Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA F23 – STŘÍDAVÝ PROUD V ENERGETICE Mgr. Alexandra Bouchalová Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Obsah Generátor střídavého proudu Trojfázová soustava střídavého napětí Transformátor Přenos elektrické energie Střídavý proud v energetice 2

Primární zdroje elektrické energie uhlí 1 zemní plyn 2 ropa 3 voda 4 slunce, vítr 5 jaderné palivo 6 Střídavý proud v energetice 3

Přeměna primárních zdrojů Probíhá v elektrárnách pomocí generátorů střídavého napětí = alternátorů. V energetice využíváme střídavé napětí o frekvenci 50 Hz. Střídavé napětí se rozvádí do míst spotřeby pomocí elektrické rozvodné sítě. Střídavý proud v energetice 4

Trojfázový generátor střídavého proudu stator alternátoru je tvořen třemi cívkami osy cívek svírají úhel 120° U1 120° U2 V2 W1 rotor s póly je otáčivý magnet otáčením rotoru se v cívkách indukuje střídavé napětí W2 V1 Střídavý proud v energetice 5

Trojfázový generátor střídavého proudu W1 W2 V1 u 1/3 T 2/3 T T t Střídavý proud v energetice 6

Trojfázový generátor střídavého proudu Generují se tak tři samostatná navzájem fázově posunutá střídavá napětí u1, u2, u3. U2 V2 W1 Mají stejnou amplitudu Um a mají stejnou frekvenci f. W2 V1 u u1 u2 u3 1/3 T 2/3 T T t Střídavý proud v energetice 7

Trojfázová soustava střídavého napětí Součet okamžitých hodnot střídavých napětí indukovaných v cívkách alternátoru je stále nulový. u1 + u2 + u3 = 0 T t u 1/3 T 2/3 T u1 u2 u3 U3 -U1 U1 U2 Střídavý proud v energetice 8

Trojfázová soustava střídavého napětí Tyto tři cívky tvoří vinutí alternátoru = fáze alternátoru. V každé fázi je indukované napětí = fázové napětí. Vnější (vnitřní) vývody cívek značíme U1, V1, W1 (U2, V2, W2). U1 U2 V1 V2 W2 W1 Střídavý proud v energetice 9

Sdružení fází Sdružením (elektrickým spojením) cívek lze omezit počet vodičů potřebných k přenosu elektrické energie z šesti na čtyři (L1, L2, L3, N), popř. tři (L1, L2, L3) sdružené vodiče. Vzniká tak sdružená trojfázová soustava. Sdružená trojfázová napěťová soustava je tvořena třemi sinusovými napětími fázově posunutými o 120°. Střídavý proud v energetice 10

Zapojení do hvězdy Spojením konců fází U2, V2, W2 alternátoru do jednoho uzlu vzniká zapojení do hvězdy. U1 U2 W1 W2 V1 V2 U1 U2 V1 V2 W2 W1 Střídavý proud v energetice 11

Zapojení do hvězdy Spojením konců fází U2, V2, W2 alternátoru do jednoho uzlu vzniká zapojení do hvězdy. N – střední vodič Li – fázové vodiče U1 L1 U12 U1N U12 , U23 , U31 sdružená napětí (síťová) – US Nulový bod hvězdy U13 N U2N U3N L2 U1N , U2N , U3N fázová napětí – UF W1 V1 U23 L3 Střídavý proud v energetice 12

Zapojení do hvězdy Ii = IF Efektivní hodnota sdruženého (síťového) napětí Uij je krát větší než efektivní hodnota fázového napětí UiN. Při symetrickém zatíženi trojfázové (čtyřvodičové) soustavy neprotéká nulovým vodičem žádný proud. U1 L1 IF I1 I2 I3 U12 U1N U31 Ii = IF IN = 0 N U2N U3N L2 W1 V1 U23 L3 Síťové proudy Ii jsou stejně velké, jako proudy fázové IF. Střídavý proud v energetice 13

Zapojení do trojúhelníku Spojíme-li fázová vinutí sériově, dostaneme zapojení do trojúhelníku. I1 I2 I3 U1 V1 U2 V2 U1 U2 V1 V2 W2 W1 L1 U12 UF IF U31 L2 W1 W2 U23 L3 Síťový proud je krát větší než proud fázový: . Fázová napětí jsou stejná jako síťová napětí: UF = US = Uij. Střídavý proud v energetice 14

Zapojení do trojúhelníku Toto zapojení se u trojfázových alternátorů téměř nevyskytuje. Využívá se spíše u trojfázových spotřebičů. I1 I2 I3 U1 V1 U2 W2 U1 U2 V1 V2 W2 W1 L1 U12 UF UF IF IF U31 UF L2 W1 W2 IF U23 L3 Střídavý proud v energetice 15

Zapojení do trojúhelníku Toto zapojení se u trojfázových alternátorů téměř nevyskytuje. Využívá se spíše u trojfázových spotřebičů. I1 I2 I3 U1 V1 U2 W2 L1 U12 UF UF IF U31 IF UF L2 W1 W2 U23 IF L3 třífázový bojler 7 Střídavý proud v energetice 16

Sdružení fází – shrnutí Ve 4-vodičové trojfázové soustavě 400 V je efektivní hodnota síťového napětí 400 V a fázová napětí jsou 230 V. Toto umožňuje současný provoz trojfázových spotřebičů na jmenovité napětí 400 V (např. motorů, elektrických sporáků, bojlerů atd.)... ... jakož i jednofázových spotřebičů na střídavé napětí 230 V (např. žárovek, žehliček, televizorů atd.) v jedné rozvodné síti. Střídavý proud v energetice 17

Spotřebitelská síť V elektrickém rozvodu spotřebitelské sítě je fázové napětí 230 V a sdružené napětí 400 V. Značíme např. 3 x 400/230 V. Dříve se ve spotřebitelské síti používalo trojfázové napětí 3 x 380/220 V. Střídavý proud v energetice 18

Sdružení fází – shrnutí výrobce vedení odběratel L1 I1 I2 I3 V L2 I1 I2 I3 U1N U3N U2N L3 N I1 I3 I2 U1N U3N U2N I12 I31 I23 U12 U31 U23 U12 U23 U31 Napětí ve 4-vodičové trojfázové soustavě napětí po 230 V napětí po 400 V Střídavý proud v energetice 19

Elektromotor na trojfázový proud Na štítku trojfázových motorů je udáváno vždy jmenovité napětí a vyžadované zapojení. Střídavý proud v energetice 20

Transformátor Součástí přenosu elektrické energie je potřeba zvyšování, popř. snižování (transformování) elektrického napětí v rozvodných sítích. Transformátor je elektrický netočivý stroj, který mění střídavé napětí jedné hodnoty na hodnotu jinou při stejném kmitočtu. Princip transformátoru je založen na elektromagnetické indukci. Transformátory dělíme na jednofázové a trojfázové. Střídavý proud v energetice 21

Jednofázový transformátor Uspořádání dvou cívek (vinutí) na společném jádře budeme nazývat jednofázový transformátor. primární vinutí = vstupní cívka sekundární vinutí = výstupní cívka 1. cívka 2. cívka I2 I1 Φ N1 N2 V V U2 U1  N1 = N2 zanedbáme-li odpor primární cívky U1 = U2 Střídavý proud v energetice 22

Jednofázový transformátor primární vinutí = vstupní cívka sekundární vinutí = výstupní cívka I2 I1 Φ N1 N2 V V U2 U1  transformační poměr transformátoru N2 > N1 U2 > U1 Střídavý proud v energetice 23

Jednofázový transformátor 1. cívkou prochází střídavý proud, který v jádře transformátoru vytváří nestacionární magnetické pole. Nestacionární magnetické pole je příčinou vzniku indukovaného napětí ve 2. cívce. Železné jádro zesiluje magnetickou indukci v cívkách. Indukované napětí je tím větší, čím rychleji se v cívce mění magnetický indukční tok a čím větší je počet závitů 2. cívky. Střídavý proud v energetice 24

Transformační poměr Poměrem efektivních hodnot indukovaných napětí získáme rovnici transformátoru k > 1 transformace nahoru k < 1 transformace dolů Střídavý proud v energetice 25

Transformátor Transformátor naprázdno = bez zatížení = v sekundárním vinutí neteče proud. Při odběru proudu ze sekundárního vinutí roste proud v primárním vinutí. Z rovnosti činných výkonů obou částí transformátoru vyplývá vztah pro transformaci proudu Proudy se transformují v obráceném poměru počtu závitů. Střídavý proud v energetice 26

Trojfázový transformátor L1 L2 L3 Střídavý proud v energetice 27

Trojfázový transformátor L1 L2 L3 Třífázový transformátor má tři jednofázová primární a tři jednofázová sekundární vinutí. Ta mohou být zapojena do hvězdy (Y), do trojúhelníku (D) nebo do lomené hvězdy (Z). Střídavý proud v energetice 28

Trojfázový transformátor Bývají stavěny: se vzájemným propojením vinutí tří jednofázových transformátorů, s využitím společného magnetického obvodu se třemi sloupky. L1 L2 L3 Střídavý proud v energetice 29

Přenos elektrické energie K výrobě elektrické energie slouží elektrárny. Tepelná elektrárna 15 Větrná elektrárna 18 Vodní elektrárna 16 Jaderná elektrárna 17 Solární elektrárna 19 Geotermální elektrárna 20 Střídavý proud v energetice 30

Přenos elektrické energie Dálkový přenos energie zajišťuje přenosová síť vedení velmi vysokého napětí. 6,3 kV 400 kV Schéma přenosu elektrické energie 21 Střídavý proud v energetice 31

Spotřebitelská síť V běžné síťové zásuvce je fázové napětí. Jedna zdířka je tedy spojena se středním vodičem (nulovacím) a druhá s fázovým vodičem. Střídavý proud v energetice 32

Spotřebitelská síť fázový vodič ochranný vodič nulový vodič Střídavý proud v energetice 33

Použitá literatura Literatura Obrázky Střídavý proud v energetice LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196- 202-3 TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1 HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, 2000. ISBN 80-214-1868-0 Obrázky [1] Oko. Vznik ropy [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://oko.yin.cz/32/vznik-ropy/ [2] Asociace Alerta. LUKÁŠ BORL. Kolektivní hlas kreativiry a vzdoru: Uhelná energetika a (ne)zaměstnanost [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://alerta.cz/?p=419 [3] Cena plynu v roce 2013 vzroste průměrně o 3 %. Jak ušetřit?. In: Nazeleno.cz [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://www.nazeleno.cz/energie/ceny-energii/cena-plynu-v-roce-2013-vzroste-prumerne-o-3- jak-usetrit.aspx [4] Seeking Alpha [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://static.seekingalpha.com/uploads/2008/12/18/saupload_uranium330.jpg [5] Domácí práce u počítače. In: [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://files.domaci-prace-u- pocitace.cz/200000049-cc8d5ce80f/slunce%20v%20dlan%C3%ADch_1.jpg [6] Aktuálně.cz. In: [online]. [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://img.aktualne.centrum.cz/563/42/5634291- dlane-voda.jpg [7] Bojlery_Kotle_Radiátory. [online]. [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://www.kotle-boilery.cz/elektricky- bojler-ariston-sageo-250p-3-kw-250-l-p-3549.html Střídavý proud v energetice

Použitá literatura Střídavý proud v energetice [8] Oko. Vznik ropy [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://oko.yin.cz/32/vznik-ropy/ [9] Asociace Alerta. LUKÁŠ BORL. Kolektivní hlas kreativiry a vzdoru: Uhelná energetika a (ne)zaměstnanost [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://alerta.cz/?p=419 [10] Cena plynu v roce 2013 vzroste průměrně o 3 %. Jak ušetřit?. In: Nazeleno.cz [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://www.nazeleno.cz/energie/ceny-energii/cena-plynu-v-roce-2013-vzroste-prumerne-o-3-jak- usetrit.aspx [11] Seeking Alpha [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://static.seekingalpha.com/uploads/2008/12/18/saupload_uranium330.jpg [12] Domácí práce u počítače. In: [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://files.domaci-prace-u- pocitace.cz/200000049-cc8d5ce80f/slunce%20v%20dlan%C3%ADch_1.jpg [13] Aktuálně.cz. In: [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://img.aktualne.centrum.cz/563/42/5634291-dlane- voda.jpg [14] Bojlery_Kotle_Radiátory. [online]. [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://www.kotle-boilery.cz/elektricky-bojler- ariston-sageo-250p-3-kw-250-l-p-3549.html [15] Tepelná elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 29. 5. 2013 [cit. 2013-05-29]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Tepeln%C3%A1_elektr%C3%A1rna [16] Vodní elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 25. 4. 2013 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Vodn%C3%AD_elektr%C3%A1rna [17] Jaderná elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 25. 5. 2013 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Jadern%C3%A1_elektr%C3%A1rna [18] Větrná elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 5. 4. 2013 v 14:00 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/V%C4%9Btrn%C3%A1_energie Střídavý proud v energetice

Použitá literatura Střídavý proud v energetice [19] Solární elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 19. 5. 2013 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Slune%C4%8Dn%C3%AD_elektr%C3%A1rna [20] Geotermální elektrárna. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012, 9. 3. 2013 [cit. 2013-06-16]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Geoterm%C3%A1ln%C3%AD_energie [21] Z elektrárny do zásuvky. In: Www.cez.cz [online]. [cit. 2013-05-29]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/4-4.htm Střídavý proud v energetice

na gymnáziu Komenského v Havířově“ soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.