uvolníme. To provádíme plynule s frekvencí 80krát za minutu. Masáž provádíme, dokud není hmatný tep nebo dokud se nedostaví lékař. Je-li k dispozici pouze jeden zachránce, provádějí se po patnácti stačeních hrudníku dva vdechy.

Obr. 7.8 Poloha rukou při nepřímé srdeční masáži

Obr. 8.8 Provádění přímé srdeční masáže

145

Obr. 9.8 Spojení rukou při přímé srdeční masáží

8.3

Požáry elektrických zařízení

Elektrické přístroje jsou běžnou, ale často podceňovanou příčinou požárů. Neopatrné zacházení s elektrospotřebiči může ohrozit lidský život a zdraví. Iniciátorem požáru může být tepelný nebo elektrický spotřebič, elektrické, technické nebo technologické zařízení, nebo jeho součást. Běžně v domácnosti jsou to jak velké spotřebiče (lednice, pračky, televizory...), tak i drobné věci jako jsou fény, kulmy, rychlovarné konvice, toustovače, domácí pekárny, žehličky, vysavače, brusky, vrtačky apod. Požár může způsobit i vadné elektrické vedení nebo zapojení elektrických zásuvek. Nejčastějším důvodem, který může způsobit požár, je technická porucha na elektrickém přístroji nebo lidská nedbalost při zacházení s elektrospotřebiči. Bezpečné používání elektrických přístrojů 

Elektrické spotřebiče kupujte pouze u odborných prodejců a vyhněte se zboží pochybného původu bez záručního listu a označení „C E".

Obr. 10.8 Označení schválených typů spotřebičů  

Když si přinesete domů nový elektrický přístroj, je nezbytné si pečlivě přečíst návod k obsluze, který je přiložen. Při prvním spuštění i následném užívání přístroje vždy postupujte přesně podle tohoto návodu. Spotřebiče používejte pouze k těm účelům, pro které jsou určeny, a způsobem uvedeným v jejich návodu.

146

      

 

Nepřetěžujte elektrické zásuvky (několik zapojených přístrojů přes rozdvojku může přetížit zásuvku a způsobit zkrat nebo i požár). Spotřebiče nenechávejte při provozu bez dohledu (to platí zvl. pro ty, které je nutné po ukončení provozu vypnout). Elektrické spotřebiče by neměly přijít do styku s vlhkostí a vodou, zejm. v místech napojení do sítě. Při užívání přístroje průběžně kontrolujte jeho stav (např. jestli není prodřený elektrický kabel, nepřepalují se součástky apod.). Pokud by se vám něco nezdálo v pořádku, neprodleně nechte přístroj zkontrolovat odborným servisem. Nebezpečí požáru znamenají i silně zaprášené přístroje, proto povrch i vnitřek přístrojů pravidelně čistěte. Pokud to vyžaduje návod k přístroji (sekačky, el. kotel, ...), provádějte u něj pravidelné servisní prohlídky, kdy vám odborník zaručí správné a bezpečné fungování přístroje na další období. Při bouřce a dlouhodobé nepřítomnosti v bytě odpojte spotřebiče vytažením přívodní šňůry ze zásuvky. Přístroje s režimem vypínání „stand-by" (svítící dioda) doporučujeme vždy vypínat i tlačítkovým vypínačem na přístroji (hrozí možný zkrat a požár). Mimořádné i běžné opravy a údržbu elektroinstalace a spotřebičů svěřte jen odborné firmě. Zabezpečte spotřebiče a elektroinstalace před lidmi se sníženou schopností rozeznat nebezpečí (dětmi, mentálně postiženými apod.), například zaslepením zásuvek či uzamčením vypínačů.

Hašení požáru elektrického zařízení pod proudem V případě vzniku požáru elektrického spotřebiče jej nikdy nehaste vodou, protože voda je díky ionům vodivá! Hasicí přístroj je určen k hašení začínajícího požáru, tj. pro prvotní protipožární zásah. Obsahuje určitý druh hasiva a je opatřený zařízením, kterým se přístroj uvádí do činnosti. Hasicí přístroje dělíme na přenosné, pojízdné a přívěsné. Při použití hasicího přístroje postupujeme podle návodu uvedeného na přístroji. K hašení elektrických zařízení pod napětím jsou určeny hasicí přístroje práškové, sněhové, halotronové. Kabely ležící na podlaze a malá zařízení lze uhasit zasypáním inertním prachem nebo pískem (Geotechnika 2 – Požáry a ohně). Iniciátorem důlního požáru může být výbuch metanu aktivovaný elektrickým zařízením. Z tohoto důvodu musí být veškerá důlní zařízení v plynujících dolech v nevýbušném provedení (viz kapitola 1.5.3.4, strana 22). Cvičení 1 1.

Jaký je práh vnímání u stejnosměrného a střídavého proudu?

2.

Jaká je hranice snesitelnosti střídavého proudu?

3.

Jaká je střední hodnota impedance lidského těla a na čem závisí?

4.

Jak souvisí hodnota impedance s dotykovým napětím,

5.

Jak rozdělujeme prostory podle hranice bezpečnosti dotykového napětí? 147

6.

Jaké jsou způsoby ochrany elektrických zařízení v důlních provozech, aby nedošlo k úrazu pracovníků elektrickým proudem?

7.

Jaký je postup při záchranných pracích, pokud je pracovník zasažen elektrickým proudem?

8.

Jak zjistíme, že člověk nedýchá?

9.

Jak postupujeme při dýchání z úst do úst?

10. Jak se provádí srdeční masáž? 11. Co může způsobit požár při průchodu elektrického proudu vodičem a spotřebičem? 12. Jak může vzniknout nepřímý úraz elektrickým proudem? 13. Proč je střídavý proud nebezpečnější než proud stejnosměrný? 14. Kdy vzniká krokové napětí? 15. Jakou hodnotu mají malá, bezpečná, střídavá a stejnosměrná napětí vzhledem k typu prostředí? 16. Při jaké hodnotě střídavého proudu již člověk není schopen pustit živý vodič? 17. Při jaké velikosti střídavého proudu dochází k jisté zástavě srdce? 18. Při jaké velikosti stejnosměrného proudu dochází k poruše srdeční činnosti? 19. Proč nehasíme při požáru zařízení pod napětím vodou? 20. Co může být zdrojem požáru v dole? 21. Jak dlouho může být bez následků bez kyslíku mozek? 22. Jaká jsou telefonní čísla na záchrannou službu a hasiče?

148

9. kapitola Základy měření v elektrotechnice 9.1

Měřicí přístroje

Přesné měřicí přístroje začaly vznikat až po roce 1881, kdy nahradily obvyklé tangentové a sinusové busoly, galvanometry s magnetkou a multiplikátory. Galvanometr tvořila obyčejná magnetka umístěná uprostřed velkého proudového závitu. Měřený proud procházel závitem a vychyloval magnetku. Protože je síla proudu úměrná funkci tangentu úhlu, nazývá se tento přístroj někdy tangentová busola. Multiplikátor vynalezl Johann Salomo Christoph Schweigger. Tvoří ho dvě magnetky umístěné nejčastěji nad sebou a přivrácené k sobě opačnými magnetickými póly. Vývojem přesných měřicích přístrojů se zabýval WERNER SIEMENS ve svém závodě. Nový systém měřicího přístroje k měření stejnosměrných proudů navrhl MARCEL DEPRÉZ a Jacques–Arsène d´Arsonval a na jeho počest se nazývá deprézský. Jeho činnost je založena na silovém působení magnetického pole permanentního magnetu na otočnou cívku, kterou prochází elektrický proud. Magnetoelektrický (deprézský) měřicí přístroj je typ elektromechanického zařízení využívaný k měření elektrického proudu, napětí a odporu. Magnetoelektrický přístroj využívá magnetických účinků elektrického proudu. Do otočné cívky (viz obrázek) je přiváděn elektrický proud, který vytvoří okolo cívky magnetické pole. Protože se cívka nachází v magnetickém poli permanentního magnetu, vznik nového magnetického pole indukovaného měřeným proudem způsobí nerovnováhu sil. Vzájemné působení obou magnetických polí se vyrovná natočením cívky. Na cívce je připevněna ručička, která po otočení cívky ukáže na příslušnou hodnotu proudu na ciferníku. Takto je možné měřit pouze stejnosměrný proud nebo napětí. V případě měření harmonického střídavého signálu je nutné proud nejdříve usměrnit a v takovémto případě musí přístroj obsahovat navíc usměrňovač. U harmonických střídavých signálů měří přístroj jejich střední hodnotu, ze které lze v případě sinusového průběhu vypočítat efektivní hodnotu. Pokud není průběh střídavého harmonického proudu sinusový (na ten je stupnice kalibrovaná), nelze efektivní hodnotu signálu z naměřené střední hodnoty určit (výjimkou jsou průběhy, kde přepočtové vztahy známe – trojúhelník, obdélník, pila atd.).

Obr. 1.9 Magnetoelektrický (deprézský) systém 149

Obr. 2.9 Ručkový univerzální měřicí přístroj s usměrňovačem (deprézský systém)

Obr. 3.9 Detail měřicí stupnice ručkového přístroje

150

9.2.

Měření proudu a napětí na ručkovém přístroji

Ampérmetr zapojujeme ke spotřebiči sériově (má malý vnitřní odpor), voltmetr paralelně (má velký vnitřní odpor) a ohmmetr rovněž paralelně. Na většině škol se zaměřením na výuku elektrotechniky a elektroniky zřejmě mají digitální univerzální měřicí přístroje. Jestliže pro měření někde ještě používají ručkové přístroje, pak je nutné, aby ti, kteří měří, uměli určit skutečnou hodnotu měřené veličiny. N = naměřený počet dílků na stupnici n = maximální počet dílků na stupnici r = rozsah měření

r n

Určíme si konstantu měřícího rozsahu:

k=

Skutečná hodnota veličiny pak je:

X=k·N

Řešený příklad 10: Maximální počet dílků na stupnici n = 100 Rozsah měření r = 250 mA Naměřený počet dílků N je 30 r 250  30  75 mA Skutečnou hodnotu proudu určíme: I = N  n 100 Stejně postupujeme při určování hodnoty napětí na voltmetru. Elektromagnetický měřicí přístroj je typ elektromechanického zařízení používaný většinou k měření proudu a napětí a využívá magnetických účinků elektrického proudu. Měřené napětí je přivedeno na pevný a pohyblivý segment, který se tím zmagnetizuje, a stejné magnetické póly se začnou odpuzovat. Síly se vyrovnají pootočením osy, na které je připojen pohyblivý segment a zároveň ručička, která na ciferníku ukáže hodnotu měřené veličiny. Elektromagnetický měřicí přístroj (voltmetr nebo ampérmetr) měří stejnosměrné i střídavé veličiny a není ho třeba zapojovat přes usměrňovač, jako např. magnetoelektrický měřicí přístroj. Ukazuje efektivní hodnotu napětí a proudu.

Obr. 4.9 Řez elektromagnetickým měřicím přístrojem 151

Elektrodynamický měřicí přístroj (wattmetr) má dvě části – pevnou cívku, na kterou je přiveden elektrický proud z měřeného obvodu, a pohyblivou cívku, na niž přivádíme elektrické napětí z téhož obvodu. Výsledná výchylka pak ukazuje činný výkon měřeného prvku, tedy součin přivedených veličin. Přepínání rozsahů přístroje je realizováno předřadným odporem v případě napětí a sériově paralelním řazením ekvivalentních částí pevné cívky v případě změny proudového rozsahu.

Obr. 5.9 Princip elektrodynamického měřicího přístroje Ferodynamický měřicí přístroj Měřicí zařízení pracující na tomto principu nejsou přesná jako jinak konstruovaná zařízení, avšak vynikají vysokou odolností vůči elektromagnetickému rušení. Ferodynamický měřicí přístroj má také omezenější frekvenční rozsah oproti ostatním typům elektromechanických přístrojů. Digitální měřicí přístroj

Obr. 6.9 Digitální měřicí přístroj Digitální přístroj má v sobě převodník střídavého napětí na napětí stejnosměrné, a proto se při měření stejnosměrných i střídavých hodnot napětí a proudu připojují vodiče na stejné zdířky. Hodnoty se zobrazují na displeji pomocí tekutých krystalů, které se nastavují podle změn 152

jejich odporu. Žlutý rozsah je stejnosměrný a bílý střídavý. Rozsah na ohmmetru určuje maximální hodnotu v ohmech, která je měřena na daném rozsahu. V hornictví se na měření odporu vodičů používá jednoduchý ohmmetr (obr. 7.9), který má jen dva rozsahy měření. Když chceme změřit odpor celkové délky vedení, tak na jednom konci kabelu vodiče spojíme a druhý konec připojíme na svorky ohmmetru. Jestliže je při tomto měření na ohmmetru nulová hodnota, pak je v některém místě vodič přerušen.

Obr. 7.9 Ohmmetr používaný v hornictví na měření odporu vodičů

Obr. 8.9 Detail stupnice ohmmetru

153

9.3

Chyby měření

Než začnete měřit, je třeba znát, jakých chyb se můžete dopouštět a jak spočítáte absolutní a relativní chybu měření. Chyby dělíme na: a) soustavné – způsobené měřicími přístroji b) náhodné – náhodně se vypne přívod elektrického proudu c) hrubé – chyby způsobené pozorovatelem Při měření veličiny, která má vyjít konstantní, použijeme 10 naměřených hodnot a spočítáme aritmetický průměr (hodnoty sečteme a vydělíme 10). Jako příklad uvádím výpočet chyb u odporu. Aritmetický průměr:

R

 Rn n

kde n je počet naměřených hodnot, Rn jsou naměřené hodnoty odporu. Od aritmetického průměru odečteme postupně n naměřených hodnot a určíme odchylku měření:

Δ R  R  Rn n = 1 až 10 Abyste odstranili záporné hodnoty, umocníte odchylky na druhou (  R ) a deset hodnot 2

(ΔR ) 2 sečtete a dostanete součet druhých mocnin odchylek Σ(ΔR ) . 2

Značka  označuje součet. Z těchto vypočtených hodnot pak určíte absolutní a relativní chybu určené veličiny. Absolutní chyba

δR 

Σ(Δ R) 2 n  (n  1)

se píše vždy s jednotkou měřené veličiny.

Tato veličina se také uvádí jako směrodatná odchylka. Pokud počítáte absolutní chybu elektrického odporu, tak za hodnotou absolutní chyby je jednotka  . Relativní chybu určíme ze vzorce

ρ

δR  100 a vychází v procentech. R

Nejpravděpodobnější hodnota změřené veličiny pak je:

R  ( R  δR ) Ω 154

X  ( X  δ X ) jednotka měřené veličiny

Zápis obecné veličiny:

V některé literatuře se používá na výpočet chyb i jiné značení (uvedeno při výpočtu chyb u digitálních přístrojů).

9.3.1 Chyby digitálních měřicích přístrojů Řada lidí se domnívá, že digitální přístroje jsou absolutně přesné a že analogové přístroje s nimi nelze srovnávat. U běžných digitálních multimetrů (v cenové relaci do 4 000 Kč) je tomu většinou naopak. Tyto přístroje měří poměrně slušně pouze stejnosměrné napětí, ostatní veličiny pak s několikanásobně větší chybou než přesné přístroje analogové, protože u těchto přístrojů se všechny měřené veličiny převádí pomocí převodníků na stejnosměrné napětí. Tyto převodníky pak zanáší do měření další chybu. Je tedy naprostá hloupost ověřovat třídu přesnosti analogového přístroje pomocí kapesního multimetru. Většina výrobců digitálních přístrojů udává přesnost přístroje (tzv. základní chybu) ve tvaru

 X    1  d  , někteří ve tvaru

 X    1   2  , kde:  1 - chyba z naměřené hodnoty, bývá vyjádřena v % a je v celém měřicím rozsahu konstantní, někdy se za ni připisuje značka rdg (reading - čtení)

 2 - chyba z měřicího rozsahu, nelze ji s chybou z naměřené hodnoty  1 prostě sečíst, někdy se za ni připisuje značka FS (full scale - plný rozsah). d - chyba udaná v počtu dibitů (jednotek) posledního místa displeje. Její přepočet na chybu z měřicího rozsahu závisí na počtu zobrazovaných míst displeje. Přepočet na procentní chybu z měřicího rozsahu je jednoduchý:

2 

d 100  číslo % , mpij

kde mpij znamená maximální počet indikovaných jednotek Celkovou relativní chybu digitálního přístroje při měření vypočteme podle vztahu:



X 



M

 X     1   2  R  ; % , X kde: XR - hodnota měřicího rozsahu, XM - měřená hodnota.

155



Řešený příklad 11 Číslicový voltmetr má pro rozsah 200 V základní chybu  U ±(0,8 rdg + 0,2 FS). Zjistěte relativní chybu měření napětí U1 = 100 V a U2 = 150 V na tomto rozsahu.

 U    1   2   0,8 rdg  0,2 FS 

X





XR  200       0,8  0,2     1,07 % 150   M2 



200 

 U1     1   2  R     0,8  0,2     1,2 % X 100   M1    U 2     1   2  X 

Řešený příklad 12 Chyba číslicového multimetru s 31/2 místným displejem (maximální indikovaná hodnota je 1999) je pro měření střídavého proudu udána ve tvaru  1 = ±(1 ,4 % + 8 dibit). Zjistěte velikost relativní chyby přístroje, měříme-li na rozsahu 2 A proud 0,8 A. Maximální počet indikovaných jednotek je 2 000. Maximální počet indikovaných jednotek je mpij.

2 

d  100  číslo % mpij

2 

d 8  100   100  0,4 % mpij 2 000

Celková chyba pak má tvar   1,4 rdg  0,4 FS Relativní chybu určíme ze vztahu:



X 



M

       1   2  R   1,4  0,4    2,4 % X 08   2



Moderní digitální přístroje mají přepínání rozsahů automatické. Přístroj přepíná rozsahy tak, aby při měření bylo vždy dosaženo maximální přesnosti. Na kterém rozsahu přístroj právě měří, zjistíme snadno podle maximálního počtu zobrazovaných míst. Multimetr s maximální hodnotou 4 999 přepíná např. při měření napětí automaticky rozsahy 500 mV – 5 V – 50 V – 500 V. Multimetr s maximální hodnotou 1 999 má rozsahy 200 mV – 2 V – 20 V – 200 V. Přepínání rozsahů pro měření ostatních veličin probíhá obdobně. Některé multimetry mají samozřejmě i více rozsahů, to záleží na provedení přístroje. Chyby multimetrů pro jednotlivé rozsahy i hodnotu těchto rozsahů najdete v návodu použití k přístroji. Při zapojování v obvodu nejdříve zapojujeme prvky sériově vždy od jednoho pólu zdroje ke druhému a teprve potom připojujeme k určitým prvkům voltmetr (ohmmetr). Na počátku měření jsou vždy přístroje nastaveny na největší rozsah měření.

156

9. 4

Zvětšování rozsahu měřicích přístrojů

Ampérmetr se normálně ke spotřebiči připojuje sériově, protože má malý vnitřní odpor a proto změří proud, který prochází spotřebičem, přesně. U zvětšení rozsahu ampérmetru se paralelně k ampérmetru připojuje rezistor s menším odporem, než je odpor ampérmetru, protože proud vždy teče tou větví v obvodu, která má menší elektrický odpor. 1. Zvětšení proudového rozsahu ampérmetru

Obr. 9.9 Bočník paralelně připojen k ampérmetru

pro uzel B platí 1. K. z.:

I  I a  (I  I a )

Rb (bočník) Proud, který by normálně ampérmetr poškodil, se díky paralelně připojenému rezistoru (bočníku) v uzlu B rozdělí, a proto ampérmetr zůstane nepoškozen. Pro napětí platí rovnost:

Ua  Ub Ra  I a  Rb  ( I  I a )

pro R b platí:

Rb 

Ra  I a I  Ia

Rb 

Ra

Rb 

Ra n 1

I 1 Ia Zapamatujte si vzorec pro odpor bočníku:

I Ia Rb Ra n



Ra n 1

je celkový proud měřicího přístroje s bočníkem při plné výchylce proudový rozsah měřicího přístroje při plné výchylce bez bočníku odpor bočníku vnitřní odpor ampérmetru udává, kolikrát zvětšíme rozsah ampérmetru

157

Řešený příklad 13 Vypočtěte odpor bočníku ampérmetru s vnitřním odporem Ra  5 Ω s proudovým rozsahem I a  100 mA , jestliže celkový proud je 5 A.

n

I 5   50 Ia 0,1

Rb 

Ra 5   0,1 Ω n  1 50  1

Odpor bočníku má velikost 0,1 Ω. 2. Zvětšení rozsahu voltmetru provádíme předřadníkem (rezistorem zapojeným do série s voltmetrem), dosáhneme rozdělení napětí, a proto se voltmetr nezničí. Pro sériové zapojení rezistorů platí, že celkové napětí se rovná součtu napětí na jednotlivých rezistorech. Běžně zapojujeme voltmetr ke spotřebiči paralelně, protože voltmetr má velký vnitřní odpor.

Obr. 10.9 Předřadník zapojen do série s voltmetrem

Pro odpor předřadníku používáme vzorec, který si můžete zkusit odvodit z rovnosti proudů, které procházejí předřadníkem a voltmetrem. Rp  Rv  (n  1)

n 

U Uv

U je napěťový rozsah měřicího přístroje s předřadníkem (celkové napětí ) Uv je napěťový rozsah voltmetru při plné výchylce (maximální rozsah voltmetru bez předřadníku) Rp je odpor předřadníku Rv je vnitřní odpor voltmetru Řešený příklad 14 Určete odpor předřadníku k voltmetru, který má základní rozsah 3 V a vnitřní odpor 2 000 Ω tak, aby bylo možné změřit celkové napětí 24 V.

158

n

U 24  8 Uv 3

Odpor předřadníku: Rp  Rv  (n  1)  2 000  7  14 000  Odpor předřadníku je 14 000 Ω. 3. Určení parametrů obvodu – výpočet příkladů řešených pomocí Kirchhoffových zákonů Cvičení 1 1.

Určete odpor ampérmetru, jestliže odpor bočníku je 0,5 Ω, ampérmetr má nejvyšší rozsah 10 mA a chceme změřit proud 0,5 A. [ Ra  24,5 Ω]

2.

Určete vnitřní odpor voltmetru, jestliže voltmetr má základní rozsah 12 V a chceme měřit napětí do 60 V. Odpor předřadníku je 4 000 Ω. [ Rv  1 000 Ω ]

Cvičení 2 1.

Na jakém principu pracuje deprézský systém?

2.

Na jakém principu funguje elektromagnetický měřicí přístroj?

3.

Na jakém principu funguje elektrodynamický měřicí přístroj?

4.

Ferodynamický měřicí přístroj pracuje na větším nebo menším frekvenčním rozsahu?

5.

Který přístroj měří přesněji a proč? Ručkový nebo digitální?

6.

Jak vypočítáme aritmetický průměr?

7.

Jaké znáte druhy chyb měření?

8.

V jakých jednotkách vychází absolutní chyba měření (směrodatná odchylka)?

9.

Jak zapojujeme ampérmetr ke spotřebiči a proč?

10. Jak zapojujeme voltmetr ke spotřebiči a proč? 11. Jak změříme celkový odpor vodičů před odstřelem? 12. Jak zjistíme ohmmetrem, že vodič je přerušen? 13. Jakým způsobem zvětšíme rozsah měření ampérmetru? 14. Jakým způsobem zvětšíme rozsah měření voltmetru?

159

Závěr V této učebnici jste se setkali s učivem, které upevní znalosti a dovednosti v elektrotechnice a umožní těchto dovedností využít při konání maturitní zkoušky v rozšiřujícím studiu pro obor Geotechnika. V učebnici je 21 cvičení s otázkami a příklady, 14 řešených vzorových příkladů, 21 tabulek a 164 obrázků, které pomohou pochopit učivo. Látka navazuje na to, co již znáte z praxe při práci v hornictví.

160

Literatura. [1]

Wojnar, J.: Základy elektrotechniky, Brno, Tribun EU s.r.o. 2013.

[2]

Kottas, J.: Stroje a zařízení 2, Karviná, SPŠ Karviná 2007.

[3]

elektrika.cz/data/clanky/chyby-digitalnich-mericich-pristroju.

[4]

Kubica, J.: Vlastní výukové materiály

161

Rejstřík

A

Ch

akumulátor olověný 59 alternátor 62 ampér 52 aniony 55 anoda 55

charakteristiky pohonů 119 charakteristiky zátěžových mechanizmů 120 chyby měření 154 chyba absolutní 154 chyba relativní 154 chyby digitálních měřicích přístrojů 155 B I

baterie plochá 59 barvy izolace 46 bočník 157

impedance lidského těla 138 induktance 190 ion 54 C J

coulomb 52 jistič 37,40 joule 80

Č článek Daniellův 59 články galvanické 55 článek mokrý 58 článek primární 58 článek sekundární 58 článek Voltův 59

K kabely elektrické 30 kation 55 katoda 55 kód rezistorů 77 kompenzace účiníku 113 D

L

disociace elektrická 55 druhy elektromotorů 103 dynamo 61

lokomotivy důlní 224 lumen 95 luminofor 96 lux 95 M

E

meze bezpečných malých napětí při dotyku 140

efekt stroboskopický 101 elektrárna - akumulační 22 - jaderná 20 - přečerpávací 23 - průtočné 22 - tepelná 20 - vodní 21 elektrolyty 55 elektrolýza 55 elektromotory 103 - 117 elektron 26 ekvivalent elektrochemický 56

N napětí 24 napětí dotyková 139 napětí sítě 17

O obvod elektrický 53 odpor - bočníku 157 - předřadníku 158 - rezistoru 45 - vodiče 66 ochrany nadproudové 36 ochrany přepěťové 42 okruh světelný 47 okruh zásuvkový 48 osvětlení 95 ovládání motoru 131 ovládací přístroje strojů 128

F frekvence napětí a proudu 62 G generátor 62 H hustota proudu 52 hodnoty proudu z hlediska bezpečnosti 138

P parametry galvanických článků 58

162

- doutnavý 94 - jiskrový 94 - nesamostatný 93 - obloukový 94 výboj samostatný 93 výkon stejnosměrného proudu 80 výkon střídavého proudu 109 výkon trojfázového proudu 111

pohony elektrické 117 pojistka 37,38,39 pólpár 107 prostory - BNM 30 - SNM 30 - BNP 30 - SNP 30 proud elektrický 52 prvky elektrického pohonu vypínací 132 přípojka domovní 34

Z zatížení elektrické soustavy 18 zákon Ohmův 67 zákon Jouleův -Lenzův 91 zapojení do hvězdy 63 zapojení do trojúhelníka 63 zapojení rezistorů 79 zapojení rezistorů sériově 79 zapojení rezistorů paralelně 79 zářivky 96, 97 zdroje napětí a proudu 54, 62

R rezistor 78 rovnice transformační 26 rozdělení elektropohonů 118 roztažnost teplotní délková 70 rozvaděč bytový 35 rozvodná síť 25 rozvody nízkonapěťové 45 rozvody důlní kabelové 30,50 rozvodná soustava pro důlní závod 29

Ž žárovky 96

S siemens 66 síť rozvodná 25 soustava elektrizační 17 sostava přenosová 17, 24 soustava rozvodná 17, 24 skluz 106 spotřebiče - elektrické 73 - elektronické 74 - tepelné 65, 91 spojování zdrojů napětí 86 supravodivost 67 svítivost 95 světelný tok 95 T trakce elektrická 123 transformátor 26 transformátor trojfázový 26 třídy teplotní odolnosti izolace 72 turbogenerátor 20 U účinky elektrického proudu na organismus 138 účinnost 81 účinnost světelná 96 úraz elektrickým proudem 142 uzemnění 44 V vedení elektrického proudu v kapalinách 55 vedení elektrického proudu v kovech 52 vedení elektrického proudu v plynech 93 vodiče 65, 70, 71 vodivost 66 volt 68 výbojky 273 výboj

163

164