Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky Ing. Milan Krasl, Ph.D. Přehled silnoproudé elektrotechniky KEV/PSE Indukční stroje – generátory, synchronní stroje, výroba el. energie

Program přednášených témat na přednáškách 1. Základní pojmy a veličiny. 2. Základní fyzikální zákony. 3. Zdroje el. energie, ss zdroje. 4. Střídavé zdroje. 5. Energetické přeměny, druhy elektráren. 6. Transformace, přenos a rozvod. 7. Spínací přístroje. 8. Výkonová elektronika. 9. El. motory. 10. El. pohony. 11. Supravodivost a silnoproudé aplikace. 12. Motor-generátor pro PVE. 13. Supravodivost.

Opakování Elektrické stroje jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická.

T O Č I V É NETOČIVÉ GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) MĚNIČE Stejnosměrné Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé Komutátorové cizím buzením derivační kompaudní sériové cizím buzením derivační kompaudní sériové synchronní asynchronní synchronní usměrňovače střídavé měniče napětí střídače pulzní měniče měniče kmitočtu ELEKTRICKÉ STROJE síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN) speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.) Rozdělení elektrických strojů

T O Č I V É GENERÁTORY M O T O R Y Stejnosměrné Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé Komutátorové cizím buzením derivační kompaudní sériové cizím buzením derivační kompaudní sériové synchronní asynchronní synchronní ELEKTRICKÉ STROJE SYNCHRONNÍ STROJE

S J u(t) Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační (využívaný ve většině běžných AC generátorů) i(t) - (střídavý proud – obou polarit) ~ VOLTMETR Mag. indukce B Rychlost otáčení, resp. otáčky n Časový průběh indukovaného napětí ωtωt u(t) – střídavé indukované napětí

Hlavní části generátoru l Kotevní vinutí: je nejčastěji 3f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá „vyrobená“ indukovaná elektrická energie l Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče ( často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem ), vytvářející nutné elektromagnetické pole l Stator: pevná část generátoru l Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje l Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím l Amortizér (tlumič): Spec. klecové vinutí nakrátko,zamezující tzv. kývání ÊHnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory...

Princip jednoduchého AC zdroje – AC generátor (indukované napětí vzniklé v otáčejícím se závitu ve stálém EM poli při různých vzájemných polohách ) J J J J J S S S S U = 0

Dva konstrukční typy AC generátorů l s otáčejícím se rotorem je nejpoužívanější prakticky u všech elektro energetických zdrojů – synchronních generátorů (AC SG) - nutnost kroužků a kartáčů pro buzení l s otáčející se kotvou

l 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 2-pólového ( p p =1 ) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz ? Platí: n = 60·f / p p = min -1 = 50 s -1 Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru

Trojfázové elektrické zdroje napětí Alternátory = AC generátory l 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 ). l Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp.120 o el. ). l S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a jeho hmotnost. l Ze standardního trojfázového rozvodu ( 3f sítě ) je odvozen i jednofázový rozvod ( 1f síť ).

Rozdělení alternátorů (synchronních) l Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázové l Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika) l Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční síti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V l Výkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony MW, výjimečně i MW (JE Temelín) l Typu: na turboalternátory a hydroalternátory

Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně 3f statorové vinutí Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje Kartáče kroužky tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru L1 L2 L3 Nulový vodič DC BUDIČ + L1 L2 L3 N (S) S (J)  Stýskala, 2002

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 u i = d Φ/ d t = U m. cos ωt Časový průběh u i 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)  Stýskala, 2002

Viz: další odkaz k tématu 3f synchronní alternátory

Průmyslová výroba elektrické energie Elektrárny a zdroje Uhelné Jaderné Sluneční Vodní Vodní přečerpávací Termální Větrné Kogenerační jednotky Palivové články Perspektivní zdroje  Stýskala, 2002

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  Stýskala, 2002

Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou Komín Skladka uhlí Zásobník užitkové vody Chladící voda Dopravník uhlí Parní potrubí - parovod Turbína Alterátor ROZVODNA Blokový transformátor Parní kotel Kondenzor - chladič vn vvn Další odkaz k tématu:

Reaktor Parní turbína Turbolternátor + blokový transformátor Oběhová čerpadla vvn vedení Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně Chladící voda G  Stýskala, 2002

Řez jadernou elektrárnou Kontejment Chladící věž Turbína Parní potrubí - parovod Čerpadlo REAKTOR Řídící tyče Reaktorová nádoba Turboalterátor Kondenzátor chladič vody Vyvíječ páry

Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem Hlavní parovody Budova reaktoru – sekundární kontejment Vývod el. energie do rozvodny Reaktor Kondenzátor vody Napájecí pumpy Primární kontejment Řídící tyče Odtok Vícestupňová turbína a turboalternátor Další odkaz k tématu: > str.26

Více na odkazu: Sluneční elektrárna

MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES Princip solární fotovoltaické elektrárny Fotony Střídač Elektrická rozvodná síť Tok elektronů Atomy Elektrony Zpětně odrazná plocha Přední propustná plocha Více k tématu na:

MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES Pohled na solární fotovoltaickou elektrárnu Další odkaz k tématu:  Stýskala, 2002

Vodní elektrárny Využívají potenciální* a kinetické** energie vodního toku. * Těleso o hmotnosti 1 kg má potenciální energii 1 J, je-li 0,1 m nad povrchem země. Těleso má tuto energii díky své poloze, např. zemské gravitaci. ** Těleso má kinetickou energii 1 joule, jestliže má hmotnost 2 kg a pohybuje se rychlostí 1 m/s. Kinetická energie je vždy spojena s pohybem.

QUESTIONS? Řez vodní elektrárnou hydroalternátor Vodní turbína Vodní nádrž Tlakové potrubí Přívod vody Budova elektrárny Blokový transformátor vn vvn Řeka Přehradní hráz Další odkaz k tématu: Elektrická energie  Stýskala, 2002

Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energie Hydralternátor Elektrické vedení Stožár vvn vedení  Stýskala, 2002

Přítok Horní nádrž Rozvodna Dispečink Řez akumulační přečerpávací elektrárnou Výtah Odtok Vyrovnávací komora Hlavní vstupní tunel Transformovna Brzda Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo ) Dolní nádrž vn / vvn Více k tématu na: PRINCIP ČINNOSTI  Stýskala, 2002

Tekuté zemské jádro Proudy horké vody Geotermální zásobník Ochlazená voda zpětná Řez geotermální elektrárnou Turbína + alternátor  Stýskala, 2002

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.

Alternátor Sestava a princip činnosti větrné elektrárny s turboalternátorem 500 kW (při rychlosti větru 15 m/s)  Stýskala, 2002

Pohled na větrnou elektrárnu („ větrnou farmu “ neboli „větrný park“)  Stýskala, 2002

Pohled na větrnou elektrárnu Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule  Stýskala, 2002

Více k tématu na odkazu: Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie)  Stýskala, 2002

Kogenerační jednotka (srovnání energetických bilancí) Oddělená výroba tepla a el. energie Kombinovaná výroba tepla a el. energie Ztráty 72% Ztráty 13% ELEKTRICKÁ ENERGIE TEPELNÁ ENERGIE PALIVO 100 % PALIVO 100 % PALIVO 59 %

Princip palivového článku ELEKTROLYT KATODA ANODA Elektrické napětí

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). Perspektivní energetické zdroje Vice k tématu na  Stýskala, 2002

Výroba, přenos a distribuce elektrické energie  Výroba  Přenos  Distribuce  Přípojky

Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdrojů v ČR Vodní Uhelné Jaderné

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. Elektrický rozvod

ELEKTRÁRNA Lehký průmysl Města a vesnice Těžký průmysl Zemědělství, menší firmy Transformace  na 400kV, resp. 220kV Transformace  na 110kV TR Transformace  na 22kV 22 kV ( 6kV) 22 kV/ 6 kV 22 kV 400V /230V Transformace  na 400V/230V Transformace  na 22kV 22 kV Vzdálené osamocené odběrná místa Alternativní a místní zdroje PŘENOS  (přenosová soustava ČR, ČEPS, a.s.) DISTRIBUCE  (regionální distribuční společnosti, např SME, a. s.) Rozdělení vedení přenosové a distribuční soustavy v ČR G

OSTRAVA 220 kV 400 kV Mapa přenosové sítě ČR

Distribuční soustava (příklad) domácnosti

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 sítě

Jsou to vzájemně propojené soubory vedení a zařízení 110 kV (s výjimkou vybraných vedení a zařízení 110 kV, která jsou součástí přenosové soustavy) a vedení a zařízení o napětí 0,23/0,4; 3, 6; 10; 22 nebo 35 kV určená k zajištění distribuce elektrické energie na vymezeném území ČR. Distribucí se rozumí doprava el. en. distribuční soustavou (DS). DS je zřizována a provozována ve veřejném zájmu. Její součástí jsou i systémy měřicí, ochranné, řídicí, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Provozovatelem DS je fyzická, nebo právnická osoba, která je držitelem licence na distribuci el. en.. Provozovatel DS je účastníkem trhu s el. en.. Držitel licence na vymezeném území má povinnost připojit každého odběratele, který o to požádá a splňuje podmínky stanovené energetickým zákonem (zákon č. 458/2000 Sb.). Elektrické distribuční sítě

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: vnější kabelové vnitřní vedení uvn ( není v ČR ) ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 kV 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 Tab. č. 1 - Dělení el. vedení podle úrovně napětí

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.

Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW.  MAXIMUM Graf č. 1 – Diagram denní spotřeby el. energie  MINIMUM   Stýskala, 2002

zima - jaro jaro - l é t o - podzim zima Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících. Graf č. 2 – Diagram roční spotřeby el. energie

Využití elektrické energie  v elektrických strojích  v tepelných spotřebičích  + ztráty !!!!!

Synchronní motory KONSTRUKČNĚ JSOU TÉMĚŘ SHODNÉ S SG Mají řadu výhodných vlastností - konstantní otáčky n = n 1 - 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 n 1, jeho mechanická charakteristika nemá společný bod s osou momentu !

n = n 1 = konst. n, Ω M 0 MmMm Mechanická charakteristika SM; spouštění klec AM MlMl cca 0,95 ·n 1 vtažení do synchronismu MNMN

Pomocné rozběhové klecové vinutí Pólový nádstavec 3f stator Póly Řez 3f synchronním motorem ss budicí vinutí

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  Stýskala, 2002

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  Stýskala, 2002

STATOR Zátěžný úhel Vliv zatížení SM na zátěžný úhel ROTOR  Stýskala, 2002

Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně  Stýskala, 2002

Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru  Stýskala, 2002

3f SM – 760 kW s rotačním budičem

3f SM – 21 MW

Lineární 3f SM

3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích

 Stýskala, 2002

3f SM lineární - 3D

3f SM s velmi vysokým momentem

3f SM – 90 kW

Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety  Stýskala, 2002

3f vn SM – 6 MW pro pohon kompresoru  Stýskala, 2002

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.  Stýskala, 2002

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 ).  Stýskala, 2002

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.