Elektrické stroje točivé

Petr Bernat, katedra elektroenergetiky 410 petr.bernat@vsb.cz tel: 5881, místnost FEI EA212

Elektrické stroje točivé Předmět Elektrické stroje točivé se zabývá teorií točivých strojů, především strojů asynchronních, synchronních a stejnosměrných. Význam předmětu spočívá v osvojení základních informací o principech, konstrukci a užití těchto strojů, výsledkem studia by měla být schopnost aplikace těchto strojů v konkrétních strojních a energetických zařízeních. Doporučená literatura: Keppert, S.: Elektrické stroje 2,3,4 a 5, skripta VŠB Ostrava, 1980-1984 Chmelík, K.: Asynchronní a synchronní elektrické stroje, skriptum VŠB Ostrava, 2002 Petrov,G.N.: El. stroje 1 a 2, ACADEMIA 1980 Bašta J. a kol.: Teorie el. strojů, SNTL/ALFA 1968 Anglická a další literatura: Hindmarsh,J.: Electrical Machines and their Applications, Oxford,1970 Hrabovcová,V., Rafajdus,P.: Elektrické stroje, teória a príklady, Žilinská univerzita, 2009 Pyrhönen,J., Jokinen,T. Hrabovcová,V.: Design of rotating electrical machines, John Wiley & sons, Ltd. 2008 (nové vydání 2014)

Základní definice Elektrickým strojem rozumíme zařízení, které s využitím zákona elektromagnetické indukce umožňuje přeměnu jednoho druhu energie na jiný druh, přičemž alespoň jedna z těchto energií musí být elektrická. Klasifikace elektrických strojů: Podle pohybu: - netočivé, - točivé, - s jiným druhem pohybu (např. lineární). Podle směru toku a druhu vstupující a vystupující energie: - generátory (přeměna mechanické energie na elektrickou), - motory (přeměna elektrické energie na mechanickou), - měniče (přeměna určitých parametrů elektrické energie – zde řadíme i transformátory). Podle druhu elektrické energie: - stejnosměrné, - střídavé – jednofázové, - střídavé – vícefázové (obvykle dvoufázové nebo trojfázové).

Tok energie strojem GENERÁTOR MOTOR ZTRÁTY Každý elektrický stroj je vratný tzn. v každém el. stroji může být změněn směr přeměny energie ( generátor - motor, motor - generátor).

Výkon a moment točivého stroje Při přeměně mechanické energie v elektrickou nebo naopak platí pro točivé stroje rovnice: P=M Ω kde P je mechanický výkon na hřídeli [W], M točivý moment na hřídeli stroje [Nm], Ω úhlová rychlost otáčení stroje [rad s-1]. Točivý moment M v motoru koná užitečnou mechanickou práci – překonává zátěžný moment nebo jinak řečeno protimoment poháněného stroje nebo zařízení. U generátoru směřuje točivý moment proti momentu poháněcího stroje – např. turbíny.

Elektrický výkon P (W) Jak definujeme výkon z vykonané práce ? V návaznosti na elektrickou práci lze definovat i jednotlivé výkony … * vstupní výkon (příkon) do elektrického zařízení P1 = PP * výstupní (užitečný) výkon z elektrického zařízení P2 = P * ztrátový výkon (suma všech typů ztrát) Pz PΔ příkon PP Elektrické zařízení ztrátový výkon Pz výkon P Příklady jednotlivých typů výkonů: * příkon PP - elektrický (u motoru, transformátoru), mechanický (u generátoru) * výkon P - elektrický (u transformátoru, generátoru), světelný (u žárovky), mechanický (u motorů) * ztrátový výkon PΔ - tepelný (vzniklý různými mechanismy ve vinutí, v magnetickém obvodu), mechanický atd.

Elektrický výkon P (W) Účinnost: Jak lze definovat elektrický výkon (příkon)? Pozor na základní pojmy: * elektrický výkon (příkon) P (PP) = U * I (W) * mechanický, světelný, tepelný...výkon (příkon) P (PP) (W) * ztrátový výkon průchodem proudu vodičem PΔel = R*I2 (W) * ztrátový mechanický výkon PΔmech (W)  pomocí elektrických veličin lze definovat pouze elektrické výkony Účinnost:

Účinnost elektrického zařízení  (-), (%) Jaké energie můžeme definovat u elektrického zařízení ? * vstupní energie ze zdroje do elektrického zařízení W1 = WP * výstupní (užitečná) energie z elektrického zařízení W2 = W * ztrátové energie (je dána fyzikálními zákony) Wz vstupní energie WP Elektrické zařízení výstupní energie W ztrátová energie Wz Sestavení rovnice (zákon o zachování energie): W1 = W + ΣWz Účinnost elektrického zařízení Vyjadřuje efektivitu elektrického zařízení a je definována podílem užitečné výstupní a vstupní energie. Účinnost se pohybuje v rozsahu 0-1 (-) nebo 0-100 (%)

Výkony v elektrickém obvodu Každé elektrické zařízení odebírá ze sítě (tj. ze zdroje): * činný výkon  výstupní výkon  výstupní práce Činný výkon do elektrického zařízení je zpravidla vyroben ve zdroji mimo elektrické zařízení, protéká strojem na výstup. * jalový výkon  výkon potřebný k vytvoření elektromagnetické energie, velikost a charakter odebíraného výkonu je dán principem elektrického zařízení, pracujícího s elektromagnetickou indukcí Jalový výkon lze vyrobit ve zdroji nebo přímo u elektrického zařízení, cyklicky se vyměňuje mezi zdrojem a strojem. Činný výkon P (W) – výkon, který koná práci Jalový výkon Q (var) – výkon, který slouží k vytvoření elektrického (magnetického) pole

Výkon ve střídavém obvodu Elektrické zařízení odebírá (dodává) činný a jalový výkon, jehož fyzikální podstata je jednoznačně určena. Na základě těchto dvou výkonů lze definovat matematický – tzv. zdánlivý výkon – S(VA). Zdánlivý výkon lze matematicky určit pomocí trojúhelníku výkonů P Q S  Odvození zdánlivého výkonu: V případě potřeby se indukční a kapacitní výkon rozlišuje pomocí znaménka: indukční výkon znaménko - (- Q) – stroj tento výkon spotřebovává kapacitní výkon znaménko +(+ Q) – stroj tento výkon dodává

Vznik trojfázové soustavy Trojfázová soustava S rozvojem techniky se ukazovalo, že jednofázová soustava nestačí … * složitá výroba jednofázového průběhu * problematické využití střídavého jednofázového proudu pro motory * přenos velkých výkonů znamenal velký proud a tím i velké ztráty Jako nejvýhodnější se ukázala trojfázová soustava Vznik trojfázové soustavy Jednofázová soustava vznikne pohybem závitu (cívky) ve stejnosměrném magnetickém poli (trvalý magnet nebo elektromagnet). Výsledkem je harmonický průběh indukovaného napětí. Pro vznik trojfázové soustavy jsou v magnetickém poli tři cívky, které jsou natočeny o 1200. Konstrukčně je ale mnohem jednodušší vyměnit rotující a pevnou část  tři cívky posunuté o 1200 jsou pevné, stejnosměrné magnetické pole se otáčí.

Časový průběh trojfázového proudu 1. fáze – průběh začíná z počátku u1(t) = U * sin t 2. fáze – průběh je posunut o 1200. u2(t) = U * sin (t - 2/3) 3. fáze – průběh je posunut o 2400. u3(t) = U * sin (t - 4/3)

Základní vlastnosti trojfázové soustavy Při rozboru trojfázové soustavy budeme předpokládat, že se jedná o napěťový zdroj  průběh napětí odpovídá matematickému průběhu funkce sinus. Průběh proudu pak může být ovlivněn zátěží. Vlastnosti trojfázové soustavy: 1. Označení * označení jednotlivých fází – L1, L2, L3 * jestliže má soustava střední vodič – označení N * jestliže má soustava ochranný vodič – označení PE * jestliže má střední vodič pracovní a ochrannou funkci – vodič PEN Barevné značení – určeno jednoznačně technickými normami (ČSN-EN) 2. Jednotlivé fázory se otáčí stejnou rychlostí, proti směru hodinových ručiček. Úhel mezi nimi je vždy 1200. 3. Součet okamžitých hodnot napětí jednotlivých fází je roven 0 4. Součet fázorů napětí jednotlivých fází je roven 0

Základní zapojení U1 U2 V2 V1 W2 W1 Uspořádáme-li vinutí do tří částí, pootočených o 1200 a vyvedeme –li začátky a konce jednotlivých fází, dostaneme šestivodičovou soustavu. Toto uspořádání by bylo značně neekonomické. Proto se konce vinutí jednotlivých fází dají zapojit: a) do hvězdy (značení Y nebo y) b) do trojúhelníku (značení D, d nebo Δ)

Trojfázový výkon – symetrická 3f. zátěž do hvězdy Pro symetrickou zátěž platí: L1 N L2 L3 Uf U I IN Z Činný výkon v jedné fázi: Trojfázový činný výkon – P3f(W): Trojfázový jalový výkon – Q3f (var): Trojfázový zdánlivý výkon – S3f (VA) Závěr – trojfázový výkon je součtem tří fázových výkonů – tj. součtem výkonů jednotlivých fází.

Trojfázový výkon – symetrická 3f. zátěž do trojúhelníku If Činný výkon v jedné fázi: Trojfázový činný výkon – P3f(W): Trojfázový jalový výkon – Q3f (var): Trojfázový zdánlivý výkon – S3f (VA) Závěr – trojfázový výkon je opět součtem tří fázových výkonů – tj. součtem výkonů jednotlivých fází.

Výkony v různých soustavách Soustava: činný výkon jalový výkon zdánlivý výkon P (W) Q(var) S(VA) stejnosměrná U*I neexistuje jednofázová U*I*cos U*I*sin trojfázová √3*U*I*cos √3*U*I*sin √3*U*I význam koná práci vytváří elektromagnetické pole (matematický vektorový součet činného a jalového výkonu) kde ho najdeme spotřebiče -elektrické stroje (motory), osvětlení, tepelné spotřebiče zařízení s převážně jalovým výkonem - tlumivky, kondenzátorové baterie zdroje - transformátory, alternátory

Točivé magnetické pole Dílčí toky jednotlivých fázích v daném okamžiku 1 = + max 2 = - ½ max 3 = -½ max Výsledný tok Jaká je hodnota  ? c = 3/2 1max