Stýskala, 2002
L e k c e
z
e l e k t r o t e c h n i k y Vítězslav Stýskala TÉMA 2
Oddíl 3
Elektrické stroje jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická.
Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE
NETOČIVÉ
T O Č I V É
• • • •
(jedno a trojfázové)
Komutátorové
Střídavé
Stejnosměrné
Střídavé
• • • •
cizím buzením derivační kompaudní sériové
TRANSFORMÁTORY
MOTORY
(Alternátory)
Stejnosměrné
GENERÁTORY
• síťové (výkonové)
• usměrňovače
• pecní
• střídavé měniče napětí
• svařovací (rozptylové) • měřící (MTP, MTN) • speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.)
cizím buzením derivační kompaudní sériové • asynchronní • synchronní
• synchronní • asynchronní
SYNCHRONNÍ STROJE ELEKTRICKÉ STROJE
T O Č I V É
• • • •
• • • •
cizím buzením derivační kompaudní sériové • synchronní • asynchronní
Komutátorové
Střídavé
Stejnosměrné
Střídavé
MOTORY
(Alternátory)
Stejnosměrné
GENERÁTORY
cizím buzením derivační kompaudní sériové • asynchronní •
synchronní
MĚNIČE
• střídače • pulzní měniče • měniče kmitočtu
Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole vodiče je pohyb rotační
a
(využívaný ve většině běžných AC generátorů) u(t)
Časový průběh indukovaného napětí
ωt S
Rychlost otáčení, resp. otáčky n
J
~ VO L
R TMET
i(t) - (střídavý proud – obou polarit)
Mag. indukce B
u(t) –
střídavé indukované napětí
Hlavní části generátoru
Kotevní vinutí: je nejčastěji 3f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá „vyrobená“ indukovaná elektrická energie
Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče (často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole
Stator: pevná část generátoru
Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje
Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím
Amortizér (tlumič): Spec. klecové vinutí nakrátko,zamezující tzv. kývání
------------------------------------------------------------------------------------------------ Hnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory ...
Princip jednoduchého AC zdroje
– AC generátor
(indukované napětí vzniklé v otáčejícím se závitu ve stálém EM poli při různých vzájemných polohách)
J
S
J
S
J
S
J U=0
S
J
U=0
Dva konstrukční typy AC generátorů
s otáčejícím se rotorem je nejpoužívanější prakticky u všech elektro energetických zdrojů – synchronních generátorů (AC SG) - nutnost kroužků a kartáčů pro buzení
s otáčející se kotvou
Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru Ve většině států světa a v celé Evropě má síťové AC napětí kmitočet f = 50 Hz, ale např. v USA a Kanadě je to 60 Hz. ? Jakými otáčkami n se musí otáčet např. rotor 2pólového (pp = 1) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz ?
Platí:
n = 60·f / pp = 3 000 min-1 = 50 s-1
Trojfázové elektrické zdroje napětí
Alternátory
= AC generátory
V jeden konstrukční celek, zpravidla 3f synchronní alternátor jsou konstrukčně vkomponovány 3 jednofázové generátory (prakticky jsou to jejich vinutí, do kterých se naindukují jednotlivá fázová napětí). Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp.120o el.). S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a jeho hmotnost. Ze standardního trojfázového rozvodu (3f sítě) je odvozen i jednofázový rozvod (1f síť).
Rozdělení alternátorů (synchronních)
Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázové Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika)
Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční síti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V Výkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony 200 - 500 MW, výjimečně i 1 000 MW (JE Temelín)
Typu: na turboalternátory a hydroalternátory
Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně L1
tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru
L3
L1
L2
L3
kroužky
L2
3f statorové vinutí Nulový vodič Kartáče N (S)
+ DC BUDIČ S (J)
Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje
Indukované napětí Budeme-li uvažovat jako nejjednodušší AC SG otáčející se (hnanou hnacím strojem) cívku v homogenním EM poli, je okamžitá hodnota indukovaného napětí v jednom závitu cívky vyjádřena
ui = dΦ/dt = Um . cos ωt Časový průběh ui je harmonický. Jedna perioda je rovna jedné otáčce cívky => jedná se o dvojpólový SG .
Pohled na 3f synchronní hydroalternátor (vodní dílo Lipno, 2x 60 MW)
Viz: další odkaz k tématu
3f synchronní alternátory http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/stroje_2.html
Průmyslová výroba elektrické energie
Elektrárny a zdroje Uhelné Jaderné Sluneční Vodní Vodní přečerpávací Termální Větrné Kogenerační jednotky Palivové články Perspektivní zdroje
Stále rostoucí potřebu elektrické energie pro průmysl, dopravu i domácnosti mohou uspokojit jen dostatečně
výkonné a spolehlivé elektrárny. Na elektrickou energii se v nich přeměňuje teplo f. p., energie proudící vody, teplo z jaderné reakce. Využívá se i energie větru, slunečnícho záření, geotermální nebo energie mořského přílivu.
V České republice patří k dostupným zdrojům pro výrobu elektrické energie především fosilní paliva … uhlí, mazut, plyn (f. p.) jaderná energie voda
Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou
Komín
Parní potrubí parovod Alterátor ROZVODNA
Turbína
Skladka uhlí
vn
vvn
Dopravník uhlí Parní kotel
Kondenzor chladič
Blokový transformátor
Zásobník užitkové vody Chladící voda
Další odkaz k tématu: http://www.energyweb.cz/web/schemata/tepelna/index.htm http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/02/vyroba_5.html http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/elektrarny_2.html
Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně vvn vedení Turbolternátor + blokový transformátor
Reaktor
Parní turbína
G
Chladící voda
Oběhová čerpadla
Řez jadernou elektrárnou
Parní potrubí - parovod
Kontejment
Turboalterátor Řídící tyče Vyvíječ páry
Reaktorová nádoba
Čerpadlo
REAKTOR
Turbína
Chladící věž Čerpadlo
Kondenzátor chladič vody
Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem Budova reaktoru – sekundární kontejment Primární kontejment Vícestupňová turbína a turboalternátor Hlavní parovody
Reaktor
Napájecí pumpy
Řídící tyče
Vývod el. energie do rozvodny
Kondenzátor vody
Odtok
> str.26 Další odkaz k tématu: http://www.energyweb.cz/web/schemata/jaderna/index.htm
Sluneční elektrárna Více na odkazu: http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES
Princip solární fotovoltaické elektrárny Tok elektronů Fotony
Atomy Přední propustná plocha
Elektrony
Střídač
Zpětně odrazná plocha
Více k tématu na: http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/fotoclanky_2.html
Elektrická rozvodná síť
MISCELLANEOUS Pohled na solární fotovoltaickou ELECTRICAL DEVICES elektrárnu
Další odkaz k tématu: http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm
Vodní elektrárny Využívají potenciální* a kinetické** energie vodního toku. •Těleso o hmotnosti 1 kg má potenciální energii 1 J, je-li 0,1 m nad povrchem země. Těleso má tuto energii díky své poloze, např. zemské gravitaci.
**
Těleso má kinetickou energii 1 joule, jestliže má hmotnost
2 kg a pohybuje se rychlostí 1 m/s. Kinetická energie je vždy spojena s pohybem.
Řez vodní elektrárnou
QUESTIONS?
ická Elektr ie energ
Přehradní hráz
Vodní nádrž
Blokový transformátor
Budova elektrárny
vn
Přívod vody
vvn
hydroalternátor
Tlakov é po
trubí
Vodní turbína Řeka
Další odkaz k tématu: http://www.energyweb.cz/web/schemata/vodni/index.htm http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/vodnielektr_1.html
Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energie Stožár vvn vedení Elektrické vedení
Hydralternátor
Řez akumulační přečerpávací elektrárnou Rozvodna
Dispečink
Horní nádrž Přítok
Výtah PRINCIP ČINNOSTI
vn / vvn Hlavní vstupní tunel Dolní nádrž Odtok
Vyrovnávací komora
Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo) Brzda Transformovna Více k tématu na: http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/energie_2.html http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/06/precerpel_1.html
Řez geotermální elektrárnou Turbína + alternátor
Ochlazená voda
Geotermální zásobník
Ochlazená voda
zpětná
Proudy horké vody
Tekuté zemské jádro
Větrné elektrárny Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí atmosféry.
Větrné elektrárny využívají tohoto druhu energie k její přeměně na elektrickou energii v generátoru.
Větrné elektrárny se uplatňují dobře především v oblastech se silným a pravidelným větrem. Mezi takové lokality patří především hory a přímořské kraje. Přes nesporný užitek, který výstavba větrných elektráren jakožto obnovitelných zdrojů elektrické energie přináší, nelze pominout ani estetická hlediska.
Sestava a princip činnosti větrné elektrárny s turboalternátorem 500 kW (při rychlosti větru 15 m/s)
Alternátor
Pohled na větrnou elektrárnu („ větrnou farmu “ neboli „větrný park“)
Více k tématu na: http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/prednosti_3.html
Pohled na větrnou elektrárnu Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule
Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie)
Více k tématu na odkazu: http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=652
Kogenerační jednotka (srovnání energetických bilancí)
PALIVO 100 %
PALIVO 59 %
ENERGIE
a el. energie
ENERGIE
a el. energie ELEKTRICKÁ
Kombinovaná výroba tepla
TEPELNÁ
Oddělená výroba tepla
PALIVO 100 %
Ztráty 13%
Ztráty 72%
Princip palivového článku
ANODA ELEKTROLYT trick Elekapětí n
é
KATODA
Perspektivní energetické zdroje
TOKAMAK
TOroidnaja KAmera a MAgnetnyje Katuški
Jedná se v podstatě o obrovský transformátor, jehož sekundární cívka mající pouze jeden závit má tvar toroidní trubice. Plazma tvořené deuteriem a tritiem (izotopy vodíku) se nachází právě uvnitř této trubice, ve které je jinak vakuum. Elektrický proud procházející primárním vinutím transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu (toroidu). V plynu D+T vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na velmi vysokou teplotu (přibližně 100 milionů °C). Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se stěn toroidu nedotýká. Díky magnetickému poli, které udržuje plazma v dostatečné vzdálenosti od stěn, se sníží tepelné zatížení stěn komory na technologicky zvládnutelnou hodnotu (předpokládá se teplotní zatížení stěn kolem 1000°C).
Vice k tématu na http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/reaktory_9.htm http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/synteza_8.htmll
Výroba, přenos a distribuce elektrické energie Výroba
Přenos Distribuce Přípojky
Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdrojů v ČR Vodní Uhelné Jaderné
Elektrický rozvod Elektrický rozvod slouží k přenosu elektrické energie z místa jeho výroby k místu jeho spotřeby a tvoří ho elektrické sítě s různým napětím, elektrické stanice a elektrické vedení.
Rozdělení vedení přenosové a distribuční soustavy v ČR PŘENOS
DISTRIBUCE
(přenosová soustava ČR, ČEPS, a.s.)
ELEKTRÁRNA
(regionální distribuční společnosti, např SME, a. s.)
Transformace na 110kV
Transformace na 22kV
TR
Transformace na 400kV,
Lehký průmysl
TR
resp. 220kV Transformace na 22kV
22 kV (6kV)
a
vesnice
400V/230V
22 kV TR
TR
Města
TR Vzdálené osamocené odběrná místa
22 kV 22 kV/6 kV TR G
Těžký průmysl Alternativní a místní zdroje
Transformace na
Zemědělství, menší firmy
400V/230V
400V/230V
Mapa přenosové sítě ČR
OSTRAVA
400 kV 220 kV
Distribuční soustava (příklad)
domá domácnosti
Elektrické sítě zabezpečují přenos a rozvod elektrické energie z míst její výroby do míst její spotřeby. Podle významu se sítě dělí na: napájecí (tranzitní), na přenášení výkonu bez meziodběru přenosové, sloužící pro dodávku velkých výkonů na velké vzdálenosti (je tvořena zařízeními - konstrukcemi stožárů, elektrickými kabely, měřícími zařízeními apod., pro přenos elektrické energie)
rozvodné (distribuční), s rozvodnými stanicemi, odbočkami a připojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojkMI, měřícími zařízeními apod., pro rozvod el. energie)
místní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebo obce přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení.
Elektrické stanice Elektrické stanice jsou součástí elektrického rozvodu a rozdělují se na : transformovny spínací stanice měnírny V transformovnách se transformuje napětí na jinou velikost a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, slouží také ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé. Ze spínacích stanic se rozvádí elektrická energie při stejném napětí bez transformace. Měnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. na usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, případně naopak) .
Elektrické vedení je součástí přenosových a rozvodných sítí. Podle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení:
Tab. č. 1
vedení
uvn
-
vnější kabelové vnitřní Dělení el. vedení podle úrovně napětí
ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 kV
( není v ČR )
vedení
zvn
zvlášť vysoké napětí, 300 až 800 kV
vedení
vvn
velmi vysoké napětí, 52 až 300 kV
vedení
vn
vysoké napětí, 1000 V až 52 kV
vedení
nn
nízké napětí, 50 až 1000 V
vedení
mn
malé napětí, do 50 V
Spotřeba a využití elektrické energie
Diagramy spotřeby elektrické energie Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých ročních obdobích. Denní průběh spotřeby elektrické energie v České republice znázorněn na grafu č. 1.
Graf č. 2 ukazuje spotřebu elektrické energie během celého roku.
Graf č. 1 – Diagram denní spotřeby el. energie MAXIMUM
MINIMUM
Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca 11 000 MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW.
Graf č. 2 zima
-
–
jaro
Diagram roční spotřeby el. energie
jaro
-
léto
-
podzim
zima
Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících.
Využití elektrické energie
v elektrických strojích
v tepelných spotřebičích
+ ztráty !!!!!
Synchronní motory KONSTRUKČNĚ JSOU TÉMĚŘ SHODNÉ S SG
Mají řadu výhodných vlastností - konstantní otáčky n = n1 - dobrou účinnost (vyšší než AM) - velmi dobrý řiditelný účiník, nezatěžují síť jalovým odběrem energie, mohou jalový výkon do sítě i dodávat - značnou momentovou přetížitelnost - výkon i moment závísí jen na první mocnině napájecího napětí, tzn. motor není citlivý na běžné poklesy napětí
Jejich základním nedostatkem je ale - složitost rozběhu - nutnost použití budiče pro napájení budícího vinutí - nemožnost rychlé reverzace
Rotor synchronního motoru (SM) se po připojení na střídavou napájecí síť a nabuzení nemůže sám roztočit v důsledku momentu setrvačnosti a nemůže tak skokem dosáhnout synchronních otáček n1, jeho mechanická charakteristika nemá společný bod s osou momentu !
Mechanická charakteristika SM; spouštění
vtažení do synchronismu
n, Ω cca 0,95 ·n1
n = n1= konst.
klec AM
0
Ml
MN
Mm
M
ss budicí vinutí 3f stator Póly
Pólový nádstavec
Pomocné rozběhové klecové vinutí
Řez 3f synchronním motorem
Spouštění – rozběh 3f SM SM nemá tzv. záběrný moment známý u jiných el. motorů, využívaný k rozběhu !! Rozběh se tedy realizuje zpravidla: - pomocí rozběhového motoru (AM, nebo jiného) - pomocí měniče kmitočtu zvyšováním kmitočtu - u SM velmi malých výkonů s masivními pólovými nástavci je rozběh realizován na základě momentu daném vířivými proudy v železe
Řez 3f synchronním motorem
Detail čela statoru a rotoru a montáž 3f SM – 260 kW
3f SM se používají jako pomaluběžné motory středních a velkých výkonů pro pohonů bez rázů a s lehkým rozběhem. Nejsou vhodné tam, je nutnost častého spouštění nebo reverzace! Konstruují se převážně s vyniklými póly a používají se pro pohon velkých kompresorů, ventilátorů, cementárenských pecí a při kmitočtovém řízení i pro pohony těžních strojů, výtahů a pro některé unikátní aplikace.
Jednoduchý princip silového působení statoru a rotoru synchronního motoru
Princip činnosti 3f synchronního motoru
Vliv zatížení SM na zátěžný úhel Zátěžný úhel STATOR
STATOR
ROTOR
Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně
Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru
3f SM – 760 kW s rotačním budičem
3f SM – 21 MW
Lineární 3f SM
3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích
3f SM lineární - 3D
3f SM s velmi vysokým momentem
3f SM – 90 kW
Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety
3f vn SM – 6 MW pro pohon kompresoru
3f AM s cylindrickým rotorem pro pohon teplé válcovny hliníkových plechů
3f SM s vysokým momentem pro pohon vytlačovacího lisu
Jednofázové SM s permanentími magnety velmi malých výkonů pro aplikace v časových mechanismech, apod.
Otáčky 3f synchronních motorů se řídí v současnosti změnou velikost kmitočtu 3f napájecího napětí. Reverzace otáček obdobně jako u 3f AM, avšak s uvažováním opětovného rozběhu (složitost, doba).
Synchronní motor jako kompenzátor
Přebuzený synchronní motor naprázdno se používá i jako rotační kompenzátor ke kompenzaci jalového výkonu. V přebuzeném stavu dodává jalový výkon kapacitního charakteru pro kompenzaci účiníku v síti.
