01. Úvod a BOZP

Ciele cvičenia

1. Úvod do elektrických strojov

Elektrické stroje, ako sú transformátory, motory a generátory, patria medzi základné zariadenia využívané na premenu energie. Ich princíp fungovania je založený na teórii elektromagnetického poľa, ktorá opisuje vzájomné pôsobenie elektrických a magnetických polí. Elektromagnetická indukcia, ktorá vzniká pri pohybe vodiča v magnetickom poli alebo pri zmene magnetického toku, je základom pre generovanie elektrického napätia v generátoroch, zatiaľ čo elektromagnetická sila pôsobiaca na vodič s prúdom umožňuje pohon elektrických motorov.

1.1 Elektromagnetická indukcia

Základným zákonom elektrických strojov je Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie ktorý znie nasledovne:

Indukované napätie \( u_\mathrm{i} \) vzniká všade tam, kde sa v čase \( t \) mení magnetický tok \( \phi \).

Zo základov elektrotechniky vieme, že magnetický tok je priamoúmerný súčinu magnetickej indukcie \( B \) a prierezu magnetického obvodu \( S \): \[ \phi = B S \] Ako sme už povedali, pri časovej zmene magnetického toku cez plochu obklopenú vodičom sa indukuje vo vodiči napätie \( u_\mathrm{i} \). Nezáleží však na tom, či sa zmena magnetického toku dosiahne:

Indukované transformačné napätie

Ak na statickú cievku pripojíme časovo premenlivý prúd, tento striedavý prúd vytvorí v cievke meniaci sa magnetický tok, ktorý sa uzatvára v magnetickom obvode stroja. Pri napájaní cievky sínusovým prúdom vzniká sínusový magnetický tok \( \phi \). Tento tok následne indukuje v cievke napätie, ktoré sa nazýva transformačné napätie: \[ u_\mathrm{i} = - N \frac{d \phi}{d t} = - \frac{d \psi}{d t} \] kde

\[ \psi = N \phi \]

Indukované pohybové napätie

Naopak, ak máme cievku s dĺžkou \( l \) a začneme ju otáčať v magnetickom poli s indukciou \( B \) rýchlosťou \( v \), v cievke sa začne indukovať napätie, ktoré sa nazýva pohybové napätie: \[ u_\mathrm{i} = B \, l \, v \] Toto napätie vzniká v dôsledku toho, že pohyb cievky v magnetickom poli spôsobuje zmenu magnetického toku cez cievku. Tento pohyb generuje elektrické napätie, ktoré je priamo úmerné rýchlosti otáčania cievky a intenzite magnetického poľa.

1.2 Zákon celkového prúdu

Konštrukcia elektrických strojov vychádza z takzvaného zákona celkového prúdu, známeho tiež aj ako zákon prietoku: \[ N \, I = H \, l \] kde

Intenzita magnetického poľa \( H \) je závislá od magnetickej indukcie \( B \) a permeability magnetického obvodu \( \mu \): \[ B = \mu H = \mu_0 \, \mu_\mathrm{r} \, H \] kde

1.3 Elektrický stroj - menič energie

Každý elektrický stroj premieňa privedenú energiu, pričom na jeho výstupe dochádza k zmene charakteru tejto energie. Energia sa môže meniť:

Elektrické stroje môžeme rozdeliť podľa: V každom stroji vznikajú straty a preto sa pozrieme aj na výkonovú bilanciu stroja.

1.4 Účinnosť elektrických strojov

Privedený výkon \( P_1 \) (príkon) je vždy väčší ako výkon stroja \( P \), pričom rozdiel týchto výkonov tvoria straty elektrického stroja \( \Delta P \). Účinnosť elektrického stroja \( \mu \) je potom daná pomerom medzi výkonom \( P \) a príkonom \( P_1 \): \[ \eta = \frac{P}{P_1} = \frac{P}{P + \Delta P} \] Ak potrebujeme vyjadriť účinnosť elektrického stroja v percentách, účinnosť jednoducho vynásobíme nasledovným spôsobom: \[ \eta_\% = \eta \cdot 100\,\% \] Straty v elektrických strojoch rozdeľujeme na:

Straty v elektrickom obvode

Straty v elektrických obvode \( \Delta P_\mathrm{j} \) vznikajú prechodom elektrického prúdu vinutím stroja. Veľkosť strát závisí od odporu vinutia a kvadrátu prechádzajúceho prúdu: \[ \Delta P_\mathrm{j} = m R I^2 \] kde

Vzniknuté straty (teplo) ohrievajú vodiče. Teplota vodičov však nesmie prekročiť maximálnu dovolenú teplotu izolácie. V opačnom prípade hrozí poškodenie elektrického obvodu.

Straty v magnetickom obvode

Straty v magnetickom obvode (starty v železe) \( \Delta P_\mathrm{Fe} \) sú straty, ktoré vznikajú v magnetickom obvode stroja. Tieto straty delíme na:

Výsledné straty v železe sú súčtom týchto strát: \[ \Delta P_\mathrm{Fe} = \Delta P_\mathrm{h} + \Delta P_\mathrm{v} \]

Hysterézne straty vznikajú pri každom premagnetovaní, ktoré sú úmerné ploche hysteréznej slučky. Pretože straty vznikajú pri každom prechode hysteréznou slučkou, hysterézne straty sú závislé nielen od sýtenia materiálu, ale aj od frekvencie zmeny. Zníženie hysteréznych strát je možné použitím magnetických materiálov s čo najužšou hysteréznou slučkou.

Straty vírivými prúdmi vznikajú pri sýtení magnetického materiálu premenlivým magnetickým tokom. Pri sítení sa v ňom indukuje napätie. Toto je reakciou na zmenu magnetického poľa. Keďže magnetický materiál je elektricky vodivý, tak ním začnú pretekať prúdy, ktorým hovoríme vírivé prúdy.

Straty mechanické

Mechanické straty \( \Delta P_\mathrm{m} \) vznikajú pri otáčaní stroja (trením v ložiskách, ventilačné straty). Veľkosť mechanických strát je približne \( 0{,}5\,\% P_\mathrm{N} \). Tieto straty vznikajú len pri točivých elektrických strojoch.

Straty prídavné

Prídavné straty \( \Delta P_\mathrm{d} \) sú elektrické straty ktoré vznikajú bludnými prúdmi v nosnej konštrukcii elektrického stroja. Sú veľmi malé a vo všeobecnosti sa zanedbávajú.

Celkové straty

Celkové straty v elektrickom stroji sú dané súčtom jednotlivých strát: \[ \sum \Delta P = \Delta P_\mathrm{j} + \Delta P_\mathrm{Fe} + \Delta P_\mathrm{m} + \Delta P_\mathrm{d} \]

1.5 Výkony v elektrických strojoch

Pri elektrických strojoch sa môžeme stretnúť s tromi druhmi výkonu:

Elektrický výkon jednosmerného prúdu

Elektrický výkon jednosmerného prúdu vyjadruje množstvo práce, ktorú vykoná elektrický prúd za určitý čas. Pre jednosmerný prúd sa výkon počíta ako súčin napätia a prúdu podľa vzorca: \[ P = UI = RI^2 = \dfrac{U^2}{R} \] Tento vzorec platí pre obvod, v ktorom je napätie a prúd konštantné, čo je typické pre jednosmerný obvod.

Elektrický výkon striedavého prúdu

Pri striedavom prúde rozoznávame tri druhy výkonu, a to:

Činný výkon, nazývaný aj užitočný výkon, sa pri práci spotrebičov premieňa na tepelnú, mechanickú alebo svetelnú energiu. Meria sa vo Wattoch (W) a jeho matematický zápis je nasledovný: \[ P = U I \cos \varphi \] kde Činný výkon je definovaný ako priemerná hodnota okamžitého výkonu.Na meranie činného výkonu sa používa wattmeter. Zaujímavé je aj tzv. Aronovo zapojenie, ktoré umožňuje meranie činného výkonu v trojvodičových sústavách.

Časový priebeh výkonu na činnom odpore

Ako už názov naznačuje, jalový výkon nezohráva aktívnu úlohu pri využití výkonu na napájanie spotrebiča elektrickou energiou. Namiesto toho slúži na ukladanie energie v podobe magnetického a elektrického poľa. Tento komponent výkonu je však nevyhnutný pre správne fungovanie elektrických zariadení, ako sú transformátory a elektromotory. Meria sa vo voltampéroch reaktančných (VAr) a jeho matematický zápis je nasledovný: \[ Q = U I \sin \varphi \] kde Rozlišujeme dva typy jalového výkonu:

Časový priebeh výkonu na indukčnej reaktancii

Rovnako ako činný a jalový výkon, aj zdanlivý výkon je výsledkom súčinu napätia a prúdu. Keďže predstavuje kombináciu činného a jalového výkonu, označuje sa tiež ako celkový výkon. Na rozdiel od činného výkonu, ktorý je priamo premenený na užitočnú energiu, a jalového výkonu, ktorý slúži na ukladanie energie v elektrickom alebo magnetickom poli, zdanlivý výkon zahŕňa oba tieto aspekty. Jeho jednotkou je voltampér (VA) a jeho matematický zápis je nasledovný: \[ S = U I \]

Výkony striedavého prúdu

Mechanický výkon

Pri rotačných strojoch, ako sú motory, generátory je mechanický výkon súčinu krútiaceho momentu a uhlovej rýchlosti, ktoré sú základnými veličinami pri rotačnom pohybe. \[ P = M \omega = M \frac{2 \pi n}{60} \] kde

Mechanický výkon rotačných strojov udáva, koľko energie sa prenáša prostredníctvom rotačného pohybu. Tento výkon závisí od toho, akou silou a akou rýchlosťou sa otáča hriadeľ stroja.

2. Oboznámenie sa študentov v oblasti BOZP

Bol(a) som oboznámený(á) s uvedenými predpismi na úseku BOZP, ktoré budem dodržiavať:

Základné zásady jednania osôb pri požiari

Dym alebo zápach dymu je väčšinou prvým signálom požiaru. V prípade, že tento zápach zacítite riaďte sa nasledovnými krokmi:

Po opustení objektu v prípade požiaru sa zhromaždite pred budovou na vopred dohodnutom mieste (protipožiarne oboznámenie sa a cvičenie). Je nutné zistiť, kto budovu opustil, preto samovoľne z dohodnutého miesta neodchádzajte.

Poznámka:

V prípade, že nie je možné opustiť budovu únikovými cestami: