PRAKTICKÉ ČINNOSTI Elektrické přístroje Ing. Pavel Chmiel, Ph.D. Střední škola, Havířov-Šumbark, Sýkorova 1/613, příspěvková organizace PRAKTICKÉ ČINNOSTI Elektrické přístroje Ing. Pavel Chmiel, Ph.D.

OBSAH VÝUKOVÉHO MODULU Elektrické přístroje Základní pojmy, definice Rozdělení elektrických přístrojů Základní konstrukce a pracovní stavy spínacích el. přístrojů Základní obecné parametry spínacích el. přístrojů Elektrický oblouk – definice, vznik a zhášení Druhy, použití a parametry vybraných spínacích el. přístrojů

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE A V Základní pojmy: Měřicí el. přístroje Spínací el. přístroj Zdroj el. napětí Elektrický spotřebič A V

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Definice elektrických přístrojů: Elektrické přístroje jsou zařízení, které se nejčastěji používají k: obsluze, ovládání a spínání elektrických obvodů a spotřebičů, jištění elektrických rozvodů a spotřebičů, ochraně lidí a zvířat před úrazem elektrickým proudem, měření a regulaci fyzikálních veličin.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Spínací elektrické přístroje (spínače) Spínače jsou určené k: zapínání, vypínání, přepínání el. obvodů a spotřebičů. zapínací vypínací přepínací

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Spínací elektrické přístroje (spínače) Spínač je souhrnný, obecný název především pro: vypínač (zapíná/vypíná el. obvod pod proudem), odpínač (zapíná/vypíná el. obvod - max. jmenovitý proud), odpojovač (spíná el. obvod bez proudu), relé, stykač, pojistku, jistič, napěťový a proudový chránič, bleskojistku (svodič přepětí).

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Konstrukční části spínačů proudovodné části – jsou určeny k vedení proudu (svorky přístroje, spojovací části, kontakty). izolace přístroje – upevnění vodivých částí a jejich vzájemná izolace, ve vypnutém stavu vzájemná izolace kontaktů. mechanismus – zařízení, které přemisťuje kontakty z jedné základní polohy do druhé. zhášedla – slouží k uhašení elektrického oblouku. výzbroj – např. pomocné kontakty, signalizace atd.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Kontakty spínačů Základ spínače umožňující přerušení toku el. proudu obvodem. Požadavky na kontakty: - malý stykový odpor, - velká odolnost proti mechanickému opotřebení, - velká odolnost proti svaření, - velká odolnost proti opalování elektrickým obloukem, - dobrá elektrická i tepelná vodivost.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Kontakty spínačů Materiály pro kontakty: - měď a slitiny mědi (např. mosaz) - stříbro (malá mechanická pevnost a tvrdost, užívají se slitiny Ag-Cu, Ag-Ni) - ušlechtilé kovy (především zlato, platina) - wolfram a molybden: odolné vysokým teplotám - slitiny kovů, dvojkovové materiály (bimetal), grafit, rtuť atd.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Rozdělení kontaktů Provedení (tvar) a uspořádání kontaktů je dáno především: - velikostí spínaného proudu, - četností spínání, - provozními stavy, - způsobem zhášení elektrického oblouku.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Rozdělení kontaktů Čelní - konstruují se pro velký počet spínání - vhodné pro malé proudy (např. relé) Třecí - menší životnost - spínání proudů řádově desítek ampér - např. nožové pojistky, odpojovače

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Rozdělení kontaktů Valivé - používají se pro rozměrná spínací ústrojí - vhodné pro vysokonapěťové vypínače Tekuté - izolované tlakové nádobky naplněné tekutým kapalným materiálem (rtuť) - pro prostory s nebezpečím výbuchu a požáru

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Základní parametry spínačů Druh spínače (účel použití) Trvalý jmenovitý spínaný proud v sepnutém stavu Maximální trvalé napětí mezi kontakty v rozepnutém stavu Elektrický odpor v sepnutém a rozepnutém stavu Četnost (frekvence) spínání Rozměry, váha

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů STATICKÉ (TRVALÉ) STAVY: 1. Vypnuto: 2. Zapnuto: Průchod el. proudu kontaktem způsobuje jeho oteplení. Vzniklé teplo dle Joule-Lenzova zákona: 𝑄=𝑅× 𝐼 2 ×𝑡

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů 1. VYPNUTO Izolační vzdálenost mezi kontakty musí být taková, aby za normálního stavu vedení nedošlo k průrazu mezi kontakty. 2. ZAPNUTO Kontakty na sebe musí dobře doléhat, aby nedocházelo k nadměrnému oteplení vlivem přechodového odporu (svaření kontaktů).

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů DYNAMICKÉ (PŘECHODOVÉ) STAVY: 1. Zapínání: 2. Vypínání: přechod mezi stavy VYP → ZAP přechod mezi stavy ZAP → VYP I = 0 → I ≠ 0 I ≠ 0 → I = 0

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů 1. ZAPÍNÁNÍ Proces zapínání nesmí probíhat příliš rychle (odskok kontaktů) ani příliš pomalu, neboť hrozí vznik elektrického oblouku (elektrický průraz, který bude intenzivně zahřívat kontakty).

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů 2. VYPÍNÁNÍ Oddalováním kontaktů vzroste stykový odpor (proudové úžiny). Vzroste teplota a může vzniknout el. oblouk. Kontakty se musí oddálit dostatečnou rychlostí na dostatečnou vzdálenost.

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Pracovní stavy spínačů Vznik proudové úžiny Povrch kontaktu není dokonale rovný. Čím větší je nerovnost povrchu kontaktu (malý stykový průřez SS), tím větší je stykový odpor, tím více se kontakt zahřívá a dále roste jeho odpor.

ELEKTRICKÝ OBLOUK Elektrický oblouk Elektrický výboj, který vzniká v ionizovaném plynu (plasma). Ionizovaný plyn obsahuje volné elektrony, kladné a záporné ionty. El. oblouk je vodivá dráha, která umožňuje průchod proudu i po oddálení kontaktů. K ionizaci plynu dochází: - zahříváním, - elektrickým průrazem (překročení elektrické pevnosti prostředí).

ELEKTRICKÝ OBLOUK Elektrický oblouk El. oblouk přenáší materiál kontaktů z jednoho na druhý. Velká proudová hustota (až MA/m2). Teplota el. oblouku od 6000K (obal) do 16000K (jádro). Teplota závisí na prostředí hoření oblouku a na intenzitě chlazení. Řez elektrickým obloukem

ELEKTRICKÝ OBLOUK Zhášení elektrického oblouku Stejnosměrný proud Proud má stále stejný směr a stejnou intenzitu – zhasínání je náročnější. Zvětšujeme elektrický odpor oblouku: - natahováním do délky, - zmenšením průřezu, - dělíme oblouk na menší části.

ELEKTRICKÝ OBLOUK Zhášení elektrického oblouku Střídavý proud Proud v jedné periodě prochází dvakrát nulou – klesá intenzita hoření, oblouk zaniká. Nutno zajistit, aby nedošlo k opětovnému zapálení oblouku.

ELEKTRICKÝ OBLOUK Zhášení elektrického oblouku R=ρ∙ l S Natahování elektrického oblouku do délky Vhodné pouze pro nižší hodnoty napětí a střídavé oblouky. Stejnosměrný oblouk 110 kV bychom museli natáhnout 100 m. Zhášecí komora s izolovanými rošty. R=ρ∙ l S

ELEKTRICKÝ OBLOUK Zhášení elektrického oblouku R=ρ∙ l S Zmenšení průřezu oblouku ofukováním intenzivním chlazením oblouku v trysce vypínače. Kolem oblouku proudí zhášecí médium a účinně jej ochlazuje. Je-li proud nulový, oblouk uhasne (velký odpor oblouku). R=ρ∙ l S

ELEKTRICKÝ OBLOUK Zhášení elektrického oblouku Dělení oblouku na několik částí Oblouk rozdělíme na několik menších oblouků ve zhášecí komoře s kovovými rošty. Rozdělením oblouku rozdělíme odpor na několik menších v sérii. Na každém dílčím odporu (oblouku) vzniká menší úbytek napětí. Při menším napětí se oblouk není schopen udržet a uhasne.

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Slouží k ovládání (zapínání, vypínání a přepínání) spotřebičů, osvětlení, strojů a zařízení.

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Rozdělení spínačů nízkého napětí Podle způsobu ovládání: - otočné - kolébkové - tahové - tlakové - páčkové - dotykové (senzor) Podle funkce: - vypínače - přepínače - tlačítkové ovladače

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Rozdělení spínačů nízkého napětí Podle stupně krytí: - pro normální prostory - do vlhka - venkovní - vodotěsné Podle způsobu montáže: - nástěnné - polozapuštěné - zapuštěné - panelové

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Domovní spínače nízkého napětí Jmenovitý proud 6 A, 10 A při napětí 250 V, až 25 A při napětí 400 V podle konstrukce. Schodišťové automaty - do 10 A, 250 V s časovým nastavením vypnutí

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Příklady zapojení (řazení) spínačů Jednopólový vypínač Zapíná a vypíná 1 obvod z jednoho místa. L N PE Základní zapojení Montážní schéma

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Příklady zapojení (řazení) spínačů Skupinový přepínač Přepíná mezi 2 obvody z jednoho místa. PE L N Základní zapojení Montážní schéma

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Příklady zapojení (řazení) spínačů Sériový přepínač Zapíná a vypíná 2 obvody postupně za sebou. PE L N Základní zapojení Montážní schéma

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Příklady zapojení (řazení) spínačů Střídavý přepínač Zapíná a vypíná 1 obvod ze dvou míst. Základní zapojení Montážní schéma

SPÍNAČE NÍZKÉHO NAPĚTÍ Tlačítka Spínače, které se vrátí do rozepnutého stavu, přestane-li působit síla. Používají se v obvodech se stykači, v regulačních a řídících obvodech. Bývají prosvětlené a zároveň slouží jako hlásiče stavu (signalizace).

STYKAČ Definice, použití Spínací elektromagnetický přístroj Spíná velké výkony ss nebo st proudu Časté spínání (až 3000 sepnutí za hodinu) Spínače pro dálkové ovládání spotřebičů, u kterých jsou kontakty drženy v pracovní poloze cizí silou (v klidové poloze jsou rozepnuty a v pracovní poloze sepnuty).

STYKAČ Konstrukce stykače Cívka elektromagnetu Kotva elektromagnetu Hlavní pohyblivý kontakt Hlavní pevný kontakt Zapínací pomocný kontakt Rozpínací pomocný kontakt Vratná pružina Závit nakrátko (pro střídavý proud)

STYKAČ Princip činnosti stykače Proud IC tekoucí cívkou 1 způsobí přitažení kotvy elektromagnetu 2. Spojí se hlavní pohyblivý kontakt 3 s pevným kontaktem 4. Zároveň se spojí zapínací pomocný kontakt 5 a rozpojí pomocný kontakt 6. Jsou určeny pro ovládání (např. sepnutí dalšího stykače), signalizaci (světelná kontrolka – sepnuto/rozepnuto), atd. Přestane-li cívkou procházet proud IC , vratná pružina 7 oddálí kontakty 3 a 4. Stykače na střídavý proud jsou vybaveny závitem nakrátko 8, ve kterém se indukuje největší napětí při průchodu proudu nulou a drží kotvu přitaženou i při IC = 0.

STYKAČ Schématická značka stykače

STYKAČ Základní parametry stykačů Ovládací napětí na cívce (V) Spínané napětí (V) Jmenovitý proud (A) Spínaný výkon P = U × I (W) Jmenovitý síťový kmitočet (Hz) Počet kontaktů a jejich druh (vyp/zap) Stupeň krytí IPXY (XY = 00 až 68) 4 zapínací kontakty

RELÉ Definice, použití Spínací elektromagnetický přístroj umožňující malým proudem spínat obvody (spotřebiče) protékané velkým proudem. Slouží pro spínání malých výkonů. Jeho kontakty ovládají další obvody – zpravidla ovládací a signalizační.

RELÉ Rozdělení relé Spínací – zapíná či rozpojuje ovládací nebo signalizační obvody Časové – působí podle nastaveného časového zpoždění (lze nastavit) Napěťové – působí, když napětí dosáhne nastavené hodnoty Podpoudové, podpěťové – působí, pokud I nebo U klesne na určitou velikost Nadproudové – dosáhne-li I určité velikosti, relé samočinně rozpojí obvod Zpětné – působí při změně směru proudu Optorelé – druh optočlenu, vhodné při vyšší četnosti spínání

RELÉ Konstrukce spínacího (elektromagnetického) relé

RELÉ Princip činnosti spínacího (elektromagnetického) relé Začne-li elektromagnetem procházet ovládací proud, kotva relé se přitáhne k jádru cívky a sepne pružné kontakty. Tím je ovládané zařízení uvedeno do chodu. Pro přitažení kotvy postačuje mnohem menší proud, než je proud, který prochází obvodem ovládaného zařízení.

RELÉ Základní parametry relé Parametry cívky: - maximální ovládací napětí U (V) a proud I (mA) - maximální příkon cívky P = U × I (W) - druh proudu (DC - stejnosměrný, AC - střídavý) - elektrický odpor cívky R (Ω) Parametry kontaktů: - druh kontaktů (přepínací, vypínací, spínací) a jejich počet - maximální proud tekoucí kontaktem (A) - doba přítahu/odpadu kontaktu (ms)

POJISTKA Definice, použití Jistící spínací elektrický přístroj, který chrání vedení a spotřebič před účinky nadproudu a zkratového proudu. Tepelným účinkem proudu dojde k přetavení tavného drátku ve vložce pojistky (jednorázové použití). POZNÁMKA: Pojistky se nesmí opravovat! Je možná pouze výměna celé pojistky za stejnou (typ, jmenovitý proud)!

POJISTKA Rozdělení pojistek Podle napětí (nízkonapěťové, vysokonapěťové) Podle typu (závitové, nožové, trubičkové) Podle použití (pro vedení, přístrojové, motorové, pro jištění polovodičů, atd.) Schématická značka pojistky (IEC):

POJISTKA Závitové pojistky Používají se pro napětí do 500 V a proudy do desítek ampér.

POJISTKA Závitové pojistky V pojistkovém spodku je vymezovací kroužek (lícovací vložka), který nedovolí vložit pojistkovou vložku na větší proud. Kroužky jsou barevně odlišeny podle jmenovitého proudu: 2A – růžová 20A – modrá 4A – hnědá 25A – žlutá 6A – zelená 35A – černá 10A – červená 50A – bílá 16A – šedá 63A – měděná

POJISTKA Závitové pojistky Pojistkový spodek je vybaven svorkami pro přívodní vodiče: - přívod od zdroje vede pod vymezovací kroužek (lícovací vložku), - vývod k jištěnému zařízení je vyveden ze závitu. Přívod Vývod

POJISTKA Závitové pojistky Pojistkovou vložku tvoří dutý porcelánový nebo plastový váleček s kontakty, které jsou spojeny tavným vodičem vhodného průřezu (Ag, Cu nebo slitiny těchto kovů). Dutina je vyplněna křemičitým pískem: - dobrý odvod tepla, - zhášení el. oblouku. Pružina při přetavení drátku uvolní barevný terčík, což signalizuje „vyměnit přetavenou pojistku“.

POJISTKA Vypínací charakteristiky tavných pojistek

POJISTKA Nožové pojistky Výkonové pojistky – vypínají až do 630 A poruchového proudu. Tavný pásek uvnitř pojistky je obklopen křemičitým pískem. Na přední straně hranolku je malé okénko s lesklou značkou, která při přetavení pojistky zčerná nebo zmatní. Výměna se provádí speciálním držákem v nezatíženém stavu.

POJISTKA Nožové pojistky pro automobil V automobilech a dopravních prostředcích se obvykle používají pojistky s barevným plastovým tělesem a s nožovými kontakty. Barva tělesa pojistky odpovídá jmenovitému proudu. (do 30 A). Pro manipulaci s pojistkou se používají speciální kleštičky.

POJISTKA Přístrojové (trubičkové) pojistky Používají se k jištění měřících a elektronických přístrojů. Mají malé rozměry a jsou určeny pro malé jmenovité proudy. Obvykle se pojistky instalují do: - pouzdra, které je součástí krytu přístroje. - nosiče (držáku), který je umístěn na desce plošných spojů.

JISTIČ Definice, použití Jistící spínací elektrický přístroj, který chrání vedení a spotřebič před účinky nadproudu a zkratového proudu. Má zapínací zámek s nezávislým vypínáním. Skládá se z tepelné a zkratové (elektromagnetické) spouště. Porovnání jističe s pojistkou: - nedestruktivní jistící prvek (lze jej používat opakovaně), - pojistky jsou levnější jistící prvek, - jistič má oproti pojistce větší rozměry.

JISTIČ Provedení jističe, základní schématické značky Jednopólový (jednofázový) Trojpólový (trojfázový)

JISTIČ Konstrukce jističe

JISTIČ Princip jističe Pevný kontakt Pohyblivý kontakt Tepelná spoušť (bimetal) Zkratová spoušť (elektromagnet) Kotvička elektromagnetu Vratná pružina Zámek (západka) Zhášecí komora

JISTIČ Zkratová (elektromagnetická) spoušť Reaguje bez zpoždění při průchodu zkratového proudu. Základem je elektromagnet, což je cívka s pohyblivým jádrem (kotvou). Při průchodu zkratového proudu vzniká silné elmag. pole cívky, které vtáhne kotvu. Tím se uvolní zámek a kontakty se rozpojí.

JISTIČ Tepelná spoušť Základem je bimetalový pásek, který se při průchodu nadproudu zahřívá, tím se prohne a dojde k rozpojení kontaktů. Pracuje se zpožděním a reaguje pouze na nadproudy. Bimetal (dvojkov) Materiál, vytvořený spojením dvou vrstev z různých kovů nebo slitin, které mají rozdílný teplotní součinitel délkové roztažnosti. Při normální teplotě je bimetalový pásek rovný. Jestliže se zahřeje, ohýbá se (jeden z materiálů dvojkovu se roztahuje více, druhý méně).

JISTIČ Základní parametry a vlastnosti jističů Jmenovité napětí UN (V) Jmenovitý proud IN (A), který trvale propouští bez rozpojení obvodu Počet pólů (jištěných fází) – jednopólové, třípólové Selektivita jističe – schopnost jističe odpojit místo zkratu, aniž by se vypnuly jemu předřazené jistící prvky. Typ jističe (B, C, D) – je popsán vypínací charakteristikou zobrazující závislost času vypnutí na velikosti nadproudu nebo zkratového proudu.

JISTIČ Základní typy jističů Podle nastavení zkratové spouště dělíme jističe do tří skupin: typ B (jistič pro vedení) vypíná při 3 až 5 násobku jmenovitého proudu IN Typ C (jistič pro motory) vypíná při 5 až 10 násobku jmenovitého proudu IN Typ D (jistič pro obvody s velkými nárazovými proudy) vypíná při 10 až 20 násobku jmenovitého proudu IN

JISTIČ Vypínací charakteristiky jističů

JISTIČ Vypínací charakteristiky jističů

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Definice, použití Elektrický přístroj, který chrání člověka a živé organismy před nebezpečným dotykovým napětím na neživé, případně živé části. Automaticky odpojí chráněné zařízení od zdroje, prochází-li z některé fáze proud do země.

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Definice, použití Živá část zařízení: je přímo určena k vedení elektrického proudu (např. vodiče, kontakty, apod.) Neživá část zařízení: není určena k vedení elektrického proudu, ale za určitých podmínek (porucha) se na nich může objevit nebezpečné napětí (např. kovový kryt)

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Důležité: Proudový chránič neslouží k ochraně zařízení, např. před účinky zkratového proudu či proudovému přetížení (pojistka, jistič)

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Konstrukce proudového chrániče 1 - součtový transformátor proudu 2 – vybavovací zařízení 3 - volnoběžka 4 - silové spínací kontakty 5 - testovací obvod

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Princip proudového chrániče

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Princip proudového chrániče

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Princip proudového chrániče 𝑢 𝑖 =−𝑁∙ ∆𝜙 Δ𝑡 V bezporuchovém stavu tečou fázovými vodiči L a středním pracovním vodičem N stejně velké proudy, součet jejich okamžitých hodnot je roven nule (stejný proud teče od zdroje i zpět). V magnetickém obvodu transformátoru se nevybudí žádný magnetický tok φ Indukované napětí ve výstupním vinutí transformátoru je tedy rovno nule (ui = 0 V). 𝑢 𝑖 =−𝑁∙ ∆𝜙 Δ𝑡

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Princip proudového chrániče Při poruše (proud teče také neživou částí a ochranným vodičem PE) se část proudu, který tekl do spotřebiče již nevrací pracovním vodičem N. Vzniká unikající (tzv. reziduální, rozdílový) proud IΔ, který z obvodu odtéká buď ochranným vodičem PE nebo přes člověka do země. Tento rozdíl v proudech vyvolá v magnetickém obvodu magnetický tok φ = φ1 - φ2, který v sekundárním vinutí indukuje napětí. Vybavovací zařízení spustí volnoběžku = rozpojení silových kontaktů.

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Tlačítko TEST Tlačítko je součástí zkušebního obvodu, jehož součástí je zatěžovací rezistor a pomocné kontakty. Obvod uměle vytváří reziduální proud, kterým se testuje správná funkce zapojeného proudového chrániče pod napětím.

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Základní parametry počet pólů (fází) – jednofázové, trojfázové jmenovitý proud IN (A), obvykle 16 A jmenovitý reziduální proud IΔN (mA), obvykle 30 mA zkratový proud (A) jmenovité napětí UN (V), obvykle 230V / 400V síťový kmitočet (Hz), obvykle 50 Hz vypínací doba (s)

PROUDOVÝ CHRÁNIČ Důležité: Proudový chránič se musí vždy zapojit společně s pojistkou nebo jističem, neboť nechrání spotřebič a vedení před zkratem a nadproudem!

KONEC PREZENTACE Děkuji za pozornost… chmiel@outech-havirov.cz