Pehled silnoproud elektrotechniky KEVPSE Indukn stroje genertory synchronn

Přehled silnoproudé elektrotechniky KEV/PSE Indukční stroje – generátory, synchronní stroje, výroba el. energie Ing. Milan Krasl, Ph. D. Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky

Program přednášených témat na přednáškách 1. Základní pojmy a veličiny. 2. Základní fyzikální zákony. 3. Zdroje el. energie, ss zdroje. 4. Střídavé zdroje. 5. Energetické přeměny, druhy elektráren. 6. Transformace, přenos a rozvod. 7. Spínací přístroje. 8. Výkonová elektronika. 9. El. motory. 10. El. pohony. 11. Supravodivost a silnoproudé aplikace. 12. Motor-generátor pro PVE. 13. Supravodivost.

Opakování Elektrické stroje jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická.

Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE NETOČIVÉ T O Č I V É TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) Komutátorové Střídavé M O T O R Y Stejnosměrné (Alternátory) Střídavé Stejnosměrné GENERÁTORY • cizím buzením • derivační • kompaudní • sériové • synchronní • asynchronní • synchronní MĚNIČE • síťové (výkonové) • usměrňovače • pecní • střídavé měniče • svařovací (rozptylové) • měřící (MTP, MTN) • speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd. ) napětí • střídače • pulzní měniče • měniče kmitočtu

SYNCHRONNÍ STROJE ELEKTRICKÉ STROJE T O Č I V É Komutátorové Střídavé M O T O R Y Stejnosměrné (Alternátory) Střídavé Stejnosměrné GENERÁTORY • cizím buzením • derivační • kompaudní • sériové • synchronní • asynchronní • synchronní

Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole vodiče je pohyb rotační a (využívaný ve většině běžných AC generátorů) u(t) Časový průběh indukovaného napětí ωt S Rychlost otáčení, resp. otáčky n J Mag. indukce B R TMET L ~ VO i(t) - (střídavý proud – obou polarit) u(t) – střídavé indukované napětí

Hlavní části generátoru l Kotevní vinutí: je nejčastěji 3 f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá „vyrobená“ indukovaná elektrická energie l Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče (často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole l Stator: pevná část generátoru l Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje l Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím l Amortizér (tlumič): Spec. klecové vinutí nakrátko, zamezující tzv. kývání -------------------------------------------------Ê Hnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory. . .

Princip jednoduchého AC zdroje – AC generátor (indukované napětí vzniklé v otáčejícím se závitu ve stálém EM poli při různých vzájemných polohách) J S J S J U=0 J S U=0

Dva konstrukční typy AC generátorů l s otáčejícím se rotorem je nejpoužívanější prakticky u všech elektro energetických zdrojů – synchronních generátorů (AC SG) - nutnost kroužků a kartáčů pro buzení l s otáčející se kotvou

Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru Ve většině států světa a v celé Evropě má síťové AC napětí kmitočet f = 50 Hz, ale např. v USA a Kanadě je to 60 Hz. ? Jakými otáčkami n se musí otáčet např. rotor 2 pólového ( pp =1) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz ? l Platí: n = 60·f / pp = 3 000 min-1 = 50 s-1

Trojfázové elektrické zdroje napětí Alternátory = AC generátory l l V jeden konstrukční celek, zpravidla 3 f synchronní alternátor jsou konstrukčně vkomponovány 3 jednofázové generátory (prakticky jsou to jejich vinutí, do kterých se naindukují jednotlivá fázová napětí). Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp. 120 o el. ). S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a jeho hmotnost. Ze standardního trojfázového rozvodu (3 f sítě) je odvozen i jednofázový rozvod (1 f síť).

Rozdělení alternátorů (synchronních) l l Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázové Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika) l l Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční síti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V Výkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony 200 - 500 MW, výjimečně i 1 000 MW (JE Temelín) l Typu: na turboalternátory a hydroalternátory

Princip 3 f synchronního turboalternátoru názorně L 1 tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru L 3 L 1 L 2 L 3 kroužky L 2 3 f statorové vinutí Nulový vodič Kartáče N (S) + DC BUDIČ S (J) Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje Stýskala, 2002

Indukované napětí Budeme-li uvažovat jako nejjednodušší AC SG otáčející se (hnanou hnacím strojem) cívku v homogenním EM poli, je okamžitá hodnota indukovaného napětí v jednom závitu cívky vyjádřena ui = dΦ/dt = Um. cos ωt Časový průběh ui je harmonický. Jedna perioda je rovna jedné otáčce cívky => jedná se o dvojpólový SG.

Pohled na 3 f synchronní hydroalternátor (vodní dílo Lipno, 2 x 60 MW) Stýskala, 2002

Viz: další odkaz k tématu 3 f synchronní alternátory

Průmyslová výroba elektrické energie Elektrárny a zdroje ü Uhelné ü Jaderné ü Sluneční ü Vodní přečerpávací ü Termální ü Větrné ü Kogenerační jednotky ü Palivové články ü Perspektivní zdroje Stýskala, 2002

Stále rostoucí potřebu elektrické energie pro průmysl, dopravu i domácnosti mohou uspokojit jen dostatečně výkonné a spolehlivé elektrárny. Na elektrickou energii se v nich přeměňuje teplo f. p. , energie proudící vody, teplo z jaderné reakce. Využívá se i energie větru, slunečnícho záření, geotermální nebo energie mořského přílivu. V České republice patří k dostupným zdrojům pro výrobu elektrické energie především fosilní paliva … uhlí, mazut, plyn (f. p. ) v jaderná energie v voda v Stýskala, 2002

Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou Komín Parní potrubí parovod Alterátor Turbína Skladka uhlí ROZVODNA vn vvn Dopravník uhlí Blokový Kondenzor - transformátor chladič Parní kotel Zásobník užitkové vody Chladící voda Další odkaz k tématu: http: //www. energyweb. cz/web/schemata/tepelna/index. htm http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/02/vyroba_5. html http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/05/elektrarny_2. html

Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně Turbolternátor + blokový Reaktor vvn vedení transformátor Parní turbína G Chladící voda Oběhová čerpadla Stýskala, 2002

Řez jadernou elektrárnou Parní potrubí - parovod Kontejment Turboalterátor Řídící tyče Vyvíječ páry Reaktorová nádoba Čerpadlo REAKTOR Turbína Chladící věž Čerpadlo Kondenzátor chladič vody

Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem Budova reaktoru – sekundární kontejment Primární kontejment Vícestupňová turbína a turboalternátor Hlavní parovody Reaktor Řídící tyče Napájecí pumpy Vývod el. energie do rozvodny Kondenzátor vody Odtok > str. 26 Další odkaz k tématu: http: //www. energyweb. cz/web/schemata/jaderna/index. htm

Sluneční elektrárna Více na odkazu: http: //www. energyweb. cz/web/schemata/slunecni/index. htm

MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICES Princip solární fotovoltaické elektrárny Tok elektronů Fotony Atomy Přední propustná plocha Elektrony Střídač Zpětně odrazná plocha Více k tématu na: http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/05/fotoclanky_2. html Elektrická rozvodná síť

Stýskala, 2002 MISCELLANEOUS Pohled na solární ELECTRICAL DEVICES fotovoltaickou elektrárnu Další odkaz k tématu: http: //www. energyweb. cz/web/schemata/slunecni/index. htm

Vodní elektrárny Využívají potenciální* a kinetické** energie vodního toku. * Těleso o hmotnosti 1 kg má potenciální energii 1 J, je-li 0, 1 m nad povrchem země. Těleso má tuto energii díky své poloze, např. zemské gravitaci. ** Těleso má kinetickou energii 1 joule, jestliže má hmotnost 2 kg a pohybuje se rychlostí 1 m/s. Kinetická energie je vždy spojena s pohybem.

Řez vodní elektrárnou QUESTIONS? rická Elekt ie g r ene Přehradní hráz Vodní nádrž Blokový transformátor Budova elektrárny vn Přívod vody vvn hydroalternátor Tlakové potrub í Další odkaz k tématu: http: //www. energyweb. cz/web/schemata/vodni/index. htm http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/04/vodnielektr_1. html Vodní turbína Řeka Stýskala, 2002

Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energie Stožár vvn vedení Elektrické vedení Hydralternátor Stýskala, 2002

Řez akumulační přečerpávací elektrárnou Rozvodna Dispečink Horní nádrž Přítok Výtah PRINCIP ČINNOSTI vn / vvn Hlavní vstupní tunel Dolní nádrž Odtok Vyrovnávací komora Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo) Brzda Transformovna Stýskala, 2002 Více k tématu na: http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/04/energie_2. html http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/06/precerpel_1. html

Řez geotermální elektrárnou Turbína + alternátor Ochlazená voda Geotermální zásobník Ochlazená voda zpětná Proudy horké vody Tekuté zemské jádro Stýskala, 2002

Větrné elektrárny Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí atmosféry. Větrné elektrárny využívají tohoto druhu energie k její přeměně na elektrickou energii v generátoru.

Větrné elektrárny se uplatňují dobře především v oblastech se silným a pravidelným větrem. Mezi takové lokality patří především hory a přímořské kraje. Přes nesporný užitek, který výstavba větrných elektráren jakožto obnovitelných zdrojů elektrické energie přináší, nelze pominout ani estetická hlediska.

Sestava a princip činnosti větrné elektrárny s turboalternátorem 500 k. W (při rychlosti větru 15 m/s) Alternátor Stýskala, 2002

Stýskala, 2002 Pohled na větrnou elektrárnu („ větrnou farmu “ neboli „větrný park“)

Pohled na větrnou elektrárnu Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule Stýskala, 2002

Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie) Stýskala, 2002 Více k tématu na odkazu: http: //www. tzb-info. cz/t. py? t=2&i=652

Kogenerační jednotka (srovnání energetických bilancí) PALIVO 100 % PALIVO 59 % Ztráty 72% ENERGIE a el. energie ELEKTRICKÁ Kombinovaná výroba tepla TEPELNÁ Oddělená výroba tepla PALIVO 100 % Ztráty 13%

Princip palivového článku ANODA ELEKTROLYT ké c i r t Elekapětí n KATODA

Perspektivní energetické zdroje TOKAMAK - TOroidnaja KAmera a MAgnetnyje Katuški) Jedná se v podstatě o obrovský transformátor, jehož sekundární cívka mající pouze jeden závit má tvar toroidní trubice. Plazma tvořené deuteriem a tritiem (izotopy vodíku) se nachází právě uvnitř této trubice, ve které je jinak vakuum. Elektrický proud procházející primárním vinutím transformátoru indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu (toroidu). V plynu D+T vznikne výboj, plyn se ionizuje a indukovaný proud jej zahřívá na velmi vysokou teplotu (přibližně 100 milionů °C). Magnetické pole tohoto proudu udrží vzniklé plazma v ose toroidu, takže se stěn toroidu nedotýká. Díky magnetickému poli, které udržuje plazma v dostatečné vzdálenosti od stěn, se sníží tepelné zatížení stěn komory na technologicky zvládnutelnou hodnotu (předpokládá se teplotní zatížení stěn kolem 1000°C). Vice k tématu na Stýskala, 2002 http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/03/reaktory_9. htm http: //www. cez. cz/encyklopedie_energetiky/03/synteza_8. htmll

Výroba, přenos a distribuce elektrické energie § Výroba § § § Přenos Distribuce Přípojky

Mapa dislokace hlavních elektroenergetických zdrojů v ČR Vodní Uhelné Jaderné

Elektrický rozvod slouží k přenosu elektrické energie z místa jeho výroby k místu jeho spotřeby a tvoří ho ü elektrické sítě s různým napětím, ü elektrické stanice a ü elektrické vedení.

Rozdělení vedení přenosové a distribuční soustavy v ČR PŘENOS (přenosová soustava ČR, ČEPS, a. s. ) ELEKTRÁRNA DISTRIBUCE (regionální distribuční společnosti, např SME, a. s. ) Transformace na 110 k. V Transformace na 22 k. V TR Transformace na 400 k. V, Lehký průmysl TR resp. 220 k. V Transformace na 22 k. V 22 k. V (6 k. V) 400 V/230 V 22 k. V TR TR Města a vesnice TR Vzdálené osamocené odběrná místa 22 k. V/6 k. V TR G Těžký průmysl Alternativní a místní zdroje Transformace na 400 V/230 V Zemědělství, menší firmy 400 V/230 V

Mapa přenosové sítě ČR OSTRAVA 400 k. V 220 k. V

Distribuční soustava (příklad) domácnosti

Elektrické sítě zabezpečují přenos a rozvod elektrické energie z míst její výroby do míst její spotřeby. Podle významu se sítě dělí na: § napájecí (tranzitní), § na přenášení výkonu bez meziodběru § přenosové, sloužící pro dodávku velkých výkonů na velké vzdálenosti (je tvořena zařízeními - konstrukcemi stožárů, elektrickými kabely, měřícími zařízeními apod. , pro přenos elektrické energie) § rozvodné (distribuční), s rozvodnými stanicemi, odbočkami a připojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojk. MI, měřícími zařízeními apod. , pro rozvod el. energie) § místní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebo obce § přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení.

Elektrické distribuční sítě Jsou to vzájemně propojené soubory vedení a zařízení 110 k. V (s výjimkou vybraných vedení a zařízení 110 k. V, která jsou součástí přenosové soustavy) a vedení a zařízení o napětí 0, 23/0, 4; 3, 6; 10; 22 nebo 35 k. V určená k zajištění distribuce elektrické energie na vymezeném území ČR. Distribucí se rozumí doprava el. en. distribuční soustavou (DS). DS je zřizována a provozována ve veřejném zájmu. Její součástí jsou i systémy měřicí, ochranné, řídicí, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky. Provozovatelem DS je fyzická, nebo právnická osoba, která je držitelem licence na distribuci el. en. . Provozovatel DS je účastníkem trhu s el. en. . Držitel licence na vymezeném území má povinnost připojit každého odběratele, který o to požádá a splňuje podmínky stanovené energetickým zákonem (zákon č. 458/2000 Sb. ).

Elektrické stanice jsou součástí elektrického rozvodu a rozdělují se na : v transformovny v spínací stanice v měnírny V transformovnách se transformuje napětí na jinou velikost a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, slouží také ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé. Ze spínacích stanic se rozvádí elektrická energie při stejném napětí bez transformace. Měnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. na usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, případně naopak).

Elektrické vedení je součástí přenosových a rozvodných sítí. Podle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení: ü vnější ü kabelové ü vnitřní Tab. č. 1 vedení uvn - Dělení el. vedení podle úrovně napětí ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 k. V ( není v ČR ) vedení zvn zvlášť vysoké napětí, 300 až 800 k. V vedení vvn velmi vysoké napětí, 52 až 300 k. V vedení vn vysoké napětí, 1000 V až 52 k. V vedení nn nízké napětí, 50 až 1000 V vedení mn malé napětí, do 50 V

Spotřeba a využití elektrické energie

Diagramy spotřeby elektrické energie Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých ročních obdobích. Denní průběh spotřeby elektrické energie v České republice znázorněn na grafu č. 1. Graf č. 2 ukazuje spotřebu elektrické energie během celého roku.

Graf č. 1 – Diagram denní spotřeby el. energie MINIMUM MAXIMUM Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca 11 000 MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW. Stýskala, 2002

Graf č. 2 – Diagram roční spotřeby el. energie zima - jaro - léto - podzim zima Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících.

Využití elektrické energie Ø v elektrických strojích Ø v tepelných spotřebičích Ø + ztráty !!!!!

Synchronní motory KONSTRUKČNĚ JSOU TÉMĚŘ SHODNÉ S SG Mají řadu výhodných vlastností - konstantní otáčky n = n 1 - dobrou účinnost (vyšší než AM) - velmi dobrý řiditelný účiník, nezatěžují síť jalovým odběrem energie, mohou jalový výkon do sítě i dodávat - značnou momentovou přetížitelnost - výkon i moment závísí jen na první mocnině napájecího napětí, tzn. motor není citlivý na běžné poklesy napětí

Jejich základním nedostatkem je ale - složitost rozběhu - nutnost použití budiče pro napájení budícího vinutí - nemožnost rychlé reverzace

Rotor synchronního motoru (SM) se po připojení na střídavou napájecí síť a nabuzení nemůže sám roztočit v důsledku momentu setrvačnosti a nemůže tak skokem dosáhnout synchronních otáček n 1, jeho mechanická charakteristika nemá společný bod s osou momentu !

Mechanická charakteristika SM; spouštění vtažení do synchronismu n, Ω cca 0, 95 ·n 1 n = n 1= konst. klec AM 0 Ml MN Mm M

ss budicí vinutí 3 f stator Póly Pólový nádstavec Pomocné rozběhové klecové vinutí Řez 3 f synchronním motorem

Spouštění – rozběh 3 f SM SM nemá tzv. záběrný moment známý u jiných el. motorů, využívaný k rozběhu !! Rozběh se tedy realizuje zpravidla: - pomocí rozběhového motoru (AM, nebo jiného) - pomocí měniče kmitočtu zvyšováním kmitočtu - u SM velmi malých výkonů s masivními pólovými nástavci je rozběh realizován na základě momentu daném vířivými proudy v železe

Řez 3 f synchronním motorem Stýskala, 2002

Detail čela statoru a rotoru a montáž 3 f SM – 260 k. W

3 f SM se používají jako pomaluběžné motory středních a velkých výkonů pro pohonů bez rázů a s lehkým rozběhem. Nejsou vhodné tam, je nutnost častého spouštění nebo reverzace! Konstruují se převážně s vyniklými póly a používají se pro pohon velkých kompresorů, ventilátorů, cementárenských pecí a při kmitočtovém řízení i pro pohony těžních strojů, výtahů a pro některé unikátní aplikace.

Jednoduchý princip silového působení statoru a rotoru synchronního motoru

Princip činnosti 3 f synchronního motoru Stýskala, 2002

Vliv zatížení SM na zátěžný úhel Zátěžný úhel STATOR ROTOR Stýskala, 2002

Aplikace 3 f SM pro pohon mlýnu v cementárně Stýskala, 2002

Aplikace 3 f SM jako pohonu ventilátoru Stýskala, 2002

3 f SM – 760 k. W s rotačním budičem

3 f SM – 21 MW

Lineární 3 f SM

3 f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích

Stýskala, 2002

3 f SM lineární - 3 D

3 f SM s velmi vysokým momentem

3 f SM – 90 k. W

Motorové kolo YAMAHA se SM s permanentními magnety Stýskala, 2002

3 f vn SM – 6 MW pro pohon kompresoru Stýskala, 2002

3 f AM s cylindrickým rotorem pro pohon teplé válcovny hliníkových plechů

3 f SM s vysokým momentem pro pohon vytlačovacího lisu

Jednofázové SM s permanentími magnety velmi malých výkonů pro aplikace v časových mechanismech, apod. Stýskala, 2002

Otáčky 3 f synchronních motorů se řídí v současnosti změnou velikost kmitočtu 3 f napájecího napětí. Reverzace otáček obdobně jako u 3 f AM, avšak s uvažováním opětovného rozběhu (složitost, doba). Stýskala, 2002

Synchronní motor jako kompenzátor Přebuzený synchronní motor naprázdno se používá i jako rotační kompenzátor ke kompenzaci jalového výkonu. V přebuzeném stavu dodává jalový výkon kapacitního charakteru pro kompenzaci účiníku v síti.