1. Elektrické stroje

1.Transformátor

Transformátor je netočivý elektrický stroj, ktorý mení veľkosti striedavých napätí a prúdov.

Využitie: elektrická sústava, zváranie, spájkovačka, nabíjačky, zdroje LED.

Časti transformátora - princíp:

  1. Vstupná cievka - vytvára meniace sa magnetické pole v jadre privedeným striedavým prúdom.
  2. Jadro - je teleso z magnetického materiálu. Prenáša energiu medzi cievkami pomocou striedavého magnetického poľa.
  3. Výstupná cievka - indukuje sa v nej striedavý prúd zo striedavého magnetického poľa jadra.

Jadro je obvykle zo železných lakovaných plechov alebo z feritu. Tvar môže mať ako obdĺžnik, dvojitý obdĺžnik alebo toroid = pneumatika. Veľkosť výkonu transformátora je daná prierezom jadra a frekvenciou striedavého prúdu.

Značka transformátora:

2. Prevod transformátora

Prevod transformátora n je číslo určujúce pomer napätia na výstupnej a vstupnej cievke U2 a U1, a je rovné pomeru závitov týchto cievok N2 a N1.

n = N2 / N1 = U2 / U1

Podľa hodnoty n rozdeľujeme transformátory na:

  • zväčšujúce napätie n > 1
  • zmenšujúce napätie n < 1
  • oddeľovacie n = 1

Príklad:

Transformátor má na vstupnej cievke 230 V a 400 závitov. Na výstupnej cievke má 40 závitov. Vypočítajte napätie na sekundárnej cievke:

n = N2 / N1 = 40 / 400 = 0,1

n = U2 / U1

U2 = n . U1

U2 = 0,1 . 230 V = 23 V

Záver: Na výstupnej cievke je napätie 23 V.

3. 3-fázový transformátor

3-fázový transformátor obsahuje jadro s 3-ma stĺpikmi pre dvojice cievok pre jednotlivé fázy. Vstupné cievky sa označujú ako U, V, W, výstupné ako u, v, w.

obrázok 1

Cievky (polovice) transformátora možno zapojiť:

A) do hviezdy (Y, y):

obrázok2

B) do trojuholníka (D, d)

obrázok 3

C) lomenej hviezdy (Z, z)

4. SYNCHRÓNNE STROJE

Motorová prevádzka:

Napätie v jednotlivých fázach je posunuté o 1/3 periódy = 120 stupňov. Ak cievky pre jednotlivé fázy umiestnime do kruhu s odstupom 120 stupňov, vznikne točivé magnetické pole. Magnet alebo elektromagnet sa bude otáčať v tomto poli rovnakou rýchlosťou ako sa otáča pole. Cievky vytvárajúce pole sa nazývajú stator, otáčajúci sa (elektro)magnet sa nazýva rotor. Vinutia v oboch častiach sú uložené v plechovej konštrukcii, ktorá vedie magnetické pole. Rýchlosť otáčania, teda počet otáčok za minútu RPM závisí od počtu sád vinutí statora:

  • 1 sada = 50 otáčok za sekundu = 3000 RPM
  • 2 sady = 25 otáčok za sekundu = 1500 RPM
  • 3 sady = 1000 RPM
  • 4 sady = 750 RPM

Sila/výkon ktorou pôsobí točiaci sa magnet je úmerná posunu smeru severu magnetu a okamžitému smeru otáčajúceho sa poľa, takzvaný záťažový uhol φ. Pri veľkom φ sa motor zastaví.

Generátorová prevádzka:

Ak (elektro)magnet rotoru točíme, napríklad pomocou turbíny elektrárne, vzniká v rotore 3-fázové napätie. Napätie / výkon generátora je priamo úmerná prúdu na rotore.

5. ASYNCHRÓNNE ELEKTROMOTORY

Ak umiestnime kovový predmet do otáčajúceho sa magnetického poľa, indukujú sa v ňom prúdy, ktoré vytvárajú vlastné magnetické pole a predmet sa začne otáčať. Rýchlosť otáčania je menšia ako rýchlosť poľa, inak by sa v predmete neindukoval prúd. Rotor asnchrónneho elektromotora obsahuje hrubé vodiče spojené krúžkami, čím vznikne klietka. Výkon elektromotora je úmerná sklzu, čo je pomer otáčania rotora a poľa statora. Pri mechanickom zablokovaní motora, keď stojí, môže motor zhorieť. Tento elektromotor možno zapojiť do trojuholníka aj do hviezdy.

Zapojenie do trojuholníka D:

Zapojenie do hviezdy Y:

Štítok elektromotora:

6. Výkon 3-fázového elektromotora

Na štítku elektromotora je vyznačené na aké napätie je jeho vinutie. Napríklad:

  • 400 Δ = je pre združené napätie 400 V, treba ho zapojiť do trojuholníka,
  • 230 Y = je pre fázové napätie 230 V, treba ho zapojiť do hviezdy.

Výkon elektromotora závisí od jeho vinutia a pripojeného napätia.

  1. Vinutie je pre trojuholník, pripojíme naňho:
    • združené napätie (400 V) = pôjde na normálny výkon
    • fázové napätie (230 V) = pôjde na 1/3 výkon
  2. Vinutie je pre hviezdu, pripojíme naňho:
    • združené napätie (400 V) = pôjde na 3-násobný výkon (zhorí)
    • fázové napätie (230 V) = pôjde na normálny výkon

Zdôvodnenie:

P = U^2 / R
Uz = √3 . Uf
Uf = 1/√3 . Uz

1.b) Pf = Uf^2 / R = (1/√3 . Uz)^2 / R = 1/3 . Uz^2 / R
2.a) Pz = Uz^2 / R = (√3 . Uf)^2 / R = 3 . Uf^2 / R

7. Komutátorový elektromotor

Komutátorový elektromotor využíva príťažlivú magnetickú silu rotora a statora. Krútivý moment je len v určitej plohe vinutia. Aby sa mohol motor krútiť, vinutia treba prepínať.

Komutátor je otáčajúci sa prepínač vinutí. Obsahuje medené plôšky = lamely, na ktoré sú pritlačené 2 kefky (uhlíky) na protiľahlej strane. Pri otáčaní sa prepínajú vinutia. Na kefky je privedené napätie.

Ak je stator tvorený trvalým magnetom (malé motorčeky), motor možno napájať len jednosmerným prúdom. Pri zmene polarity sa motor otáča opačne.

Ak je stator tvorený elektromagnetom = je vinutý, motor možno napájať striedavým aj jednosmerným napätím. Pri zmene polarity napätia sa motor otáča stále jedným smerom.

9. Automobilový alternátor

Je to v princípe synchrónny generátor, to znamená že rotor je tvorený elektromagnetom, ktorý v statore induje napätie s rovnakou uhlovou frekvenciou akou sa otáča rotor.

Nemá stabilné otáčky, a aby vytváral stabilné napätie, treba regulovať prúd v statore pomocou regulátora.

Pracuje aj pri nízkych otáčkach, preto má viac sád vinutí a elektromagnet rotora má pólové nástavce, ktorými vytvára viac severných a južných pólov rotora.

Striedavý 3-fázový prúd statora je usmernený diódovým usmerňovačom:

obrázok

Fázory

V XY súradnicovej sústave je bod definovaný dvojicou hodnôt [x, y]. V polárnej súradnicovej sústave je bod definovaný vzdialenosťou od stredu a uhlom oproti referenčnej priamek prechádzajúcej stredom.

- - - obrázky XY súastavy a polárnej sústavy - - -

Fázor je otáčajúci sa vektor vyličiny v polárnej súradnicovej sústave. Fázory sa zakresľujú nehybné a je medzi nimi uhol posunu.

- - - orázky fázoru U a I v polárnej sústave, a priebeh u a i, pre cievku a kondenzátor

9. ÚČINNÍK cos(φ)

Polárne súradnice vyjadrujú bod na ploche momocou vzdialenosti od stredu a uhlu natočenia okolo stredu.

-- obr. 1 --

Fázor je vektor U, I, alebo P striedavého prúdu vyjadrený v polárnych súradniciach. Uhol 360 stupňov vyjadruje periódu striedavého napätia. Fázory U, I, P sa otáčajú, ale zakresliť ich možno stacionárne s ich vzájomnými uhlovými posunmi.

-- obr. 2 --

Činný výkon P [W] je taký, ktorý koná prácu.

Jalový výkon Q [VA] je taký, ktorý sa bez úžitku vracia späť do siete fázovo posunutý. Vzniká napríklad na indukčnosti elektromotora.

Zdanlivý elektrický výkon S (var) je vektorový súčet činného a jalového výkonu.

Účiník cos(φ) [%] je pomerem činného a zdanlivého výkonu. Uhol φ je medzi fázormi P a S.

-- obr. 3 --

Príklkad 1: Elektromotor má na štítku 1,1 kW a cosφ = 0,87. Vypočítajte činný výkon = užitočná práca, a zdanlivý výkon = odoberaný zo siete.

činný výkon P = 1,1 kW
Zdanlivý výkon S = P / cosφ = 1,1 kW / 0,87 = 1,26 kVA

Odvodenie vzorca:
cosφ = P / S // x S
S . cosφ = P // : cosφ
S = P / cosφ

Príklad 2: Elektromotor má na štítku: 380 V, 0,73 A, 180 W. Určte činný a zdanlivý výkon.
S = 277,4 VA
P = 180 W
cosφ = 180 : 277 = 0,65

Otázky na opakovanie

  1. Aké časti má transformátor a akú majú funkciu?
  2. Nakreslite zapojenie transformátora do hviezdy a do trojuholníka. Vyznačte fázy, vyrovnávací vodič, fázové a združené napätie.
  3. Akú sú otáčky synchrónneho elektromotora pri 1,2,3 a 4 sadách vinutí?
  4. Aký je princíp činnosti synchrónneho, asynchrónneho a komutátorového elektromotora. Akým napätím ich možno napájať?
  5. Nakreslite zapojenie svorkovnice asynchrónneho elektromotora do trojuholníka a hviezdy.
  6. Podľa štítku určte činný a zdanlivý výkon, a účinník.
  7. Na štítku dvoch motorov sú údaje 400V Δ a 230V Y . Koľkokrát väčší alebo menší výkon bude mať motor pri zapojení do trojuholníka a do hviezdy?
  8. Aké časti má automobilový alternátor a akú majú funkciu? Nakreslite zapojenie 3-fázového usmerňovača.
  9. Nakreslite fázory U, I, P, Q, S pre elektromotor.