Střídavý proud

Download Report

Transcript Střídavý proud

Střídavý proud
Grafické znázornění střídavého
napětí
Střídavé napětí
Okamžitá hodnota střídavého napětí
u  U m . sin t
Um………amplituda střídavého napětí
ω.............úhlová rychlost
2
T………...perioda

f…………frekvence
T
 2f
Střídavý proud
Otáčením závitu v magnetickém poli vzniká v obvodu střídavý
proud
Doba jedné otočky se nazývá perioda, má značku T a jednotku
s (sekunda).
Počet period za sekundu se nazývá frekvence (kmitočet), má
značku f a jednotku Hz (hertz).
Mezi periodou a frekvencí platí jednoduché vztahy
T = 1 / f a f = 1 / T.
Střídavý proud, který vzniká v elektrickém obvodu připojeném
ke zdroji střídavého napětí, můžeme považovat za druh
elektrického kmitání
Generátor střídavého napětí
= alternátor
Princip: v homogenním magnetickém poli mezi
póly magnetu se otáčí cívka v podobě
obdélníkového závitu. Konce cívky jsou spojeny
s dvojicí vodivých kroužků, kterých se dotýkají
pružné kovové kontakty.
U skutečného alternátoru je cívka v klidu (stator)
a otáčí se magnet (rotor)
Generátor střídavého napětí
Obr.
Obvod střídavého proudu s
rezistorem
Napětí
u  U m . sin .t
u Um
Proud v obvodu i 

. sin .t  I m . sin .t
R
R
Obvod střídavého proudu s
rezistorem
Um
Veličina I m 
R
je amplituda střídavého proudu
Celkový odpor obvodu střídavého proudu nazýváme
rezistance
Um
R
Im
Fáze
veličina, která určuje hodnotu napětí a proudu v
obvodu v počátečním okamžiku
Vyjadřuje se jako úhel buď ve stupních nebo v
radiánech.
Fázový rozdíl = fázový posun =hodnota rozdílu mezi
počáteční fází napětí a počáteční fází proudu (může
být kladný nebo záporný)
Značí se

• Průběh fce sin
Fázový posun
Napětí vzhledem k proudu bude mít kladnou
hodnotu v případě, že napětí předbíhá proud
Největší fázový posun, který může v obvodech nastat

je  90  což odpovídá 
2
Fázový posun v obvodu
střídavého proudu s rezistorem
V obvodu střídavého proudu s odporem
fázový rozdíl nevzniká
Měření okamžitých hodnot
střídavého napětí a proudu
Měřící přístroje na střídavý proud jsou konstruovány
tak,že ručička ukazuje na stupnici jedinou hodnotu,
která je v určitém vztahu k amplitudě měřené veličiny
– efektivní hodnota střídavého napětí a proudu
Um
U
 0,707.U m
2
Im
I
 0,707.I m
2
Obvod střídavého proudu s
cívkou
• Vlastnost cívky je určena indukčností L
Induktance
• Střídavý proud procházející vinutím cívky
vytváří měnící se magnetické pole. To
způsobuje, že se v cívce indukuje napětí, které
má podle Lenzova zákona opačnou polaritu než
zdroj napětí. Proto proud v obvodu nabývá
amplitudy později než napětí.
• Působení cívky na střídavý proud
charakterizuje veličina induktance – značí se XL
Induktance
• Napětí indukované v cívce závisí na její
indukčnosti a na rychlosti, kterou se mění
střídavý proud – tedy na frekvenci
střídavého proudu
• Cívka o indukčnosti L má v obvodu
střídavého proudu induktanci XL =
2..f.L nebo XL = .L
• Jednotkou induktance je ohm
Fázový posun mezi napětím a
proudem v obvodu střídavého
proudu s cívkou
• Napětí předbíhá proud
• Nastává kladný fázový posun 
• V jednoduchém obvodu s cívkou je   + 90
  + /2 rad
Fázový posun mezi napětím a
proudem v obvodu střídavého
proudu s cívkou
Obvod střídavého proudu s
kondenzátorem
• Kondenzátor má kapacitu C
Kapacitance
• Kondenzátor se střídavým proudem
periodicky nabíjí a vybíjí. Tento nabíjecí a
vybíjecí proud je tolikrát větší kolikrát je větší
kapacita kondenzátoru.
Kondenzátor klade střídavému proudu tolikrát
menší odpor, kolikrát je kapacita
kondenzátoru větší.
• Působení kondenzátoru na střídavý proud
charakterizuje veličina kapacitance – značí
se XC
Kapacitance
• Vliv na střídavý proud má tedy kapacita
kondenzátoru a frekvence střídavého proudu
• Kondenzátor o kapacitě C má v obvodu
střídavého proudu kapacitanci XC =
1/(2..f.C) nebo
XC = 1/(.C)
• Jednotkou kapacitance je ohm
Fázový posun mezi napětím a
proudem v obvodu střídavého
proudu s kondenzátorem
• Kondenzátor se musí nejdříve nabít a
potom je na něm napětí
• Napětí se zpožďuje za proudem
• Nastává záporný fázový posun 
• V jednoduchém obvodu s kondenzátorem
je   - 90
  - /2 rad
Fázový posun mezi napětím a
proudem v obvodu střídavého
proudu s kondenzátorem
Př.
Výkon střídavého proudu
P = U.I
U……………..efektivní hodnota napětí
I………………efektivní hodnota proudu
jednotka…….Watt
Um Im UmIm
P
.

2
2 2
Uvedený vztah platí pouze pro obvod s odporem, v
němž nevzniká fázový posun napětí a proudu
Obvod s kondenzátorem a cívkou
• Dochází k přeměně energie střídavého
proudu na energii magnetického pole cívky
popř. energii elektrického pole kondenzátoru.
• Část energie střídavého proudu při
periodických přeměnách energie neužitečně
přechází ze zdroje do spotřebiče a obráceně
ze spotřebiče do zdroje
Účiník
• Účinnost přeměny energie střídavého proudu ve
spotřebiči ovlivňuje fázový posun φ mezi napětím a
proudem v obvodu.
• Výkon střídavého proudu označujeme jako činný výkon
a platí pro něj vztah
P  U .I . cos
•
•
•
•
cos φ je účiník
účiník nabývá hodnot od 0 do 1
Činný výkon koná užitečnou práci
Činný výkon se měří wattmetrem ve Wattech
Účiník
Udává účinnost přenosu energie ze zdroje
střídavého proudu do obvodu střídavého proudu –
do spotřebiče
Má-li spotřebič pouze odpor, potom φ = 0, potom
cos φ = 1 a výkon střídavého proudu je největší

V obvodu s cívkou nebo kondenzátorem je   
2

popřípadě    a činný výkon je nulový
2
• Energie střídavého proudu se v případě
malého účiníku mění jen v malé míře v
užitečnou práci a zbývající část energie se
bez užitku přenáší od zdroje ke spotřebiči
a zpět
Zdánlivý výkon
• Největší možný výkon střídavého proudu
PS  U .I
Trojfázová soustava
Přenos energie více vodiči
Tři vodiče – fázové vodiče
Čtvrtý vodič – nulovací vodič
Přenášejí se tři navzájem fázovém
posunutá střídavá napětí (v elektrické síti
– 6 vodičů)
Alternátor
• = zdroj trojfázového střídavého proudu
Alternátor
Stator
• soustava cívek
• osy cívek svírají 120°, takže napětí indukovaná v
jednotlivých cívkách jsou fázově posunutá o
2
 
3
• jeden konec tvoří fázový vodič L1, L2 ,L3
• druhý konec je připojen do společného uzlu, se
kterým je spojen nulovací vodič (uzemněn)
Alternátor
Součet okamžitých hodnot jednotlivých
napětí je v libovolném okamžiku rovný nule
Alternátor
• Rotor – otáčivý elektromagnet
rotor je opatřen dvěma vodivými kroužky,
kterými se přivádí stejnosměrný proud ze
samostatného zdroje - budič
c
• Spojení do hvězdy
• Spojení do trojúhelníku
Spojení spotřebičů
• Řada spotřebičů konstruovaných na větší výkon
např. elektromotory) se připojuje současně ke
všem fázovým vodičům.
• Jejich elektrický obvod (např. elektromotoru) má
tři stejné části, zapojené buď do hvězdy nebo do
trojúhelníka
• Při spojení do hvězdy jsou jednotlivé spotřebiče
připojeny k fázovému napětí 230 V a při spojení
do trojúhelníka jsou připojeny k napětí
sdruženému 400 V. Proto je výkon spotřebiče při
tomto zapojení větší.
Fázové a sdružené napětí
• Napětí mezi fázovým vodičem a nulovacím
vodičem se nazývá fázové napětí.
• Napětí mezi libovolnými fázovými vodiči je
sdružené napětí a jeho velikost je 3krát větší než
fázové napětí
Asynchronní elektromotor
• Princip spočívá v působení magnetické síly na
vodič, který se pohybuje v magnetickém poli
• Stator – soustava tří cívek, spojených např.
do hvězdy a připojených k fázovým napětím .
Cívkami procházejí proudy navzájem
posunuté o 1/3 periody. Každá cívka vytváří
proměnné magnetické pole – točivé
magnetické pole
Asynchronní elektromotor
Asynchronní elektromotor
V elektromotorech se jako rotor používá
zvláštní cívka na ocelovém jádře – kotva
Asynchronní elektromotor
 Točivé magnetické pole statoru indukuje ve vinutí
kotvy značné proudy, podle Lenzova zákona
vznikají magnetické síly, které působí na vodiče
kotvy a kotva se roztočí.
 Rotor elektromotoru se točí s menší frekvencí než
pole, protože by se jinak neindukovaly proudy ve
vinutí kotvy – nedocházelo by ke změně
magnetického pole
 Rotor se tedy otáčí s menší frekvencí, tedy
asynchronně – trojfázový asynchronní
 Čím větší je zatížení motoru, tím pomaleji se rotor
otáčí a indukované proudy se zvětšují a tím i
magnetické síly působící na rotor
Skluz
• = rozdíl frekvence pole fp a frekvence rotoru fr
• vyjadřuje se v procentech
s
f p  fr
fp
.100%
• V praxi bývá skluz při plném zatížení elektromotoru
2% - 5%
Transformátor
• Mění velikost střídavého napětí
Princip transformátoru
Základní části:
primární cívka C1 – vstupní
sekundární cívka C2 – výstupní
společné jádro
Primární cívkou prochází střídavý proud, v
jádře transformátoru vzniká proměnné
magnetické pole, které způsobuje, že se v
sekundární cívce indukuje střídavé napětí
Transformační poměr
Napětí na jednom závitu U0
Napětí na cívkách U1=N1U0 a U2=N2U0
N1 …..... počet závitů primární cívky
N2 …..... počet závitů sekundární cívky
Jestliže je N1 > N2 , pak U1 > U2 a nastává
transformace dolů
Jestliže je N1 < N2 , pak U1 < U2 a nastává
transformace nahoru
Transformační poměr
• Rovnice transformátoru
U 2 N2

k
U1 N1
• K je transformační poměr
N2
k
N1
Transformace proudů
• Proudy se transformují v obráceném
transformačním poměru
P1  P2
U 1 I1  U 2 I 2
U 2 I1

U1 I 2
Energetická přenosová soustava
• Základní přenosová síť - vysoké napětí 220 kV,
400 kV – pro přenos – snížení ztrát
Energetická přenosová soustava
• Na základní přenosovou síť navazuje vedení
vysokého napětí 110 kV, které se transformuje na
22 kV pro přenos na menší vzdálenosti
• Přenosovou soustavu ukončují transformační
stanice, ve kterých se získává trojfázové napětí
3x400V/230V, které se rozvádí ke spotřebitelům
• Elektrotechnické normy a předpisy dělí
elektrické napětí podle velikosti do
následujících napěťových stupňů:
• Malé napětí, značka, mn, do 50 V
• Nízké napětí, značka, nn, 50 V až 1000 V
• Vysoké napětí, vn, 1000 V až 75 kV
• Velmi vysoké napětí, vvn 75 kV až 400 kV
• Zvláště vysoké napětí, zvn 400 kV až 800 kV
• Ultra vysoké napětí, uvn více než 800 kV