Skripta do elektra.

Elektrotechnika
Ing. Radim Vajda
Předmluva
Tato publikace je určena studentům III. ročníku Střední odborné školy chemické akademika Heyrovského
v Ostravě.
Publikace se věnuje elektrotechnice a automatizaci v rozsahu, který studentům umožní rozšířit si znalosti z fyziky a dalších oborů, ve kterých se setkávají s elektrotechnickými nebo automatizačními zařízeními.
Zvláštní poděkování patří Ing. Janě Vajdové, Bc. Lence Ďuríškové a Janě Kohoutové, kteří se podíleli
na přípravě a tisku skript.
autor
Vliv elektromagnetických polí a elektřiny na lidský organismus ............................................................................5
Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus .............................................................................5
Vlastnosti elektrotechnických materiálů..................................................................................................................6
Vodiče..................................................................................................................................................................6
Rezistor ....................................................................................................................................................................8
Vlastnosti rezistorů: .............................................................................................................................................8
Dělení podle hodnoty odporu: .............................................................................................................................8
Dělení podle technologie: ....................................................................................................................................8
Kondenzátory...........................................................................................................................................................9
Vlastnosti kondenzátorů: .....................................................................................................................................9
Druhy kondenzátorů: ...........................................................................................................................................9
Cívky .....................................................................................................................................................................10
Druhy cívek: ......................................................................................................................................................11
Polovodiče .............................................................................................................................................................12
Vlastnosti polovodičů ........................................................................................................................................12
Druhy polovodičových diod : ............................................................................................................................12
Tyristor ..................................................................................................................................................................13
Tranzistory.............................................................................................................................................................14
Bipolární tranzistory ..........................................................................................................................................14
Unipolární tranzistory ........................................................................................................................................15
Shrnutí: ..............................................................................................................................................................15
Usměrňovače .........................................................................................................................................................16
Krytí elektrických zařízení.....................................................................................................................................18
Chlazení elektrických zařízení ...............................................................................................................................18
Provoz zařízení v prostorách s nebezpečím výbuchu ............................................................................................19
Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny třídí takto ..................................................................20
Instalace v prostředí V1: ....................................................................................................................................20
Instalace v prostředí V2 .....................................................................................................................................20
Instalace v prostředí V3: ....................................................................................................................................21
Instalace ve složitém prostředí:..........................................................................................................................21
Elektrická zařízení a vliv prostředí ........................................................................................................................22
Elektrický oblouk...................................................................................................................................................23
Elektrické přístroje.................................................................................................................................................24
Zkrat...................................................................................................................................................................24
Přepětí................................................................................................................................................................25
Pojistka ..............................................................................................................................................................26
Jistič ...................................................................................................................................................................27
Proudový chránič ...............................................................................................................................................29
Přepěťové ochrany .............................................................................................................................................30
Vypínače ............................................................................................................................................................32
Bezkontaktní spínače .........................................................................................................................................35
Hybridní spínače ................................................................................................................................................36
Elektromagnet....................................................................................................................................................37
Elektrické stroje .....................................................................................................................................................38
Tvary elektrických strojů ...................................................................................................................................38
Transformátor ....................................................................................................................................................39
Stejnosměrný stroj .............................................................................................................................................41
Asynchronní stroj...............................................................................................................................................43
Synchronní stroj.................................................................................................................................................48
Výroba elektrické energie. .....................................................................................................................................50
Podíl zdrojů na výrobě .......................................................................................................................................50
Tepelné elektrárny .............................................................................................................................................51
Jaderná elektrárna ..............................................................................................................................................54
Vodní elektrárny ................................................................................................................................................56
Osvětlení ............................................................................................................................................................60
Automatizace .........................................................................................................................................................62
Důvody automatizace ........................................................................................................................................62
Očekávání od automatizace ...............................................................................................................................63
Automatizační prostředky..................................................................................................................................63
Snímače polohy..................................................................................................................................................63
Kapacitní snímače..............................................................................................................................................65
Optické snímače.................................................................................................................................................65
Měření teploty....................................................................................................................................................66
Měření tlaku ...................................................................................................................................................... 72
Měření výšky hladiny........................................................................................................................................ 76
Měření průtoku a proteklého množství ............................................................................................................. 80
Měření složení................................................................................................................................................... 85
Typy regulačních obvodů.................................................................................................................................. 93
Teoretický základ logického řízení ................................................................................................................... 95
Seznam použité literatury...................................................................................................................................... 97
Poznámky:
Při studiu účinků elektromagnetického pole záleží na indukci magnetického pole, tvaru pole, kmitočtu, individuální citlivosti objektu a na
řadě dalších faktorů. Vzhledem k tomu, že se jedinec po celý život
setkává s nejrůznějšími magnetickými poli, je třeba uvažovat o určité
adaptibilitě vytvářené během celého vývoje (viz následující tabulka
vybraných zdrojů magnetického pole).
Magnetická indukce (mT)
na hlavu
na trup
Indukovaný proud
Biologická odpověď
(mA/m)
250
60
1000
25 – 250
6 - 60
100 - 1000
2,5 – 25
0,6 – 60
10 – 100
0,25 – 2,5
0,25
0,06 – 0,6
0,06
1 – 10
1
možné extrasystoly a ventikulární
fibrilace, značné zdravotní nebezpečí
změny v dráždivosti centrál. nerv.
syst., možné zdravotní poškození
výrazný
terapeutický
efekt,
objevení
se
magnetosfémů,
příznivý vliv na nerv. systém,
snadnější hojení ran a zlomenin
minimální biolog. efekt
Žádný efekt
Příčinou smrti při úrazech elektřinou bývá nejčastěji:
křečovité stažení srdečního svalu nebo svalů hrudníku (plic) spojené
se ztrátou vědomí, při němž nastává zadušení,
fibrilace srdečních komor, kterou způsobuje jen střídavý proud průmyslové frekvence; místo pravidelného smršťování srdečního svalu
nastane nepravidelné chvění s hmatatelným pulsem, které postupně
slábne až se úplně přeruší; někdy je možná záchrana včasným poskytnutím vnější masáže srdce se současným poskytováním umělého dýchání, defibrilaci a vnitřní masáži srdce po chirurgickém zákroku;
popáleniny vysokého stupně a ve velkém rozsahu, které mohou být při
stejnosměrném proudu spojené s elektrolytickými účinky (rozkladem
krve).
El. proud v mA
do 1
1–4
4–5
5–7
Pocity a účinky
počátek pocitu u většiny lidí při 0,5 - 0,6 mA
brnění rukou
chvění rukou
prsty lze téměř vždy rozevřít a vyprostit z kontaktu
8 – 13
křeče rukou, vyproštění prstů z kontaktu
násilím
15 – 20
20 – 25
25 – 50
50 – 100
nad 100
je možné pouze
postižený, který uchopil pevně předmět pod napětím, nemůže
jej obvykle uvolnit bez cizí pomoci
křeče působící na celý organismus, zrychlení dechu, bez následků
ochromení srdeční činnosti, někdy bezvědomí, záchrana možná
těžké bezvědomí s vážnými následky, nebezpečí smrti
zpravidla smrt
Poznámky:
Materiály dělíme podle vodivosti na vodiče, polovodiče a izolanty.
Vodiče
Mezi vodiče patří všechny kovy, které jsou základním materiálem pro
výrobu kabelů, kontaktů, vinutí strojů, apod. Zpravidla u nich požadujeme minimální elektrický odpor, maximální pevnost v tahu, tvrdost,
odolnost proti otěru a korozi.
Příčinou jejich vodivosti jsou volné elektrony. Kovy mají v pevném
skupenství polykrystalovou strukturu. Jádra atomů, které tvoří krystalovou mřížku, mají kladný náboj. Vazby mezi jádrem atomů a valenčními elektrony jsou velmi volné, elektrony se pohybují neuspořádaně
ve všech směrech.
Připojí-li se kovový vodič ke zdroji napětí, stane se tento pohyb uspořádaný ve směru vektoru intenzity elektrického pole E. Nazýváme jej
elektrický proud I. Jeho plošnou hustotu označíme J =
I
, kde S je
S
průřez vodiče. Platí, že J = γ .E , kde γ je měrná vodivost (konduktivita) materiálu. Jedná se o základní vyjádření Ohmova zákona (diferenciální tvar), který platí v každém místě vodiče. Po jeho sumarizaci
(integraci) zavedením obvodových veličin proudu a napětí získáme
U
.
I
Platí: γ = n.e.b , kde n je počet elektronů v jednotce objemu, e náboj
vzorec Z =
elektronu (1,602 10-19 C) a b pohyblivost elektronu. Vidíme tedy, že
vodivost každého kovu určuje především jeho vnitřní struktura. Jednotkou měrné vodivosti je siemens na metr [S.m-1].
V praxi používáme její převrácenou hodnotu, která se nazývá měrný
odpor (rezistivita) ρ [Ω.m]. U kovů bývá 10-8 až 10-5 Ω.m.
Krystalová mřížka kovů klade uspořádanému pohybu volných elektronů určitý odpor. Ten závisí na délce l, průřezu S a materiálu vodiče
R=ρ
l
.
S
Odpor kovů se udává při teplotě 20°C a roste s teplotou přibližně lineárně (v rozsahu 0 ÷ 100 °C). Rt = R20°C (1 + αR (t – 20)), kde αR je
teplotní součinitel odporu. Teplotní součinitel odporu udává, o jakou
hodnotu se změní odpor 1 Ω vodiče, zvýší-li se jeho teplota o 1 K. U
většiny kovů má hodnotu 0, 004 K-1.
Vzrůst odporu kovů s rostoucí teplotou vysvětlujeme tepelným pohybem jader atomů, které tak brání volným elektronům v pohybu.
Při hlubokém ochlazení některých kovů nebo slitin pod tzv. kritickou
teplotu, která je v blízkosti absolutní nuly, klesne náhle odpor na velmi malou, téměř nulovou hodnotu. Tento jev nazýváme supravodivost.
Nejčastěji používané vodiče
• Měď (Cu) – 0,017 241 µΩ m, α = 0,003 93 K-1. Má vysokou
elektrickou i tepelnou vodivost. Přidáním příměsí se měrný
odpor zvyšuje. Na jejím povrch vzniká červená vrstva kysličníků, která chrání povrch před korozí. Má dobré mechanické
vlastnosti, je tvárná za studena i za tepla. Podle mechanických
vlastností se dělí na měkkou (např. kabely, šňůry, vinutí), polotvrdou a tvrdou (např. vodiče velmi vysokého napětí). Není
odolná proti kyselinám. Dobře se pájí i svařuje.
• Hliník má 1,6 krát větší měrný odpor než měď. Proto při náhradě měděného vodiče hliníkovým musí být použit 1,6x větší
průřez, což znamená 1,27x větší průměr. Jeho hmotnost oproti
mědi je poloviční. Je levnější než Cu, ale má horší mechanické vlastnosti, hlavně nízkou mez tečení. Spoj dotažený šroubem má snahu se uvolnit a vzniká na něm přechodový odpor.
Proto je třeba používat na silnoproudé hliníkové vodiče vhodné typy svorek (pružné kontakty).
• Stříbro (Ag) je nejlepším vodičem elektrického proudu a tepla. Pro svou vysokou vodivost se používá k postříbření vysokofrekvenčních obvodů, např. postříbřený drát nebo dutiny rezonátorů. Ze slitin stříbra se vyrábějí kontakty a vodivé pájky.
• Zlato (Au) je odolné proti korozi, dobře slévatelné, tvárné, dá
se dobře zpracovávat tažením i válcováním. Používá se na
kontakty a tenké propojovací vodiče uvnitř integrovaných obvodů.
Poznámky:
Poznámky:
Vlastností je elektrický odpor žádané velikosti
, respektive
vodivost o velikosti
, kde S – průřez; l – délka vodiče
Závislost odporu na teplotě - odpor se mění v závislosti na oteplení
podle vzorce
Vlastnosti rezistorů:
, kde R1 je odpor při 20oC.
Tolerance – odchylka od jmenovité hodnoty.
Jmenovité zatížení – výkon, který se za určitých podmínek stanovených normou smí přeměnit na teplo aniž by teplota povrchu překročila
přípustnou velikost.
Provozní zatížení – je určeno nejvyšší teplotou povrchu, při které ještě
nenastávají trvalé změny jejího odporu a krácení jejího života.
Nejvyšší dovolené napětí – napětí mezi vývody. Při překročení napětí
může dojít k poškození.
Teplotní součinitel – dovoluje určit změnu odporu způsobenou změnou teploty.
Šumové napětí – vzniká nerovnoměrným pohybem elektronů
v materiálu, vlivem toho vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově
nepravidelné změny potenciálu - tzv. elektronický šum obvodu.
Dělení podle hodnoty odporu:
pevné
proměnné (potenciometry)
Dělení podle technologie:
vrstvové
drátové
Poznámky:
Princip:
Po přivedení napětí na desky kondenzátoru, se atomy dielektrika polarizují. Elektrony na desce se mezi
sebou vzájemně odpuzují elektromagnetickými silami. Čím blíže jsou
desky u sebe, tím více jsou elektrony
přitahovány opačným pólem druhé
desky a snaží se přeskočit na druhou
stranu → nemají už tolik síly se na desce mezi sebou odpuzovat → na
desku se vejde vedle sebe více elektronů → větší kapacita. Desky
kondenzátoru musí být alespoň minimálně tak daleko, aby se mezi ně
elektrony vůbec vešly. Velikost kapacity je dána vztahem
kde S – plocha desek; d – jejich vzdálenost
Vlastnosti kondenzátorů:
,
Jmenovitá kapacita – výrobcem udávaná kapacita
Provozní napětí – je největší napětí, které může být trvale na kondenzátoru připojeno, nepřesáhne-li teplota okolí 40°C, rovná se jmenovitému. Při vyšších teplotách je nutné napětí snížit.
Izolační odpor – odpor mezi elektrodami kondenzátoru měřeném při
stejnosměrném napětí a teplotě 20°C 1GΩ¸100-ky GΩ
Tolerance – v % u vzdušných písmenem ±1% až ±20%,
v pikofaradech, elektrolitická – je nesymetrická –10+30%
Provozní napětí – závislé na teplotě okolí
Poměrné provozní napětí –
Druhy kondenzátorů:
Podle technologie:
• vzduchové: malá kapacita – dnes se nepoužívají
• papírové: baleno tak, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost, malá odolnost vůči vysokému napětí
• metalizované: do 1µF
• slídové: elektrody napařené na tenké destičky z jakostní slídy
(výborné dielektrikum), spojeny paralelně pro požadovanou
kapacitu, malé ztráty, úzké tolerance, časová i teplotní stabilita), nelze je tvarovat → příliš velké
• plastové: velká elektrická pevnost, malý ztrátový činitel, velký
izolační odpor, nestálá kapacita vzhledem k teplotě
•
keramické: teplotně stálé - nahradily slídové kondenzátory,
nemůžou se vyrábět velké hodnoty pro VF, stálá ale menší
kapacita řádově 1pF až 100pF (jednotky až stovky), dielektrikum tvoří keramika
• elektrolytické: elektroda polarizována kladně, elektrolyt záporně; desky jsou hliníkové (Al), dielektrikum je oxid desky
kondenzátoru (Al2O3); elektrolyt se nesmí napěťově namáhat
a nesmí se přepólovat; většinou se přemosťují keramickým
kondenzátorem kvůli setrvačnosti elektrolytu
Podle použití:
• ladící – opakované změny kapacity, (často, 10-100 pF, vzduchové dielektrikum,jedna elektroda se zasouvá do druhé)
• dolaďovací – občasné doladění obvodů (nastavení, 1-ky pF,
trubičkové)
Vytváří vlastní indukčnost definované velikosti.
Skin efekt - povrchová vodivost. Při průchodu střídavého
proudu vodičem vzniká v jeho okolí časově proměnné magnetické
pole, toto pole vstupuje rovněž do téhož vodiče a indukuje v něm napětí, které při konstantní frekvenci proudu je tím větší, čím větším
magnetickým polem je vodič obklopen. Indukované napětí je největší
k ose vodiče a směrem k jeho povrchu se zmenšuje. Vlivem toho
vznikají uvnitř vodiče proudy, které se podle Lentzova pravidla snaží
zmenšit změny, které je vyvolaly. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení proudové hustoty ve vodiči. V prostředku vodiče je téměř nulová,
na povrchu maximální.
Jelikož je cívka tvořena smotaným drátem, má i určitý nezanedbatelný odpor, který způsobuje ztráty.
Proto u cívky určujeme tzv. činitel jakosti:
Pro velkou jakost cívky a pro vysoké frekvence se používá stříbro,
zlato a platina.
Poznámky:
Druhy cívek:
•
jednovrstvové a vícevrstvové bez jádra – z pevného drátu (bez
kostry, s kostrou), plošné cívky, 1-ky mH → 1-ky mH (výjimečně)
• s jádrem – nízkofrekvenční (tlumivky, 1-ky H, jádra
z transformačních plechů, pásků, které jsou oddělené lakem) a
vysokofrekvenční (100-ky mH, feritové jádra – Fe, Co, Ni).
Jako jádra se používají materiály:
•
železo (Fe) – do 1kHz
•
mosaz – špatné feromagnetikum, ale lze ho použít i na
vyšší frekvence
•
feroty – do 100MHz
o
Ideální cívka - ϕ = 90
Skutečná cívka:
paralelně – tg ϕ = Il/Ir = Rp/ωLp = Q = 1/tg υ - činitel jakosti
sériově – Q = tgϕ = Ul/Ur = ωLs/Rs - činitel jakosti
Poznámky:
Poznámky:
Vlastnosti polovodičů
Polovodiče jsou materiály ze 4. skupiny Mendělejevovy tabulky. Nejznámější jsou germanium (Ge) a křemík (Si). Každý atom
má 4 vazby, pomocí kterých se váže na sousední atomy. V čistém
polovodiči nejsou volné elektrony, proto vodí špatně elektrický proud.
Polovodič N
Přidáme-li k prvku 4. skupiny příměs prvku 5. skupiny (např.
arsén – As), bude při vzájemných vazbách mezi atomy mít atom příměsi jednu vazbu navíc - volný elektron. Atom proto nazýváme donorem. Volný elektron je nositelem elektronové vodivosti.
Polovodič P
Přidáme-li k prvku 4. skupiny prvek 3. skupiny zvaný akceptor (např. Indium – In), bude jeden elektron chybět.Vznikne kladný
náboj - díra, polovodič má děrovou vodivost.
Obrázek a/Struktura atomů čistého polovodiče; b/polovodič typu N; c/
polovodič typu P
Druhy polovodičových diod :
Diody pro síťové usměrňovače
Diody pro síťové usměrňovače jsou plošné diody určené pro
usměrnění proudů řádově jednotek až desítek ampér při napětí desítek
až stovek voltů technických frekvencí. Jsou vyráběny z křemíku převážně difúzní technologií. Základní destička má nevlastní vodivost
typu N. Na ní se difúzí boru nebo galia vytvoří vrstva typu P. Silně
dotovaná vrstva N+ umožňuje
neusměrňující dobře vodivé
spojení krystalu s kovovou podložkou, která pomáhá odvádět
teplo a tvoří vývod katody.
Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody.
Důležité vlastnosti usměrňovacích diod popisuje katalog. Pro diodu KY 130/600 se uvádí : střední
usměrněný proud Ifav <=300 mA, největší anodové napětí v přímém
směru UF < 1 V, napětí ve zpětném směru UR < 600 V, proud ve
zpětném směru IR <= 10 mA, při UR = 600 V a teplotě +25 °C.
Diody vyzařující světlo – LED
LEDky jsou diody, které vyzařují kvanta energie, pokud je vlnová délka tohoto záření ve viditelném spektru můžeme ji vidět. Dělí
se podle typu: půlkruhová, plošná, hranově emitující. Světlo vychází
z místa přechodu a jen pokud je dioda zapojená v propustném směru.
Na LEDce je úbytek podle barvy UF = 1,5 – 2 V a maximální proud
asi IF = 10-20 mA ->
Jedná se o čtyřvrstvou spínací součástku vyrobenou z Si, ve
které jsou nad sebou vytvořeny tři přechody PN. Vnější vrstva P je
anodou, vnější vrstva N je katodou tyristoru. Těmito elektrodami prochází celkový výstupní proud, ten může u některých typů dosahovat
až stovek ampérů!
Jedna z vnitřních vrstev je
vyvedena jako řídící elektroda G.
Bude-li řídící elektroda odpojena
a přiložíme-li na anodu malé
kladné napětí proti anodě, otevřou se přechody J1 a J3. Přechod
J2 zůstává uzavřen, neboť do
vrstvy N proniká kladné napětí přes otevřený přechod J1 a do vrstvy P
záporné napětí přes otevřený přechod J3. Nyní je tyristor zablokován.
Odpor mezi katodou a anodou je několik megaohmů.
Při zvyšování napětí mezi anodou a katodou dojde ke zvětšování intenzity elektrostatického pole v oblasti J2. Při určité velikosti
tohoto napětí dosáhne intenzita pole své kritické hodnoty a dochází
k ionizaci krystalové mřížky – odpor se rychle zmenší až na desetiny
až setiny ohmu! Přestože stoupl proud, kleslo napětí na 1 až 2V. Tyristor přešel do sepnutého (vodivého) stavu. Doba potřebná k ionizaci
se nazývá zapínací doba (asi 1µs a označuje se ton).
Pokud chceme sepnout tyristor již při nižším napětí než UB0,
musíme přivést do oblasti uzavřeného přechodu J2 volné nosiče náboje
(proudem do G). Elektrostatické pole je využije k vytrhávání nosičů
náboje z vazeb a dojde až k sepnutí tyristoru. Velikostí proudu Ig můžeme řídit velikost spínacího napětí UB. Pokud IG = IGT přechází tyristor plynule do sepnutí a jestliže IG>= IGT nevzniká blokovací stav tzn.
tyristor se chová jako usměrňovací dioda.
Důležité je, že k udržení vzniklé ionizace krystalové mřížky
postačí průchod anodového proudu většího než tzv. přídržný proud IH.
Proud IG může zaniknout. Proto je možné uvést tyristor do trvale sepnutého stavu pouze krátkým impulsem IG.
Velikost spínacího napětí závisí také na rychlosti, kterou roste napětí
mezi anodou a katodou. Jedná se o tzv. kritickou strmost růstu anodového napětí (1 až 100 V/µs).
Poznámky:
Poznámky:
Tranzistory dělíme na:
• BIPOLÁRNÍ – děrová i elektronová vodivost (jedna je vždy
v menšině - minoritní, druhá ve většině - majoritní)
Podle vodivosti báze na PNP a NPN
• UNIPOLÁRNÍ – pouze děrová nebo elektronová vodivost
Podle typu vodivého kanálu:
•
s vodivým kanálem typu P
•
s vodivým kanálem typu N
Podle technologie:
•
J-FET – Gate má oddělen potenciálovou bariérou
•
JUG-FET – bariéra se vytváří PN přechodem
•
MES-FET – bariéra se vytváří přechodem kovpolovodič
•
IG-FET – Gate má oddělen mechanicky
•
MIS-FET – má kovový Gate izolovaný od polovodiče
•
MOS-FET – má kovový Gate od polovodiče izolovaný oxidem
Bipolární tranzistory
Základní zapojení tranzistoru:
• se společným emitorem - nejčastější
• se společnou bází
• se společným kolektorem
Tranzistor se společným emitorem
Pro zapojení tranzistoru se společným emitorem je charakteristickou
vlastností jeho univerzálnost.
Zapojení SE má
velké jak proudové, tak i
napěťové zesílení, z toho
vyplývá, že výkonové zesílení které je dáno součinem zesílení napěťového a proudového bude
také velmi značné. Toto zapojení tranzistoru otáčí fázi o 180°. Jestliže
vložíme do emitorového výstupu tranzistoru paralelně k odporu RE
kondenzátor CE zvedne se nám zesílení na vyšších frekvencích. Pracovní bod tranzistoru je stabilizován zápornou zpětnou vazbou
v emitoru. Toto zapojení je nejpoužívanější druh zapojení tranzistoru
v elektrotechnice.
Unipolární tranzistory
Tranzistory řízené elektrickým polem – FET (Field Electric
Tranzistor).Tento typ tranzistoru nemá dva polovodičové přechody a
při řízení činnosti využívá pouze nosiče náboje jednoho druhu (díry
nebo elektrony). Proud nosičů náboje se neovládá proudem ale elektrickým polem – napětím. Mohou být s vodivým kanálem typu P nebo
N.
MOS-FET s indukovaným kanálem
Místo kanálu s vodivostí N je použit čistý polovodič ⇒ pokud
přivedeme na kolektor S a emitor D napětí (napětí na UG = 0) nebude
kanálem protékat proud (což je změna oproti MOS-Fetu s izolovaným
kanálem). Jinak zapojení a ostatní princip je stejný – při zvyšování
napětí UG budou opět elektrony z P přitahovány do kanálu a proud IC
bude stoupat (samozřejmě až od určité hodnoty UG – tzv. prahového
napětí).
Schematická značka:
G
D
Su
S
Shrnutí:
Rozdíly mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem
Běžnější jsou tranzistory bipolární, které mají dva polovodičové přechody a tři elektrody zvané báze, emitor a kolektor. Při činnosti se pohybují proti sobě nositelé záporného náboje (elektrony) a
nositelé kladného náboje (díry). Na vstupní elektrodu (bázi) musíme
přivést napětí a vyvolat vstupní proud.
Unipolární tranzistory pracují s nosiči pouze jednoho druhu,
buď se zápornými nebo kladnými. Vstupní proud se ovládá pouhým
napětím na vstupní elektrodě. Proud jím prochází vždy, i když na
vstupní elektrodě není žádné napětí (kromě MOS-FET s indukovaným
kanálem).
Proti bipolárním tranzistorům mají tyto tranzistory nesrovnatelně větší
odpor (řádově o 106Ω).
Poznámky:
Poznámky:
Nejjednodušším představitelem je jednocestný usměrňovač.
Jednocestný usměrňovač využívá jen jednu ze dvou půlperiod přiloženého napětí. To může být i výhoda, např. když potřebujeme snížit
střední hodnotu napětí, např. pro stejnosměrný motor s nižší jmenovitou hodnotou napětí než je ta, kterou usměrňujeme, nebo pro žárovku,
chceme-li úsporné osvětlení. Obecně lze říci, že jednocestný usměrňovač použijeme tam, kde nám nevadí, že nevyužijeme celou periodu.
Výhoda jednocestného usměrňovače je také v jeho jednoduchosti
a tedy nízké ceně.
Usměrňovač, který využívá obou půlperiod napětí, nazýváme
dvoucestný. Pro jeho konstrukci pak potřebujeme minimálně dvě diody a transformátor se sekundárním vinutím s vyvedeným středem
Obě diody se ve vedení proudu v každé půlvně střídají, vede-li
např. v první půlvně horní dioda, vede ve druhé půlvlně spodní dioda
atd. Střední proud každé z diod je tedy dán stejným vztahem jako pro
jednocestný usměrňovač, střední proud zátěží bude dvojnásobný,
tj. 2Io/π.
Tím jsou dány i požadavky na diody: každá musí být dimenzována na minimálně polovinu středního proudu, který se předpokládá
zátěží a každá musí být dimenzována (pro čistě odporovou zátěž) na
celou amplitudu střídavého napětí, které je na sekundáru transformátoru, v závěrném směru.
Pro případ, že nemáme k dispozici transformátor s dvojitým, bifilárně
vinutým sekundárním vinutím, můžeme pro dvojcestné usměrnění
použít tzv. Graetzovo nebo můstkové zapojení.
U tohoto zapojení prochází proud v každé půlvlně dvěma diodami v sérii se zátěží. Z hlediska požadavků na proudové zatížení diod
se tím nic nemění ve srovnání s předchozím zapojením dvoucestného
usměrňovače; každou z diod je tedy potřeba dimenzovat na polovinu
předpokládaného středního proudu, který poteče zátěží.
Poznámky:
Poznámky:
Kód IP je kód pro označení druhu krytí elektrických strojů a
přístrojů jako evropská norma EN 60529. Tento kód definuje soubor
opatření, kterými se stroj nebo zařízení zajišťují před vniknutím cizích
předmětů a vody, a které chrání obsluhující osoby před úrazem.
IP X1)X2) X3)X4)
IP International Protection
1) První číslice 0 až 6 nebo písmeno X – proti vniknutí těles nebo
ochrana osob
2) Druhá číslice 0 až 8 nebo písmeno X – proti vniku vody
3) Přídavné písmeno A, B, C, D – nepovinné, ochrana před nebezpečným dotykem
4) Doplňující písmeno H, M, S, W – nepovinné
0
1
2
3
4
5
6
ochrana před
nebezpečným
dotykem
bez ochrany
bez ochrany
průměr do 50 mm hřbetem ruky
průměr do 12,5 mm prstem
průměr do 2,5 mm nástrojem
průměr do 1 mm drátem
proti prachu
drátem
prachotěsný
drátem
0
1
2
3
4
5
6
7
8
proti vniknutí vody
bez ochrany
svislé kapky
kapky odchýlené o 15°
rozprášená voda
stříkající voda
tryskající voda
silný proud vody
dočasné zaplavení
trvalé ponoření
proti vniknutí
pevných těles
Chlazení – proces jehož prostřednictvím se odvádí ztrátové teplo z
elektrického zařízení. Označení
IC Xa) Xb) Xc)
Druh chladícího média
A
F
H
N
C
W
U
!
"
#
$
%
vzduch
freon
vodík
dusík
oxid uhličitý
voda
olej
Poznámky:
Nová zařízení musí být zrevidována podle ČSN 33 2200-6-61.
Pravidelné revize se provádí podle ČSN 33 1500. Zařízení která byla
delší dobu mimo provoz musí být prohlédnuta. Je-li tato doba delší,
jak stanovuje místní předpis, potom musí být podrobena periodické
revizi. Po ukončení každé práce na el.zařízení, se přezkouší izolační
stav a provozuschopnost zařízení.
Jakákoliv prozatímní zařízení se v těchto prostorech zakazují!
Napojení těchto objektů je jak pro silnoproud, tak i pro slaboproud prováděno pouze kabely uloženými v zemi. Nad těmito objekty
nesmí křižovat jakékoli elektrické vedení.
Rozvody instalace musí být opatřeny výkonovým vypínáním a
vypínač musí být na snadno dostupném a přehledném místě zřetelně
označeném a obsluhované i pracovníky bez elektrotechnické kvalifikace, pracovníky provozovatele.
Polohy vypínačů zapnuto - vypnuto musí být trvale označeny.
Povrchová teplota elektrických zařízení nesmí překročit teplotu o 50°C nižší, než je teplota vzduchu nebo rozkladu výbušiny, nejvýše však teplotu 160 °C. Ochrana před nebezpečným dotykovým
napětím se provádí podle ČSN 33 2200-6-61 s rozdělením sítě TN-S,
kde vodič PE a N se spojuje až v rozvaděči. Ochrana před účinky statické elektřiny musí být provedena podle ČSN 33 2030 a ČSN 33
2031. Elektrická zařízení musí dále splňovat požadavky ochrany před
účinky zápalných mechanických jisker podle ČSN 42 1408. Ruční
nářadí a jiné spotřebiče se mají používat v třídě II. a III. Ruční svítidla
musí být vždy ve třídě II. nebo III. s pracovním napětím 24 V. Podmínky pro používání těchto spotřebičů musí být uvedeny v místních
bezpečnostních předpisech. Kontrola a revize těchto spotřebičů se
provádí podle ČSN 33 1600 a ČSN 33 1610. Poškozené nářadí musí
být vyřazeno z užívání a musí být zajištěno před možným použitím.
Ruční nářadí nesmí být pro použití v místech, kde by mohlo
dojít k iniciaci výbušniny.
Spotřebiče a pohyblivé přívody se musí jednou za 14 dní prohlédnout a změřit izolační stav. Poškozená zařízení musí být odstraněna z užívání . O měření musí být veden písemný záznam. Elektrické
stroje se musí pravidelně čistit na povrchu i uvnitř ve lhůtách stanovených v protokolu. Nátěry elektrických zařízení se musí obnovovat
takovým zbarvením, aby usazená výbušina byla dobře viditelná. Prostředí se stanovuje podle ČSN 33 2000-3, přičemž se přihlíží k vlastnosti a stavu výbušin, možnosti styku s elektrickým zařízením a působením ostatních vlivů prostředí. Komise zpracuje příslušný materiál a
vydá protokol. Prostředí se vyznačí do dokumentace.
Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny
třídí takto:
• V 1 - výbušina nepráší, neodpařuje se, nesublimuje a k iniciaci elektrickým proudem může dojít jen za zcela výjimečných
situací
• V 2 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje jenom výjimečně
a k iniciaci elektrickým proudem může dojít pouze výjimečně
• V 3 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje kdykoliv a k iniciaci elektrickým proudem dochází trvale
Instalace v prostředí V1:
•
•
krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv je IP44
krytí živých částí dávajících popud k iniciaci výjimečně je
IP43
• jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové
bezpečnosti ic musí být v krytí IP 43
Svítidla musí mít krytí IP44, jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou
musí mít ochranný koš nebo sklo a musí vyhovovat rázové zkoušce 7
J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Bez ochranného krytu nesmí být
tělesa zainstalována nad zařízením s výbušninou
Hlavní rozvaděče jsou v těchto prostorách zakázány
Podružné rozvaděče musí být v krytí IP 44
Dveře rozvaděčů musí být z nehořlavých materiálů
Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení venkovním
Instalace v prostředí V2:
Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv:
• krytí IP 54
• v pevném závěru
• v kapalinovém závěru
• v závěru s vnitřním přetlakem
• ve speciálním závěru
Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci jen výjimečně:
• v krytí IP 44
• v zajištěném provedení v krytí IP 44
• jiskrově bezpečná zařízení musí být v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti „ic" a v krytí alespoň IP 44
Svítidla v krytí IP 54, v pevném závěru, v kapalinovém závěru, v závěru s vnitřním přetlakem, ve speciálním závěru a jsou-li níže jak 2,6
m nad podlahou musí být opatřena ochranným krytem, vyhovující
mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt.
Svítidla bez ochranného krytu nesmí být montovány nad výbušinami.
Hlavní rozvaděč není v tomto prostoru povolen instalovat
podružný rozvaděč musí mít krytí alespoň IP 54. Kryty rozvaděčů
musí být nehořlavé.
Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení těsně zavřeném
Poznámky:
Instalace v prostředí V3:
Živé části dávající popud k iniciaci kdykoliv:
• krytí alespoň IP 65
• v pevném závěru
• v závěru s vnitřním přetlakem
Živé části dávající popud k iniciaci výjimečně:
• v krytí IP54
• v zajištěném provedení s krytím IP 54
• jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové
bezpečnosti ic a v krytí IP 54
Svítidla v krytí IP 65, v pevném závěru nebo v závěru s vnitřním
přetlakem a jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí být opatřena
ochranným krytem, vyhovující mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt.
Instalace ve složitém prostředí:
Instalace v prostorách s nebezpečím požáru nebo výbuchu musí ještě
odpovídat svým krytím a provedením ostatním druhům stanovených
prostředí.
Poznámky:
Poznámky:
Na každé elektrické zařízení působí jeho okolí a naopak. Toto
působení je definováno v elektrotechnických předpisech (ČSN 33
2000–3) jako vnější vlivy. Je třeba, aby elektrické zařízení bylo vybráno a instalováno v souladu s požadavky, které jsou dány vnějším
prostředím.
Vnější prostředí se třídí do stupňů. Každý stupeň vnějšího vlivu je označen dvěma písmeny velké abecedy a číslicí. První písmeno
označuje všeobecnou kategorii vnějšího vlivu:
A = prostředí
B = využití
C = konstrukce budovy
Prostředí
Zahrnuje vlastnosti okolí vytvořené jím samým nebo předměty, zařízeními apod. v prostoru umístěnými. Jedná se o tyto povahy vnějšího
vlivu: teplota okolí, vlhkost, nadmořská výška, přítomnost vodní masy, výskyt cizích těles, výskyt korozívních nebo znečisťujících látek,
mechanické namáhání, výskyt flóry či fauny, přítomnost elektromagnetických, elektrostatických a ionizujících působení, sluneční záření,
seizmické účinky, četnost výskytu bouřek a pohyb vzduchu.
Využití
Znamená uplatnění objektů nebo jejich částí dané:
vlastnostmi osob vycházejících z jejich duševních a pohybových
schopností, stupně jejich elektrotechnických znalostí, elektrického
odporu lidského těla,
četností osob v prostoru a možností jejich úniku,
vlastnostmi zpracovávaných látek
Konstrukce budov
Je souhrn vlastností budovy vyplývající z povahy užitého
konstrukčního a dekorativního materiálu, provedení budovy a její
fixace k okolí.
Poznámky:
Definice elektrického oblouku:
Elektrický oblouk je výboj hořící v plynu, schopný samostatné
existence, pokud jej nepřerušíme vhodným zásahem do jeho mechanizmu.
Prakticky se jedná o změnu kapalného (plynného) prostředí na
plazmatické skupenství, které umožní vedení elektrického proudu
napříč tímto prostředím. Tento proces se nazývá ionizace. Existují dva
způsoby ionizace plynu:
• Tepelná ionizace – vlivem zahřívání plynu dochází
k zrychlenému pohybu částic v plynu způsobující nepružné
srážky, a tím vznik elektronů. Tento princip se uplatňuje u
vypínání pojistkou a všech kontaktních přístrojů.
• Nárazová ionizace – vlivem velké energie se z osamocených
volných nosičů náboje v izolantu vytvoří další volné částice,
vzniká lavina a elektrický průraz. Tento princip se uplatňuje u
bleskojistek a kontaktních přístrojů u zapínání (vn, vvn)
Vlastnosti elektrického oblouku
• Elektrický oblouk se projevuje vysokou teplotou rostoucí
s tlakem (10-ky tisíc K).
• Malý úbytek mezi elektrodami.
• Vysoká proudová hustota především v oblasti katody (108
A/m)
• Intenzivní vyzařování energie v celém spektru (světelná, tepelná energie).
Z těchto vlastností je patrné, že oblouk je nežádoucí prvek, napadající všechny materiály.
U spínání elektrického obvodu doba hoření nesmí překročit únosnou míru (10-100 µs). Je nutné najít takovou rychlost, aby oblouk
nehořel příliš dlouho, ale aby nedošlo k odskoku kontaktů.
Při vypínání dochází vždy k oblouku, proto musí být vypínače vybaveny zhášedly. Mezní doba hoření oblouku je 30 ms.
Poznámky:
Zkrat
Zkrat je vzájemné vodivé spojení různých fází v daném místě
elektrizační soustavy bez spojení se zemí nebo současně se spojením
se zemí. Může se jednat o náhodné nebo úmyslné spojení přes zanedbatelný odpor nebo impedanci dvou nebo více bodů obvodu, které
mají při normálním provozu různá napětí.
V sítích se středem spojeným přímo se zemí (TN) se zkratem
rozumí také spojení jedné fáze se zemí, v sítích s izolovaným středem
(IT), v kompenzovaných sítích nebo v sítích se středem spojeným
přes impedanci (TT) se v tomto případě jedná o zemní spojení.
Podle počtu postižených fází rozeznáváme zkraty:
• trojfázový,
• trojfázový úplný zkrat (spojen se zemí),
• dvoufázový,
• dvoufázový zemní,
• jednofázový zemní.
Zkraty a zemní spojení jsou způsobeny často atmosférickými vlivy (vítr, námraza, bouřka), které způsobují přetržení vodičů, vyvrácení
nebo zlomení stožárů nebo porušení izolace přepětím. Mezi jiné vnější
vlivy patří úmyslné poškození nebo chybná manipulace. Zkraty mohou být též způsobeny vnitřními vlivy, např. proražení izolace kabelů,
izolátorů nebo izolace strojů. V místě zkratu klesne napětí teoreticky
až na nulu, do místa zkratu tečou zkratové proudy ze všech zdrojů
soustavy podle jejich výkonu a elektrické vzdálenosti. Místem zkratu
protéká výsledný zkratový proud, který je obvykle mnohonásobkem
normálního proudu. V celé soustavě se projeví pokles napětí. Zkratový proud má v závislosti na čase charakteristický průběh, který je
většinou podle časové osy nesouměrný a lze jej rozložit na složku
souměrnou střídavou a aperiodickou složku stejnosměrnou.
Při zkratu musí být postižené zařízení automaticky vypnuto
ochranou nebo ochrana musí dát popud k vypnutí vypínače před místem zkratu. Zařízení musí být dimenzována tak, aby vydrželo zkratový
proud po dobu, dokud není zkrat vypnut.
Přepětí
Přepětí v síti je každé napětí mezi fází a zemí nebo mezi fázemi, jehož nejvyšší hodnota přesahuje nejvyšší napětí pro zařízení.
Přepětí se podle původu dělí na
• vnitřní přepětí, které je vyvolané změnou provozního stavu
elektrizační soustavy
• vnější přepětí neboli atmosférické přepětí, způsobené atmosférickými výboji na venkovních vedeních.
Vnitřní přepětí
Je vyvolané změnou provozního stavu elektrizační soustavy.
Vyskytuje se při poruchových stavech soustavy, při spínání a
v rezonančních obvodech.
V sítích s izolovaným středem (IT) nebo v kompenzované síti,
případně v síti se zhášecím transformátorem dochází při poruše jedné
fáze k zemnímu spojení. Přepětí vzniká při zapnutí nebo vypnutí zemního spojení a jeho amplituda může být až 3,5 násobek fázového napětí.
V soustavě s uzemněným středem (TN) dochází při poruše
jedné fáze ke zkratu. Při vypínání zkratu vzniká přepětí, které se skládá z přechodné složky superponované na složku s průmyslovým kmitočtem a jehož výsledkem je zotavené napětí. Proud zkratu se přeruší,
když zotavené napětí soustavy roste pomaleji než zotavující se elektrická pevnost vypínané dráhy.
Při vypínání kapacitních proudů (kondenzátory, dlouhá vedení
naprázdno, kabelová vedení) vzniká spínací přepětí. Na nožích vypínače se objevuje dvojnásobná vrcholová hodnota napětí, kterou se
může vypínací dráha prorazit. Oscilace vyvolávají přepětí, které může
činit až 5-ti násobek fázového napětí. Při vypínání vedení naprázdno
vznikají přepětí do 3,5 násobku fázového napětí.
Při vypínání induktivních proudů může docházet k opětovným
zapálením oblouku, dokud vzdálenost mezi kontakty odolá zotavenému napětí. Amplituda přepětí může dosáhnout až 2,5 násobek fázového napětí.
Rezonanční přepětí se vyskytuje v rezonančních obvodech
s indukčnostmi a kapacitami, případně i odpory. Rezonanční kmitočet
je dán Thomsonovým vztahem (viz. ferorezonance, harmonická rezonance).
Poznámky:
Vnější přepětí
Vzniká přímými údery blesku do fázových vodičů, do stožárů
a do zemnících lan nebo také nepřímými údery blesku v blízkosti vedení (indukované přepětí). Při přímém úderu do fázového vodiče se od
místa úderu šíří na obě strany přepěťová vlna, jejíž amplituda může
značně překročit izolační hladinu vedení. Přepěťová vlna indukuje též
napětí v sousedních vodičích.
Při přímém úderu do stožáru vznikne přepětí úbytkem napětí
na impedanci stožáru a odporu uzemnění a může dojít ke zpětnému
přeskoku. Přepětí závisí také na velikosti rozpětí, vlnové impedanci
vodičů a zemnicích lan.
Přímý úder do zemnicích lan vyvolá šíření přepěťových vln
podobně jako při úderu do fázového vodiče. Ve vodičích se též indukuje napětí. Jestliže je napětí mezi zemnicím lanem a vodičem vyšší
než přeskokové napětí izolátorů, dojde ke zpětnému přeskoku.
Indukované přepětí se tvoří elektrostatickou a elektromagnetickou
indukcí od kanálu blesku v blízkosti vedení (elektrostatický výboj).
Toto přepětí je nebezpečné pouze pro vysokonapěťová vedení.
Pojistka
Pojistka je přístroj určený k jednorázovému jištění elektrických zařízení před účinky nadproudů.Její základní vlastností je, že
omezuje zkratový proud, tzn. že ho přeruší dříve než dosáhne své vrcholové hodnoty. V oblasti malých nadproudů nelze pojistku použít,
protože z důvodu výrobních nepřesností není v této oblasti vhodným
jistícím prvkem. Je vhodné ji kombinovat s jističem.
Podstata působení pojistky:
Tavný vodič pojistky představuje nejslabší místo v elektrickém obvodu => vznikají v něm nejrychleji tepelné ztráty.
Poznámky:
Základní parametry pojistek:
• jmenovité napětí (uvedeno patroně)
• jmenovitý proud (pojistka ho musí trvale snést, aniž by oteplení přesáhlo přípustnou mez)
• krajní proud
• zkratový výkon – předpokládaný výkon v obvodu při zkratu
• u závitových pojistek se vyjadřuje proudem v kA (25 – 40
kA)
• u nožových stovky kA
• u vn se vyjadřuje v MVA (součin jmenovitého napětí a předvídaného proudu), (400 – 1000 MVA)
• speciální pojistky u MTN až tisíce MVA, případně se udává
jako ∞.
Jistič
Je to samočinný vypínač, který slouží k ochraně elektrických
obvodů před zkratem, nadproudem a podpětím.
Hlavní části jističe
• Proudovodná dráha –
začíná a končí na
svorkách a je tvořena
spojovacími částmi,
kontakty,
někdy
vyfukovací
cívkou,
nadproudovou
a
zkratovou spouští.
• Spoušť – je součástka
(malý elektromagnet,
bimetal),
který
mechanicky zatlačí na
volnoběžku a jistič
vypne.
• Volnoběžka – je pákový mechanismus, který udržuje stlačenou vypínací pružinu a umožní její mžikové vypnutí malou
spouštěcí silou od spouště.
• Nadproudová spoušť – viz dále
• Elektromagnetická zkratová spoušť – je malý elektromagnet,
jehož kotva v odpadlém stavu dává velkou vzduchovou mezeru a k jejímu přitažení dojde do 0,2s při zkratovém proudu (7
x In). Na menší proudy nereaguje – jsou vybaveny tepelnou
spouští
Poznámky:
•
Kataraktová spoušť – je to elektromagnet, který reaguje
s časovou závislostí na
nadproudy a bez časové
závislosti na zkraty.
Jádro tvoří mosazný
váleček vystupující na
jedné straně cívky. V
mosazném válečku je
železné
jádro
vytlačované pružinou a
olejová
náplň.
Při
nadproudu se jádro vtahuje do cívky, klesá vzduchová
mezera a po vtažení se kotva přitáhne (nadproudová
ochrana). Při zkratu se kotva přitáhne při plné vzduchové
mezeře.
• Podpěťová spoušť – je to elektromagnet připojený na napětí, jehož kotvička odpadne, poklesne-li napětí pod 65 %
Un.
Tepelná spoušť
Tato spoušť se používá v oblasti přetížení spotřebiče. Spoušť
má možnost nastavení ±15 % jmenovité hodnoty. Jmenovitý proud
jističe je dán jmenovitým proudem tepelné spouště. Tepelná spoušť
tvořená nepřímo vytápěným bimetalem se při průchodu nadproudu
vyhřeje, prohne a uvolní volnoběžku a jistič vypne.
Nevýhody tepelné spouště z bimetalu:
• Velká tepelná setrvačnost – zapneme-li jistič opětovně, hned
po výpadku, pak vypne, protože pásek tlačí na zámek do doby, než se ochladí.
• Malá mechanická pevnost – není dána pevností vlastního materiálu dvojkovu, ale je dána pevností galvanické ho spojení
těchto dvou materiálů. Bývá okolo 30 MPa (10% pevnosti Fe)
Dnes se zkouší místo dvojkovů použití kovů s tvarovou pamětí. Je
to speciální slitina, která za teplot (-50 až +600°C) podle chemického
složení mění v určitém rozsahu teplot svou krystalickou strukturu.
Odlije se slitina (na bázi Ni, Ti) v poměru 1:1, která se následně leguje. Podle legur docílíme pracovní teploty, kterou potřebujeme. Můžeme pak vyrobit pásek, u kterého definujeme tzv. originální tvar – to je
tvar, do kterého se pásek dostane v okamžiku zahřátí na pracovní teplotu. V tomto originálním tvaru se materiál zpracuje, pak se nechá
schladit a nyní se mechanicky narovná. Po zahřátí se vrátí opět do
originálního tvaru. Jestliže se tento cyklus několikrát zopakuje, pak se
naučí ohýbat sám.
Výhody:
• rozsah teplot (-50 až +600°C)
• mechanická pevnost 800 MPa
Poznámky:
Proudový chránič
Proudové chrániče jsou moderní ochranné prvky, které zaručují vysokou citlivost ochrany před úrazem elektrickým proudem a
chrání majetek před vlivem požáru od elektrické instalace.
Princip proudového chrániče:
Proudový chránič se skládá ze součtového transformátoru
proudu, velmi citlivého vybavovacího relé a spínacího mechanismu.
Proudovým transformátorem procházejí všechny pracovní vodiče,
které jsou potřebné pro funkci spotřebiče. Jestliže vznikne porucha za
chráničem, vznikne i rozdíl mezi porovnávanými pracovními proudy,
protože část proudu uniká do země. Tento rozdíl proudů indukuje,
v sekundárním obvodu transformátoru, napětí, které pomocí vybavovacího relé uvede v činnost spínací mechanismus a porucha je rychle
odpojena.
Vznikne-li ovšem nadproud v pracovních vodičích a ne proti zemi,
proudový chránič to nevyhodnotí jako poruchu, protože součet proudů
v součtovém transformátoru je roven nule. Z toho vyplývá, že proudový chránič nejistí před obvod nadproudy.
Poznámky:
Přepěťové ochrany
Svodič přepětí – je elektrický přístroj chránící zařízení před přepětími.
Existují tyto základní typy přepěťových ochran :
• koordinační jiskřiště
• svodiče přepětí pracující s obloukem (se zhášedly)
• ventilová bleskojistka
Koordinační jiskřiště
Tvoří součást vysokonapěťových přístrojů (např. odpojovač). Chrání
povrchovou cestu pevných izolantů. Tvoří jej kovové hroty umístěné
proti sobě jeden na armatuře izolátoru (část pod napětím) a druhý na
základním rámu (země). Jeho vlastnosti nelze citlivě měnit, představuje spíše podružnou ochranu. Její význam spočívá v tom, že průrazná
dráha vzduchu se posune od povrchu izolátoru, takže se zabrání zničení izolátoru tepelným účinkem oblouku vzniklého po přeskoku. Nejčastěji je v provedení hrot - hrot.
Torokova trubice (vyfukovací bleskojistka)
Má dvě sériově zapojená jiskřiště. Jedno (vnější) má funkci odpojovače, druhé (vnitřní)
umístěné v trubce
z plynotvorného
materiálu zajišťuje
zhášení
elektrického
oblouku. Jedná se
o
zhášedlo
s vlastní zhášecí
energií
využívající pevné
hasivo. Značné
množství plynů
vzniklé
rozkladem
materiálu trubky
tepelným účinkem oblouku, ochlazuje při výtoku dutou elektrodou
oblouk a v nule proudu, po oslabení ionizačních pochodů, zabrání
opětovnému zapálení oblouku. Vnější jiskřiště je tam proto, protože
elektrická pevnost vnitřního povrchu je zmenšena zuhelnatěním plynotvorného materiálu účinkem oblouku. Při trvalém připojení napětí
by z tohoto důvodu mohly nastávat přeskoky.
Poznámky:
Vnější povrch trubky se opatřuje vrstvou s velkým odporem, která
upravuje el. pole vnitřního jiskřiště. Při normálním provozu sítě způsobuje, že dolní elektroda vnějšího jiskřiště má potenciál země.
Vznikne-li přepětí, nastane proto přeskok nejdříve na vnějším jiskřišti.
Nyní začne odporovou vrstvou procházet proud, postačující
k vytvoření takového úbytku napětí, který potom vyvolá přeskok na
vnitřním jiskřišti. Po uhasnutí oblouku mezi elektrodami vnitřního
jiskřiště omezí odporová vrstva proud výboje na vnějším jiskřišti natolik, že výboj zanikne bez jakýchkoliv dalších zásahů.
Nevýhoda : Jednoznačně definovaná vypínací schopnost (malý proud
– oblouk nevytvoří dostatečné množství plynu, takže oblouk nemůže
být uhašen; velký proud – vznikne tolik plynu, že jeho nadměrný tlak
způsobí rozrušení trubky. Dnes už se nepoužívají, je to historie).
Ventilová bleskojistka
Principiálně se jedná o sériovou kombinaci jiskřiště a nelineárního
prvku. Hodnota zápalného napětí se dá částečně řídit :
• odporem
• tvarem jiskřiště
Jiskřiště ventilových svodičů přepětí je tvořeno soustavou dílčích
jiskřišť řazených sériově. Touto úpravou se současně řeší dva požadavky. Prvním je vznik průrazu s co nejmenším zpožděním, aby vlna
přepětí nepronikla příliš daleko za svodič přepětí. Druhým je vytvoření podmínek k intenzivnímu zhášení oblouku vytvořeného následným
proudem, který je splněn tím, že každé jiskřiště představuje jedno
zhášedlo. Tato úprava jiskřiště umožňuje vytvářet stavebnicovou konstrukci. Jedno jiskřiště a jeden rezistorový kotouč tvoří jednotku pro
určité napětí. Skládáním jednotek lze vytvořit svodič přepětí pro libovolné napětí
Poznámky:
Vypínače
Poznámky:
Kontaktní ústrojí elektrických spínacích přístrojů
Kontakt je ta část proudovodné dráhy, kde se mechanicky stýkají vodiče vlivem vnější přítlačné síly, a ve kterém dochází vlivem
vytvoření proudových úžin ke změně proudové hustoty. Zajišťuje
přechod ze zapnutého do vypnutého stavu a naopak.
Kontakt má dvě základní polohy:
• stav vypnuto: je charakterizován izolační vzdáleností, která je
dána normou. Celkový průřez v tomto okamžiku je nulový.
• stav zapnuto: je charakterizován schopností kontaktů přenášet
elektrický proud a určuje tvar a základní vlastnosti kontaktu:
spolehlivost, životnost; bezpečnost funkce celého přístroje.
Kontaktní styk nevznikne na celé kontaktní ploše, ale právě jen
v určitých místech, kde se nacházejí proudové úžiny. To je způsobené
tím, že žádný povrch není dokonalý a jsou na něm nerovnosti způsobené technologií výroby, ale hlavně působením elektrického oblouku.
Při určování stykového odporu musíme rozeznávat čistě kovový odpor
mezi kontakty a dodatečný odpor cizích vrstev na povrchu kontaktů,
které bývají chemického nebo mechanického původu.
Kovové plochy, které na sebe dosednou, na sebe působí v závislosti na
přítlačné síle napřed pružně a potom plasticky.
a) kovový stisk pod mezí
pružnosti – vratná změna
A) čistý kovový styk
Požadavky na kontakty:
Co největší elektrická a
tepelná vodivost
Odolnost proti korozi
Výborné
mechanické
vlastnosti
Odolnost vůči účinkům elektrického oblouku (minimální úbytek napětí, špatná svařitelnost)
Kontaktní materiály
1) Ryzí kovy
2) Slitiny – špatná elektrická vodivost
3) Slinutiny – jsou křehké
4) Pseudoslitiny – velmi výhodné kontaktní vlastnosti (Cu+W, Ag+W,
Cu+Cr, Ag+Cr)
Ušlechtilé kovy:
Au, Pt – nereagují s prostředím
potahují se kysličníky až při vysokých teplotách (600-700°C)
použití: lékařství, kosmický výzkum
drahé
Poloušlechtilé kovy:
Stříbro –povlak je měkký a relativně nestálý, zaniká při 200°C
malá tvrdost a malá odolnost proti elektrickému oblouku
nejlepší elektrická vodivost (i jeho kysličníky jsou dobře vodivé)
Nikl, Wolfram – používají se do slitin
Wolfram je pro svou velkou tvrdost a vysokou teplotu tavení materiálem používaným na opalovací kontakty.
Neušlechtilé kovy:
Měď: má při čistém povrchu dobré kontaktní vlastnosti, ale snadno se
pokrývá kysličníkem a pak může způsobit nadměrné oteplení. Používáme ji všude tam, kde je dostatečný tlak k rozrušení cizích vrstev, a
na kontakty ponořené do oleje.
Pro zlepšení vlastností se Cu a Ag legují přísadami:
Stříbro-nikl: 30% Ni, dobrá odolnost proti opotřebení el. obloukem,
má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a tvrdost. Vyrábí se
práškovou metalurgií.
Stříbro-uhlík: přítomnost uhlíku snižuje možnost svaření kontaktů.
Používá se stříbro s 5% C. Odolnost proti opotřebení je nízké. Vyrábí
se práškovou metalurgií.
Stříbro-wolfram: má vysokou odolnost proti el. opotřebení, vysoký
bod tavení a tvrdost, má horší el. a tep. vodivost a sklon ke korozi.
Používá se na opalovací kontakty. Vyrábí se práškovou metalurgií.
Na opalovací kontakty pod olejem se používá – wolfram – měď.
Poznámky:
Vypínač
Je rychlý, výkonový spínací prvek se svým pohonem a je schopný
vypnout zkratové proudy, anebo snést zapnutí do zkratu. Oblouk se
zháší různými způsoby, nejznámější byl olej (utopení oblouku v kotli),
tlakovzduch (sfouknutí oblouku), maloolej (olejové páry), SF6 (nevodivý plyn). Další poslední způsob byl zřejmě motivován úvahou "
proč vymýšlet zhášení dielektrikem, nedávejme tam nic a ionty nemohou proudit" a vznikly vypínače vakuové.
Odpojovač
Otevřený přístroj, který je laciný, je na něj vidět a vypnutý stav se dá
opticky kontrolovat. Umí sice vést velké jmenovité i zkratové proudy,
ale neumí vypínat, prostě proto, že chybí deionizační zařízení. Určitá
výjimka je spínání malých transformátorů vn/nn, ale jen naprázdno.
U skříňových rozváděčů bývá odpojovač nahrazen výsuvným podvozkem vypínače nebo výsuvnou kazetou. Protože vypínač má přívodní a vývodové roubíky, nahrazuje výsuvná část dva odpojovače,
přípojnicový i vývodový.
Uzemňovač
Někdy jen zemní nože u odpojovače slouží pro zajištění bezpečnosti
při pracech na odpojených částech. Jsou většinou dimenzovány na
zkratový proud jako příslušný odpojovač. To proto, že by někdo zapnul vypnuté vedení z druhé strany. Samozřejmě svádí i indukované
napětí.
Pohony odpojovačů a uzemňovačů jsou buď ruční nebo strojní. Strojní
pohony používají vzduchové válce nebo elektromotory. Zatímco
vzduch (stlačený ve vzdušnících) byl k dispozici i při výpadku rozvodny, u elektromotorů je zajištěna funkce při výpadku rozvodny jen
napájením DC nebo AC zajištěných (rozumí se střídač). Musíme rozhodnout jaké napětí bude použito (nezajištěné AC, zajištěné AC,
event.DC) a na jaké kobky (např. DC pro všechny nebo jen důležité:
přívody, spínače přípojnic, transformátor vlastní spotřeby). Od tlakovzduchu se však upouští (náročná údržba, poruchové ovládací ventily
a jednotky).
Stykače a relé
Stykače jsou dálkově ovládané spínače, které jsou drženy v zapnuté
poloze silou elektromagnetu a nesmí být v této poloze aretovány, přičemž stabilní poloha je poloha vypnuto. Používají se pro časté, ale
krátké spínání až 3000 sepnutí za hodinu, životnost spínače je několik
miliónů sepnutí.
Podle zhášení oblouku jsou :
• vzduchové
• SF6 (fluorid sírový)
• Olejové, ve výjimečných případech
Relé je přístroj, který reaguje na změnu v hlídaném elektrickém obvodu. Tuto změnu signalizuje, nebo svými kontakty zajistí vypnutí pomocí výkonového vypínače nebo stykače.
Poznámky:
Bezkontaktní spínače
Spínání vychází ze základního vztahu:
σ = n⋅e⋅b
σ …… proudová hustota
n …… koncentrace nosičů nábojů
e …… elementární náboj
b …… hybnost
Základní součástky pro bezkontaktní spínání
• Dioda
• Tyristor
• Tranzistor
• Triak
Výhody bezkontaktního spínání
• spínací proces je v pevné fázi hmoty nemá zhášedlo
• není žádný mechanizmus
• zapínací a vypínací časy velmi malé
• nepřítomnost mechanizmů
• vykazuje vyšší životnost i spolehlivost při správném dimenzování : až 1010 sepnutí (kontaktní maximálně 108)
• nízká úroveň rušení
• kompatibilita s logickými přístroji
• velká vstupní citlivost
kde :
Nevýhody bezkontaktního spínání
• nedochází ke galvanickému odpojení obvodu zdroje od spotřebiče - velký úbytek napětí na přechodu v zapnutém stavu
(až 100 V)
• citlivost na přepětí a rychlé změny napětí v síti
• citlivost na přetížení
• náchylné na změny tepelného režimu
• velká pořizovací cena u VN a VVN (u NN srovnatelná)
Poznámky:
Hybridní spínače
Spojení kontaktního a bezkontaktního spínaní.
Princip spínání
Zapínání
• zasunutí pohyblivých kontaktů do polohy (1)
• zapnutí tyristorů Ty
• úplné zasunutí pohyblivého kontaktu – až do polohy (2)
Vypínání
• zapnutí tyristorů Ty
• vysunutí pohyblivých kontaktů z polohy (2) do polohy (1)
• vypnutí tyristorů Ty
• úplné vysunutí pohyblivého kontaktu
Výhody hybridního spínání
• řeší některé problémy bezkontaktního spínání
• galvanické oddělení obvodu zdroje od spotřebiče
• není úbytek napětí na přechodu PN – vyzkratováno pohyblivým kontaktem
Nevýhody hybridního spínání
• pořizovací cena
• velikost
Poznámky:
Elektromagnet
Poznámky:
Během zdvihu kotvy koná elektromagnet práci. Doba zdvihu
je však velmi krátká, proto jej řadíme k elektrickým přístrojům. U
elektromagnetů nás zajímá především průběh tahové síly.
Odvození vztahu pro tahovou sílu :
dWm
Obecně síla ze zákona zachování energie F =
, kde
dδ
1
Wm = L I 2 , kde L = N λ2
2
1
2
Magnetomotorické napětí Fm = N I Wm = λ Fm , kde magnetic2
S
1
S 2
ká vodivost pro vzduchovou mezeru λδ = µ 0
Wm = µ 0 Fm .
δ
2 δ
Φ BS
pak síla elektroDosadíme-li Hopkinsonův zákon Fm =
=
λδ
2
λδ
 BS 
BS2
 F ==

2 µ0
 λδ 
Tento vztah platí pouze :
• Za předpokladu velmi malé reluktance feromagnetika – eliminuje se činitelem sycení ks
• Za předpokladu, že v celém průřezu vzduchové mezery je
magnetické pole rozloženo rovnoměrně (homogenní
mag.pole) – eliminuje se činitelem vyklenutí magnetického
pole ε .
Předpoklad ad1) je splněn při velkých vzduchových mezerách, předpoklad ad2) je naopak splněn při malých vzduchových mezerách.
Proto se v dnešní době rozvíjí výpočet numerickým modelováním
(Ansys atd.).
magnetu F =
1
S
µ0 2
2 δ
Poznámky:
Tvary elektrických strojů
Tvar stroje – takové uspořádání, které respektuje polohu stroje, upevnění, uspořádání ložisek, konec hřídele, způsob montáže ⇒ umístění
hřídele na osu stroje
H
V
d
Označení
IM Xa Xb Xc Xd
ad a)
1 ….. patkové – jen s ložiskovými štíty nebo štítem
3 ….. přírubové – příruba na ložiskovém štítu
ad b)
0 ….. stroj má normální patky bez převodovky
1 ….. stroj má zvýšené patky
ad c)
0 ….. vodorovná hřídel
1 ….. volný konec hřídele je svisle dolů
2 ….. volný konec hřídele je svisle nahoru
ad d)
0 ….. hřídel není vyvedena
1 ….. jeden válcový konec hřídele
2 ….. dva válcové konce hřídele
Příklad:
IM 1001 – patkový s normálními patkami s vodorovnou hřídelí jeden
vyvedený válcový konec.
N
E
K
L
Transformátor
Transformátor je stroj bez pohyblivých části, který mění velikost napětí střídavého proudu při nezměněném kmitočtu. Transformátor se skládá z uzavřeného magnetického obvodu, složeného z křemíkových plechů a obvykle ze dvou vinutí. Vstupní vinutí P (primární)
je napájeno ze zdroje střídavého proudu. Z
výstupního vinutí S (sekundárního)
odebíráme napětí jiné velikosti.
Při chodu naprázdno je výstupní
vinutí otevřeno a transformátor odebírá ze
sítě proud potřebný pro vybuzení
magnetického toku v magnetickém obvodu.
Střídavý magnetický tok indukuje v jednom
závitu každého vinutí napětí u1.
Má-li výstupní vinutí N2 závitů, indukuje se v něm napětí.
Ve vstupním vinutí, které má N1 závitů indukuje tentýž střídavý tok
Napětí se transformuje v
přímém poměru počtu závitů.
Protéká-li
při
zatížení
sekundárním
obvodem
proud I2 , pak spotřebič odebírá z transformátoru výkon
Tento výkon se musí transformátoru přivést ze zdroje
při napětí U1 a proudu I1 je
tedy
napětí
Poměr indukovaných napětí obou vinutí (cívek) transformátoru
Zanedbáme-li ztráty v transformátoru, můžeme psát, že
příkon se rovná výkonu; pak
platí
je roven poměru počtu závitů a nazývá se převodem transformátoru.
Zanedbáme-li poměrně malé úbytky napětí ve vstupním vinutí transformátoru, můžeme místo indukovaných napětí dosadit svorková napětí, takže velmi přibližně platí:
Poznámky:
Jestliže
se
cosϕ1
rovná
cosϕ2
,
dostaneme
a z toho pak
Proudy v transformátoru jsou v nepřímém poměru k převodu.
Z posledního vztahu také plyne rovnost magnetomotorických napětí
Poznámky:
Jmenovitý výkon transformátoru je zdánlivý výkon v kVA
nebo v MVA podle štítku, a to při jmenovitém proudu a jmenovitém
napětí na straně výstupní a při jmenovitém kmitočtu a sinusovém průběhu napětí na straně vstupní.
Jmenovitý proud transformátoru na straně vstupní i výstupní
vypočítáme jen ze jmenovitých hodnot výkonu a napětí.
Magnetický obvod se skládá z transformátorových křemíkových plechů. Aby byly ztráty vířivými proudy malé, musí být jednotlivé plechy proti sobě dobře izolovány. Izolujeme je papírem, lakem
nebo fosfátováním. Používané transformátorové plechy mívají měrné
ztráty Dp1,0 =1,3 až 1,1 W/kg i méně podle jakosti. Orientované plechy s keramickou izolací mají měrné ztráty Dp1,0 =0,7 až 0,35 W/kg .
Magnetický obvod je tvořen jádry a spojkami. Na jádrech je navlečeno vinutí (cívky).
Podle konstrukce magnetického obvodu rozeznáváme transformátory jádrové, vinutí obklopuje plechy, a plášťové, plechy obklopují vinuti. Jednofázový transformátor jádrový má dvě navinutá jádra
s polovicí vinutí vyššího napětí vn a s polovicí vinuti nižšího napětí nn
a dvě spojky. Jednofázový plášťový transformátor má navinuté jen
prostřední jádro, na němž je cívka vyššího i nižšího napětí. Spojky
mají poloviční průřez a jsou uzavřeny po obou stranách nenavinutými
krajními jádry rovněž polovičního průřezu.
Průřez jader bývá čtvercový, obdélníkový, křížový nebo několikrát odstupňovaný,
aby se kruhový otvor
cívky co nejvíce
vyplnil
jádrem
(nejkratší
obvod,
úspora mědi nebo
hliníku).
Cívky transformátoru jsou buď
válcové nebo kotoučové. U vinutí pákového
jsou cívky vyššího i nižšího napětí soustředně
na sobě, cívky nižšího napětí obvykle blíže k
jádru. Válcové vinutí bývá nejčastěji u jádrových transformátorů. Stavíme je se svislou
osou, aby kolem vinutí mohl vzduch nebo olej přirozeně proudit.
U vinutí kotoučového jsou cívky vyššího a
nižšího napětí střídavě na jádře. Tohoto vinutí
používáme
nejvíce
u
plášťových
transformátorů a pro magnetickou souměrnost
dáváme na konce jader poloviční cívky
nižšího napětí. Kotoučové vinutí se staví s
vodorovnou osou, aby chladicí kanály mezi
cívkami byly svislé.
Stejnosměrný stroj
Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstarší a konstrukčně
nejsložitější užívané elektrické stroje. Jejich snadná regulovatelnost
jim zajistila donedávna výsadní postavení v oblasti elektrických pohonů. Nutnost použití usměrňovačů je však o toto výsadní postavení
připravila.
Vlastnosti elektrických strojů
Stejnosměrné stroje se vyznačují:
• Snadná regulace otáček (napětím kotvy, nebo budícím proudem)
• Velký kroutící moment
• Snadná přizpůsobivost momentových charakteristik (zapojením budícího vinutí)
• Velká přetížitelnost
• Možnost užití v těžkých podmínkách
• Výkony 1W - 7,5MW
• Napětí 1,5 – 1200 V
Konstrukce:
Kostra slouží jako jho. Budící vinutí je umístěno na hlavních
pólech, jejich vzdálenost definuje
pólovou rozteč, budící vinutí může
být
nahrazeno
permanentními
magnety. Mezi hlavními póly jsou
umístěny pomocné póly pro zlepšení
komutace (nemusejí být vždy). Počet
pólů je vždy sudý. V hlavních pólech
je uloženo kompenzační vinutí pro
kompenzaci reakce kotvy.
Rotor ss. stroje je složen z plechů, komutátoru a vinutí. Rotorové vinutí může obsahovat vyrovnávací spojky prvního a druhého
řádu.
Sběrné ústrojí je tvořeno kartáči (počet řad kartáčů odpovídá
počtu pólů), držáky kartáčů, roubíkem a brejlemi. Kluzný kontakt
tvoří kartáč klouzající po komutátoru.
Princip činnosti:
Motor funguje na základě
působení elektrodynamických účinků
mezi proudem ve vodičích kotvy a
magnetickým polem hlavních pólů.
Poznámky:
Poznámky:
Konce cívek jsou připojeny ke komutátoru, k němuž jsou přiloženy
kartáče. Otáčíme-li cívkou bude se indukovat napětí. Pod S pólem Ua,
pod J pólem Ub.
Komutátor působí v podstatě jako
mechanický usměrňovač, musí mít
minimálně 3 lamely, pro vyhlazení
proudu se používá větší počet lamel (až
900).
Asynchronní stroj
Poznámky:
Asynchronní stroj je nejrozšířenějším elektrickým strojem především
proto, že je nejjednodušší a jeho výroba je nejlevnější. Asynchronní
stroj je používán nejčastěji jako motor k pohonu nejrůznějších zařízení, zejména takových, která pracují při stálé rychlosti, neboť rychlost
samostatného asynchronního motoru je obtížně regulovatelná.
S nástupem frekvenčních měničů je dnes tato nevýhoda potlačena
neboť díky frekvenčním měničům můžeme rychlost plynule řídit.
Vlastnosti asynchronních strojů
Nevýhody:
• Proudový náraz při zapnutí pohonu na síť
• Indukční účiník 0,8-0,9 při jmenovitém zatížení
• Bez frekvenčního měniče obtížná regulace otáček
•
Maximální otáčky dány frekvencí sítě n =
Výhody
• jsou napájeny z běžné třífázové sítě
f
⋅ 60 [min-1]
p
Poznámky:
Princip působení stroje
Je založen na vzájemném elektromagnetickém působení točivého magnetického pole statoru a rotorového proudu indukovaného
tímto polem. Točivé magnetické pole se otáčí synchronní rychlostí, a
to podle zvoleného sledu fází, buď vlevo nebo vpravo. Za kladný
smysl otáčení se volí levotočivý. Relativní rychlost otáčení nebo tzv.
skluzová rychlost je dána rozdílem rychlosti synchronní a rychlosti
motoru. Nejčastěji se udává poměrná skluzová rychlost vztažená na
synchronní rychlost, kterou nazýváme skluzem.
s=
Ω
n
Ω s − Ω ns − n
=
[ - ] nominální skluz je 5-7%
ns
Ωs
- mechanická úhlová rychlost
- rychlost otáčení
Asynchronní stroj jako motor, generátor nebo brzda
Skluz - je veličina, která svojí velikostí a znaménkem udává
velikost a druh zatížení indukčního stroje.
Asynchronní stroj jako motor
Uvažujeme nejdříve, že rotor se otáčí stejně rychle jako magnetické pole ve vzduchové mezeře. Pak jeho otáčky jsou rovny otáčkám pole n = n1 a skluz s = 0 . V rotoru se neindukuje žádné napětí,
neboť frekvence f2 = 0 a stroj nevyvíjí žádný moment. Tento stav
představuje ideální chod naprázdno. Ve skutečnosti je motor vždy
zatížen na hřídeli momentem mechanických ztrát, takže rotor nedosáhne nikdy synchronní rychlosti.
V druhém případě uvažujeme, že rotor se neotáčí, tedy n = 0 a
s = 1. Tehdy pracuje indukční stroj jako transformátor a protože je
rotor spojen dokrátka, tedy jako transformátor nakrátko. Tomuto stavu
říkáme stav nakrátko. Mezi těmito dvěma stavy pracuje stroj jako
motor.Jeho rychlost je 0 ≤ n ≤ n1 a skluz je 1 ≥ s ≥ 0.
Skluz je kladný, rychlost otáčení rotoru má stejný smysl jako
točivé magnetické pole.
Asynchronní stroj jako generátor
Poháníme-li rotor asynchronního stroje tak, že jeho rychlost se
zvýší nad rychlost synchronní n > n1, což znamená, že skluz se stane
záporným s < 0 , změní indukované napětí v rotoru smysl a elektrická
energie je dodávána do sítě. Stroj pracuje tedy jako generátor při záporném skluzu -∞ < s < 0
Připojení na síť je jednoduché a nevyžaduje žádné zvláštní
synchronizační zařízení.
Generátor musí pracovat paralelně se zdrojem jalového výkonu, který je zapotřebí pro vybuzení magnetického pole.
Asynchronní stroj jako brzda
Je-li rotor poháněn tak, že se otáčí v opačném smyslu než
magnetické točivé pole (n< 0 ), rychlost n2 > n1 což znamená, že ,
skluz je kladný a větší než 1
1 ≤ s < +∞
Takové brzdění nastane při spouštění břemene a při reverzaci.
Při brzdění protiproudem jsou ztráty v rotoru 3-krát větší než při rozběhu a jejich hodnota nezávisí na velikosti odporu rotoru. Reverzace
za chodu motoru až 4krát větší ztráty než při rozběhu
Spouštění asynchronních motorů
Spouštění je přechodný děj. Otáčky potřebujeme dostat na požadované provozní. Motor by měl mít plynulý rozběh. Při spouštění
musíme respektovat:
• počet spouštění
• poměr záběrného proudu / nominálnímu proudu
• plynulost časové změny otáček
• plynulost proudu
• poměr záběrného momentu / nominálnímu momentu
J(n − n 0 )
[s]
9.55(M m − M p )
•
dobu rozběhu t a =
•
ztráty při rozběhu ∆P
Spouštění asynchronního motoru s vinutým rotorem (kotvou kroužkovou)
Tyto motory spouštíme tak, že k vinutí rotoru připojíme
spouštěč, jehož odpor můžeme (obvykle po stupních) měnit. Vhodně
odstupňovanými odpory lze nastavit libovolnou velikost záběrného
proudu a až maximální moment. Vyřazování jednotlivých odporových
stupňů provedeme tehdy, jestliže se otáčky motoru nezvětšují. Po
skončení rozběhu je třeba celý spouštěč vyřadit, neboť není konstruován na trvalé zatížení.
Poznámky:
Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko
Důležitými parametry z hlediska spouštění jsou záběrný proud
a záběrný moment. Při spouštění se snažíme, aby záběrný proud byl
co nejmenší a záběrný moment co největší.
•
•
přímé připojení motoru k síti: Je to nejjednodušší způsob. Motor v okamžiku připojení odebírá značný proud nakrátko (záběrný proud), což může způsobit pokles napětí sítě nebo vypnutí ochran => přímo k síti se mohou připojovat motory jen
do 3kW, jejichž spouštěcí příkon je menší než 21kVA. Po dohodě s energetickými závody lze připojit přímo k síti i motory
větších výkonů.
spouštění přepínačem Y/D: Tento způsob používáme tam, kde
nelze použít předcházející způsob. Podmínkou je, aby byl motor navržen pro trvalé spojení do trojúhelníku. Při spouštění je
vinutí motoru spojeno do hvězdy. Fázové napětí je
Uf =
Us
3
,
takže
2
moment
U
U 
M Y = k  s  = k s
3
 3
motoru
je
2
to znamená, že má pouze 1/3 hod-
noty při původním zapojení do trojúhelníku. Záběrný proud
US
při spojení do hvězdy je I fY = I SY =
při spojení do trojúhelníku je I fD =
měr proudů je
I fY
=
I SD
3 ⋅ Zf
. Záběrný proud
US
, I SD = 3 ⋅ I fD PoZf
US ⋅ Zf
3 ⋅ 3 ⋅ Zf ⋅ US
=
I
1
neboli I Y = D
3
3
Záběrný proud je v tomto případě 3krát menší, stejně jako záběrový moment. Proto je tímto způsobem možné spouštět jen
motory, které se rozbíhají bez zatížení. K vlastnímu přepnutí
s Y do D může dojít až při ustálení otáček.
Poznámky:
Řízení otáček asynchronního motoru
• regulace otáček odporem v rotoru R2 (skluzem): musíme mít
kroužkový motor, ns-20%, nelze odporem v rotoru regulovat
otáčky naprázdno. Zařazováním odporů v rotoru měníme
otáčky. Rotorové odporníky musí být dimenzovány na trvalý
chod. Čím je větší protinapětí, tím je větší skluz v motoru.
sU
s U − U2
U
I 2 = 2 = 1 20 = 2 10
Z2
Z2
Z2
•
regulace otáček statorovým napětím: nemůžeme vracet energii
do sítě jako v předchozím případě.
Pel = s ⋅ Pυ = s ⋅
•
•
≠
ω1
ω
M = 1 (M ⋅ s) = k ⋅ M ⋅ s
p
p
regulace otáček s přepínáním počtu pólů: buď přepínáme
v poměru 1:2…2p = 2/4, 2p = 4/8 (musíme použít jedno vinutí), nebo v libovolném poměru 2p = 18/24 (musíme použít více vinutí). Jestliže máme vinutý rotor, musíme přepínat i rotor.
regulace otáček frekvencí: přímé – použitím frekvenčního
měniče (cyklokonvertoru). Frekvence s 50Hz maximálně, 25
či 20Hz pro velké výkony.
Brzdění trojfázového asynchronního motoru
• podsynchronní brzdění: rotor motoru se otáčí proti směru otáčení točivého magnetického pole, takže pro skluz platí
s=
•
n s − (−n ) n s + n
=
> 1 . Motor je tepelně a dynamicky
ns
ns
značně namáhán. Nevýhodou také je, že brzdný moment Mb je
pro s > 1 menší než moment záběrný Mz. Tento způsob se také nazývá protiproudem a používá se pro rychlé zastavení
stroje. Brzdí se tak, že zaměníme dva přívody k motoru, a tím
se změní směr otáčení magn. pole. Zpětnému roztočení zabrání tzv. spínač Alnico, namontovaný na hřídeli.
nadsynchronní brzdění: rotor se otáčí ve směru otáčení magn.
pole, takže platí n > ns a skluz je s =
•
ns − n
< 0 . Stroj se dons
stává do generátorického stavu. Ve vodičích rotoru se indukují
proudy, které vyvolávají opačný silový (momentový) účinek.
V tomto případě stroj energii rekuperuje do sítě. Velkou nevýhodou je potřeba velkých otáček při brzdění (větších, než
jsou dovolené otáčky v motorickém chodu).
zvláštní způsoby brzdění: stejnosměrným proudem, kdy napájíme jednu fázi nebo dvě fáze statoru. Vzniklé magn. pole
svými účinky plynule brzdí motor. Při malých otáčkách se
však stroj musí brzdit mechanickou brzdou, neboť brzdný
moment je malý
Poznámky:¨
Synchronní stroj
Alternátory
Jsou největší točivé stroje (až několik set MVA)
Napětí nejčastěji ~25 kV, ale může být až 400 kV
Otáčky závisí na počtu pólů (2p)
Vyznačují se:
• vysokým využitím aktivních materiálů
• účinným chlazením
• vysokou účinností
• malými investičními náklady na 1 MVA
Alternátory jsou poháněny:
• parní turbínou
• vodní turbínou
Kompenzátory
Pracují jen jako zdroje nebo spotřebiče jalové energie, kompenzují jalové zatížení sítě a tím udržují napětí v potřebných mezích
Motory
Pro větší a velké výkony
• výhody: dobrý účiník (přebuzený stav → kompenzace účiníku
sítě
• nevýhody: obtížné spouštění, obtížná regulace rychlosti, potřeba budiče
Konstrukce:
V drážkách statoru je stř. vinutí, nejčastěji 3-fázové. Tomuto
vinutí se též říká vinutí kotvy.
Protože výkony jsou velké, volí se pro vinutí kotvy vysoké
napětí, proto se umisťuje na statoru, aby mohl mít pevné vývody. Vinutí spojeno do hvězdy buď s:
a) vyvedeným uzlem
b) nevyvedeným uzlem
Střídavé vinutí je stejné jako u indukčních strojů (asynchronní), avšak používá se velmi často lomený počet drážek pro pól a fázi
→ zlepšení průběhu indukovaného napětí
Na rotoru je budící vinutí napájené stejnosměrným proudem přes dva
sběrací kroužky ze:
• stejnosměrné sítě
• vlastního dynama (budiče)
• nebo napájené bezkontaktně.
Budící výkon je ve srovnání s výkonem synchr. stroje malý
Poznámky:
Podle provedení rotoru se rozlišují:
• s hladkým rotorem (turbostroje, délka až 12 m,
• s vyniklými póly
Stroje s hladkým rotorem mají budící vinutí rozloženo v drážkách
vyfrézovaných ve válcovém tělese rotoru, které je vykováno
z legované oceli.
Stroje s vyniklými póly mají na magnetovém kole póly
s pólovými nástavci. Póly s pólovými nástavci a magnetové kolo jsou
z oceli.
Provozní stavy :
u
i
−ϕ
motor
+j
přebuzený
jalový induktivní proud
dodávaný do sítě
-j
motor
podbuzený
+j
i
jalový induktivní proud
odebíraný ze sítě
u
u
−ϕ
i
u
ϕ
generátor
přebuzený
-j
generátor
podbuzený
ϕ
i
Přebuzený alternátor:
Dodává do sítě činný i jalový induktivní proud.
Při zatížení je magnetové kolo v předstihu o úhel β proti své poloze
při chodu naprázdno.
Přebuzený synchronní motor:
Odebírá ze sítě činný proud, dodává do sítě jalový induktivní proud.
Magnetové kolo je při zatížení natočeno o úhel β zpět proti své poloze
při chodu naprázdno.
Podbuzený synchronní motor:
Odebírá činný proud i jalový proud induktivní.
Magnetové kolo je o úhel β zpožděno proti své poloze při chodu naprázdno.
Podbuzený alternátor:
Dodává činný proud, odebírá ze sítě jalový induktivní proud.
Magnetové kolo předbíhá svou polohu naprázdno o úhel β.
Poznámky:
Poznámky:
Elektrická energie musí být vyráběna a to z těchto zdrojů:
• Fosilní paliva (uhlí, plyn, ropa)
• Vodní zdroje
• Alternativní zdroje (vítr, slunce, geotermální činnost, bioplyn)
• Jaderné zdroje (štěpení, fúze)
Podíl zdrojů na výrobě
Zdroj energie
Podíl
výrobě
na
Negativní důsledky na životní prostředí
Fosilní paliva
80 %
Skleníkový jev, CO2, turbulence v atmosféře
Hydroelektrárny
7%
Ekologické dopady na krajinu
Alternativní
zdroje
1%
Ekonomická náročnost na výrobu 1kWh energie
Jaderná energetika
12 %
Štěpné.r: nadkritické množství, odpad,omez.zás.
Odhadované světové zásoby
Energie[GJ]
Odhadované zásoby
(při současné spotřebě)
3*1011
1 rok
Uhlí
1*1014
300 let
Olej
1.2*1013
40 let
Zemní plyn
1.4*1013
50 let
Uran 235 (štěpné reaktory)
1013
30 let
Uran 238 a Thorium 232 (množivé reaktory)
1016
30 000 let
Lithium(D+T*) fúzní reaktory)
-země
-oceány
1016
1019
30 000 let
30*106 let
Současná celková roční spotřeba primární energie,
Zásoby:
Tepelné elektrárny
Poznámky:
Princip:
Elektrárna využívající k přeměně tepla uvolněného spalováním
uhlí v elektrickou energii. Nejrozšířenějším současným typem jsou
elektrárny spalující práškové uhlí v granulačním ohništi. Hlavním
problémem zůstává negativní vliv na životní prostředí (exhalace
popílku, oxidů síry a dusíku).
Tepelný oběh přeměny tepla v mechanickou energii, s nímž pracují parní elektrárny. Sestává z izobarického ohřevu vody na teplotu
varu, vypařování vody, ohřevu páry na pracovní teplotu a expanze
páry v turbíně. Oběh je uzavřen kondenzací páry na vodu.
Parní oběh bloku elektrárny 200 MW
Pracovní tlak
16,5 MPa
Teplota sytosti (varu)
350 °C
Teplota páry na vstupu do turbíny
565 °C
Voda za kondenzátorem - tlak
4 kPa, teplota: 29 °C
Termická účinnost cyklu
38%
V turbíně se uskutečňuje přeměna tepelné (vnitřní) a (nebo)
kinetické energie pracovní látky (páry, plynu, vzduchu, vody) na
energii mechanickou (rotace hřídele). Turbína je roztáčena pracovní
látkou proudící přes lopatky turbíny. Mechanická energie se může
využívat přímo na pohon jiného stroje. Pokud má turbína sloužit k
výrobě elektrické energie, potom se nachází na společné hřídeli s
elektrickým generátorem - dohromady tvoří tzv. turbogenerátor.
Rozdělení turbín:
• podle pracovní látky: vodní, parní, plynové
• podle směru průtoku oběžným kolem: radiální, axiální,
diagonální
• podle způsobu zpracování energetického spádu:
přetlaková, rovnotlaká
• podle dělení energetického spádu: jednostupňová, vícestupňová.
Odlučovač popílku
V granulačním ohništi je teplota spalovacího procesu volena tak,
že částečky shořelého paliva (popílek) se v proudu spalin sice natavují, ale rychle chladnou a granulují. Shromažďují se částečně ve výsypkách jednotlivých tahů kotle
a v odlučovači popílku. Část
jemného popílku však uniká
se spalinami do ovzduší a
tvoří škodlivé exhalace.
V moderních kotlích na
mleté uhlí vzniká jemný
popílek, unášený spalinami.
Nemá-li se dostat komínem
do ovzduší, je třeba spaliny
vyčistit a popílek odloučit.
V současné době se užívají především elektrostatické filtry, zachycující přes 99 % popílku. Mechanické odlučovače jsou účinné především
k odlučování hrubších částic. Pro menší objemy spalin se mohou použít tkaninové filtry.
Poznámky:
Mokrá vápencová nebo vápenná vypírka
Je mokrý proces odstraňování sloučenin síry ze spalin. Spaliny
jsou vedeny do tzv. “pračky”, do níž se vhání mlha z vápencového
mléka (namočený semletý vápenec). Síra se váže na vápník a vzniká
energosádrovec. Odsiřovací zařízení 4 bloků o výkonu 110 MW elektrárny Prunéřov I:
Koncentrace SO2 ve spalinách:
před odsířením - 7 600 mg/m3;
po odsíření - pod 400 mg/m3
Roční produkce energosádrovce: 200 000 t.
Poznámky:
Jaderná elektrárna
Je elektrárna, ve které jsou zdrojem tepla jaderné reakce probíhající v
reaktoru. Jaderná elektrárna bývá často označována podle typu reaktoru (např. výraz “jaderná elektrárna VVER“ znamená, že v jaderné
elektrárně jsou umístěny reaktory typu VVER).
Jaderná reakce je proces, kdy při vzájemné interakci dvou jaderných
částic vznikají jiné částice. Z praktického hlediska je nejdůležitější
reakce, kdy na terčíkové jádro X nalétává částice a (například neutron)
a
vzniká
nové
jádro
Y
a
částice
b.
Schematicky se jaderná reakce zapisuje ve tvaru a + X → Y + b nebo
X(a, b)Y. Symbol (a, b) charakterizuje reakci, například radiační záchyt (n,γ). Při jaderné reakci se zachovává elektrický náboj, počet
nukleonů a platí zákon zachování energie.
Za jaderné označujeme palivo, ve kterém se jadernými reakcemi přeměňuje část jaderné energie na teplo. V současné době je v energetice
využíván typ jaderné reakce - štěpení jader těžkých prvků (např.
uranu). V budoucnu se zdá být perspektivní energetické využití
termojaderné reakce (syntéza lehkých jader).
Podle stupně obohacení izotopem U-235 rozdělujeme uran na:
přírodní: 0,71 %,
slabě obohacený: 1-5 %,
středně obohacený: 5-20 %,
silně obohacený: 20 a více %.
Energetický výtěžek je následující :
přírodní uran: 0,69 TJ/kg,
slabě obohacený: 3-8,5 TJ/kg,
palivo množivých reaktorů: až 52 TJ/kg.
Složení reaktoru:
Pohon svazkové řídící tyče
Víko tlakové nádoby reaktoru
Vývody vnitroreaktorového měření
Ochranná trubka svazkové tyče
Palivové kazety
Plášť aktivní zóny
Tlaková nádoba reaktoru
Poznámky:
Moderátor je materiál účinně zpomalující neutrony. Nejlépe
zpomalují neutrony prvky,
jejichž hmotnost jádra je
srovnatelná s hmotností neutronu - tedy lehká jádra.
Výborným moderátorem je
vodík, a tedy i voda, protože v jedné molekule vody
jsou obsaženy 2 atomy vodíku a 1 atom kyslíku. Výborným moderátorem je
rovněž těžká voda, grafit a
berylium. Jiné lehké prvky
se nepoužívají, protože neutrony nejen zpomalují, ale i pohlcují.
Reaktor VVER
Primární (první) okruh slouží k přenosu tepelné energie z aktivní
zóny do parogenerátoru.
V parním generátoru se předává teplo sekundárnímu (druhému)
okruhu. Jedná se o uzavřený systém, který brání úniku radioaktivity
vně tohoto systému. Primární okruh tvoří reaktor, potrubní systémy k
cirkulaci vody, parogenerátor, kompenzátor objemu a cirkulační čerpadla.
Sekundární (druhý) okruh slouží k transportu páry a k přeměně její vnitřní energie na točivý pohyb turbíny. Základní části sekundárního
okruhu tvoří: sekundární část parogenerátoru, potrubní systémy
sekundárního okruhu, turbogenerátor, kondenzátor a čerpadla. Jde,
stejně jako u primárního okruhu, o uzavřený systém bránící případnému úniku radioaktivity.
Poznámky:
Vodní elektrárny
Podle výše spádu se dělí na:
• nízkotlaké - do výše spádu 25 m bez přívodního potrubí
• středotlaké - výše spádu 25 až 100 m s přívodním potrubím
• vysokotlaké - výše spádu nad 100 m.
Vodní turbína je lopatkový vodní motor měnící vodní energii na
mechanickou práci na hřídeli. Vodní turbína se skládá z rozváděcího
ústrojí (rozváděcího kola, dýzy) usměrňujícího průtok vody a z oběžného kola, které vodě odebírá energii. U přetlakových vodních turbín
je navíc sací potrubí, které vodu ze stroje odvádí . Maximální zaručený průtok vody vodní turbínou při určitém spádu se nazývá hltnost.
Rozdělení turbín:
• Podle přeměny energie: rovnotlaková (Bánkiho,
Peltonova turbína); přetlaková (Francisova, Kaplanova
turbína)
• Podle průtoku vody oběžným kolem: axiální; tangenciální
• Podle polohy hřídele: horizontální; vertikální; šikmé.
Poznámky:
Kaplanova turbína
Přetlaková turbína (tlak před oběžným kolem je větší než za oběžným kolem). V základním provedení je výborně regulovatelná natáčením lopatek. Přestože je výrobně náročná, patří u nás mezi nejrozšířenější turbíny. Používá se pro velké průtoky a malé spády, max. asi do
70 m.
Francisova turbína
Přetlaková vodní turbína (tlak před oběžným kolem je vyšší než za oběžným kolem).
Reguluje se natáčením lopatek rozváděcího
kola, lopatky oběžného kola jsou pevné. Je
vhodná pro malé, střední i vysoké spády a patří
mezi nejrozšířenější turbíny.
Spád:
30 až 400 m, malé turbíny: od 10 m
Rozsah výkonu:
desítky až stovky MW
Účinnost velkých strojů:
přes 90 %
Výrobce:
ČKD Blansko, Turbo Technics
Peltonova turbína
Tlak vody před oběžným kolem rovnotlaké
turbíny je stejný jako za oběžným kolem.
Oběžné kolo takové turbíny musí být umístěno
nad spodní hladinou, aby nebrodilo. Tím vzniká určitá ztráta spádu, která je však pro turbíny
pracující s vysokým spádem zanedbatelná.
Typickou rovnotlakou turbínou je Peltonova
turbína. Hranice pro použití velkých rovnotlakých turbín: nad 400 m.
Rovnotlaková vodní turbína s tečným
ostřikem oběžného kola pro velké spády. Rozvaděčem je dýza
na přívodním potrubí, z níž voda
vystupuje kruhovitým paprskem
a dopadá na miskovité lopatky
oběžného kola. Podle průtoku
jsou Peltonovy turbíny s jednou, dvěma a třemi dýzami (vodorovné)
nebo až se šesti dýzami (svislé).
Poznámky:
Poznámky:
Průtoková vodní elektrárna
Pracuje bez akumulace a využívá
množství vody protékající řečištěm
až do úplné hltnosti vodních turbín,
na něž je elektrárna dimenzována.
Zbytek průtoku nad využitelnou mez
přepadá jalově přes jez. Průtočné
vodní elektrárny pracují v základní
části denního elektrického zatížení.
U derivační vodní elektrárny je hydroenergetický spád vytvořený převážně derivačním kanálem. Nejnižší
hodnoty spádu v derivačních elektrárnách bývají okolo 10 m, nejvyšší
200 m a víc.
Přečerpávací vodní elektrárny
Přečerpávací vodní elektrárny využívají přebytku elektrické energie v
době nízké spotřeby (v noci) k načerpání vody do umělé akumulační
nádrže. Ve špičce pak tato voda slouží k produkci elektřiny. Reverzní
soustrojí pracuje v jednom směru jako turbogenerátor a produkuje
elektřinu, v druhém směru pracuje jako motor - čerpadlo.
Fotavoltaické články
Fotovoltaické články slouží k přímé přeměně energie světelného záření. V principu jde o tenké destičky z monokrystalických,
polykrystalických či amorfních polovodičů, nejčastěji s přechodem PN. Fotony slunečního záření jsou absorbovány ve vrstvě polovodiče,
kde vytvářejí páry elektron-díra. Vnitřní elektrické pole náboje (viz
heslo elektrický náboj) opačných znamének rozdělí a vyvolá
stejnosměrný elektrický proud.
Sluneční kolektor zachycuje sluneční záření a předává absorbované teplo látce cirkulující v uzavřeném okruhu. Typickým slunečním kolektorem používaným v našich zeměpisných šířkách je černá
kovová nebo plastová deska, pohlcující sluneční záření (absorbér).
Teplo se odvádí soustavou trubek s teplonosnou látkou.
Větrná elektrárna
Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému
povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí
atmosféry. Větrné elektrárny využívají tento druh energie k její přeměně na elektrickou energii.
Poznámky:
Poznámky:
Osvětlení
Umělé osvětlení se nepodílí na celkové spotřebě energie tak výrazně jako vytápění a příprava teplé užitkové vody, představuje zhruba
1 % z celkové spotřeby energie. Přesto je vhodné věnovat energeticky
úspornému osvětlení pozornost, protože z celkové spotřeby elektrické
energie připadá na osvětlení asi 8 až 10 %.
Při realizaci umělého osvětlení je nutné dodržovat předepsané hygienické a bezpečnostní požadavky. Při volbě osvětlení musí být zohledněn účel, ke kterému bude osvětlení používáno, podmínky v jakých
bude osvětlení instalováno, atd.
Pro návrh osvětlení platí tato obecná kriteria:
• dostatečná úroveň osvětlení,
• přiměřené rozložení jasů ploch v zorném poli,
• výhodný převažující směr osvětlení a stínivost,
• omezení oslnění,
• vhodné spektrální složení světla a přiměřené podání barev.
Druh práce, místnost
Osvětlení [lx]
Pro všeobecnou orientaci (chodby, schody, WC, před20 až 40
síň, kotelna atd.)
Pro hrubou práci (sklady, nakládání, doprava, expe40 až 100
dice, umývárny, kuchyně, atd.)
Pro střední práci (čtení a psaní, zámečnické práce,
100 až 300
obráběcí stroje atd.)
Pro jemnou práci (šití, jemná mechanika, výroba
200 až 700
přístrojů, rýsování atd.)
Faktory, ovlivňující hospodárnost umělého osvětlení
• světelné zdroje a jejich vlastnosti (měrný výkon, životnost, atd.),
• vlastnosti příslušenství,
• volba svítidla a jejich vlastnosti, např. účinnost,
• způsob osvětlení (přímé, nepřímé, smíšené, atd.),
• vlastnosti osvětlovací soustavy,
• způsob ovládání jednotlivých svítidel a jejich skupin,
• způsob regulace osvětlení,
• údržba osvětlovací soustavy a ostatních prvků.
Poznámky:
Třídění svítidel podle rozdělení světelného toku
Třída
toku
rozložení
svět. Svítidlo
Rozdělení světelného toku v % toku svítidla
do dolního poloprosto- do horního poloprostoru
ru
I
přímé
nad 80
do 20
II
převážně přímé
60 až 80
40 až 20
III
smíšené
40 až 60
60 až 40
IV
převážně nepří- 20 až 40
mé
80 až 60
V
nepřímé
nad 80
do 20
Osvětlovací soustavy
Je to soubor svítidel se světelnými zdroji, příslušenstvím, elektrickým rozvodem a ovládacími prvky. Jejím úkolem je zajištění vyhovujícího osvětlení prostorů tak, aby plně odpovídalo funkci těchto prostorů.
Volba vhodné osvětlovací soustavy má vliv na zrakovou pohodu a
z toho vyplývající zrakový výkon. Výrazně ovlivňuje energetické a
ekonomické faktory.
e vnitřních prostorách, které jsou funkčně diferencované
s různými nároky na osvětlení, je vhodné instalovat osvětlení odstupňované nebo kombinované. Tím se docílí nejen lepší kvalita světelné
pohody a osvětlení, ale i úspory energie.
Energetická účinnost osvětlovací soustavy
Zjednodušeně ji můžeme charakterizovat jako poměrný elektrický
příkon na jednotku plochy osvětlovaného prostoru, který je potřeba
pro dosažení měrné osvětlenosti 100 luxů.
P = (P × 100)/A × Epk
P – celkový elektrický příkon [W]
A – plocha posuzovaného prostoru [m2]
Epk - je místně průměrná a časově minimální osvětlenost [lx]
Poznámky:
Je proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen fyzické, ale i duševní řídící činnosti lidí.
Důvody automatizace
Vynucená automatizace
Potřebujeme vyřadit člověka z procesu, protože:
• jeho přítomnost pro něho představuje smrtelné nebezpečí
(manipulace s radioaktivními látkami, odstraňování min atd.),
• jeho činnost je příčinou chyb jejichž následky jsou značně nepříznivé a vedou k velkým ekonomickým ztrátám i k ztrátám
na životech (navigace letadel a lodí, zabezpečovací fce),
• jeho přímá účast mu způsobuje fyzickou únavu nebo nepříjemný pocit (vlhko, teplo, vibrace, hluk, prach atd.),
• není schopen vykonávat potřebnou činnost z hlediska rychlosti, přesnosti, rozsahu (řízení štěpné reakce, řízení raket atd.),
• automatické řízení vykoná úkony z vyšší jakostí než člověk
(nanášení barvy na auto),
• člověk nemůže být přítomen potřebné činnosti (kosmické
sondy, snímací hlava CD, stimulátor srdce),
• si nemůžeme dovolit vynaložit tolik lidské práce (spojování
hovorů, počítání osob – turnikety, nápojové automaty).
Ekonomické důvody
• Snížení výrobních nákladů – (přímé) náklady vypočítají se
přesně na výrobek.
• Snížení režijních nákladů, (zahrnují režijní položky - mzdy,
energii, spotřeba vody, apod.) musí se vypočítat nepřímo rozpočítáním z celku.
• Zvýšení produktivity práce a objemu výroby.
• Zkrácení vývoje, výroby a sledování výrobku během užívání,
z toho vyplývá konkurenční výhoda.
• Možnost individuální výroby.
• Automatické zařízení použité ve výrobku mu dodává užitečné
funkční vlastnosti – výhoda pro zákazníky.
• Nadstandartní jakost.
Jiné důvody :
• Prestiž firmy.
• Větší pohodlí.
• Větší informovanost.
Očekávání od automatizace
Výchozí situace: nedostatek know-how a konjunktura. Stejně, jako je
tomu i v jiných „nových“ oborech lidské činnosti, existovala v souvislosti se zaváděním automatizovaných systémů řada očekávání.
Použijeme-li opět jistého zjednodušení, dá se říci, že tato očekávání
plynula do značné míry z nedostatečného automatizačního know-how
všech zúčastněných subjektů a z počáteční konjunktury tohoto mimořádně dynamického technického oboru, ke které u nás, v porovnání s
vyspělejšími zeměmi, došlo navíc se značným zpožděním.
Automatizační prostředky
Rozdělení prostředků
Podle vztahu k informaci:
Prostředky na získávání, transformaci, přenos, zpracování, uchování a
využití informace.
• Prostředky na získávání informací jsou čidla a senzory. Jejich
smysl spočívá v tom, že nám převedou určitý fyzikální nebo
chemický stav na veličinu snadno pozorovatelnou, přenositelnou a zpracovatelnou. Prostředky pro transformaci jsou zde
zařazeny také, neboť většinou tvoří konstrukční součást zařízení na získávání informace.
• Prostředky pro přenos informace souvisí s druhem energie,
který je pro přenos informace použito i se způsobem modulace signálu.
Snímače polohy
Odporové snímače
Jsou jednou z nejprimitivnějších a patrně nejrozšířenějších zařízení ke
snímání polohy.
Snímače spojité – jsou ty, které poskytují informaci o poloze měřeného předmětu nepřerušovaně.
Snímače nespojité – jsou ty, u nichž zaznamenáváme polohu pouze po
krocích, typickým příkladem budiž poloha výtahové kabiny.
Mezi spojité snímače patří především potenciometry. Měřený
předmět je mechanicky spojen s
jezdcem potenciometru. Při pohybu předmětu se mění odpor na
výstupu a dle jeho hodnoty můžeme okamžitě zjistit pozici předmětu. Rozeznáváme několik charakteristik potenciometru: 1. dráha – může být lineární či profilová 2.
materiál odporové dráhy (vrstvové, drátové, uhlíkové atd.)
Poznámky:
Poznámky:
Nespojité snímače se dělí na
magnetické a mechanické.
Mezi mechanické patří například rtuťový spínač (lidově řečeno „prasátko“) –
obrázek 2A. Jedná se o skleněnou nádržku s třemi vyvedenými elektrodami. Nádržka je připevněna na kloubu.
Měřený předmět svým pohybem spínač pootočí nahoru či dolu, podle
toho se také přelije vodivá rtuť, tedy spojí buď levou-střední nebo
střední-pravou elektrodu. Výhodou rtuťového spínače je to, že při
spínání nevzniká elektrický oblouk.
Jako zástupce magnetických odporových nespojitých snímačů jmenujme např. jazýčkové relé (obrázek 2B). Jedná se o podlouhlou skleněnou nádobku naplněnou inertním plynem a obsahující 2 pásky s
magneticky měkkého materiálu, které se nedotýkají.
Indukčnostní snímače
Základní myšlenkou je využití vztahů platících v magnetickém obvodu(obrázek 3A).
Tedy změna polohy
měřeného předmětu
se projeví na změně
vlastní či vzájemné
indukčnosti. Vytvoříme-li
jednoduchý
magnetický obvod, jehož jedna část bude spojena s měřeným předmětem, pohybem této části se bude měnit vlastní indukčnost cívky vyvolávající tok. Při měření vhodných vzdáleností se uchová víceméně
lineární průběh výsledné charakteristiky.
Indukční snímače
Jsou zvláštním případem snímačů polohy, protože nevyžadují přísun
elektrické energie, ale při vlastním měření polohy se energie generuje.
Princip vychází z Faradayova zákona, který hovoří o tom, že na svorkách cívky v jejímž poli se pohybuje těleso z feromagnetického materiálu vzniká energie. Měřený předmět musí být tedy spojen s permanentním magnetem. Při průchodu magnetu polem cívky je tak generovám poulz, který je dále použit. Nevýhodou je skutečnost, že pulz
nastane pouze tehdy, má-li magnet dostatečnou rychlost (zákon hovoří
o velikosti změny polohy za jednotku času). Čím je rychlost vyšší, tím
je vyšší velikost generovaného napětí.
Kapacitní snímače
Mají tu vlastnost, že dokáží měřit polohu velice přesně, avšak
pouze na malou vzdálenost. Měřený předmět je spojen s jednou elektrodou kondenzátoru, druhá elektroda je pevná (obrázek 3B). Dielektrikem je v našem případě vzduch (dá se samozřejmě zkombinovat s
jiným dielektrikem, které se nanese na jednu z elektrod – záleží na
aplikaci). I při malém pohybu měřeného předmětu je změna kapacity
tohoto kondenzátoru dostatečně velká. Snímače však neměří kvůli
obtížnosti přímo kapacitu, ale ta je připojena k oscilátoru a měří se
frekvence (přenosová charakteristika je lineární).
Optické snímače
LED diodou generované světelné paprsky se ostří na čočce a jsou
vysílány po ose dál (obrázek 4A, MP=měřený předmět). Osa přijímače světelných vln (nejčastěji fotodioda) je vzhledem k ose vysílače
pootočena o úhel. Pokud se měřený předmět dostane do místa, kde se
obě osy kříží, začnou se emitované paprsky odrážet do přijímače a
fotodioda se dostane do propustného režimu.
Ultrazvukové snímače
Základním principem je ultrazvukový vysílač a přijímač Vysílač generuje zvukové vlny o určité frekvenci a vysílá je po své ose(obrázek
4B). Vlny se odrážejí od měřeného předmětu zpět do přijímače. Řídící
obvod poté spočítá vzdálenost na základě diference doby, po kterou
vyslané vlny putovaly od vysílače k přijímači
Poznámky:
Měření teploty
Poznámky:
Teplota je jednou z nejdůležitějších veličin ovlivňující téměř
všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty ϑ měříme obecně jinou veličinu A, která je na teplotě závislá podle určitého vztahu A = f(ϑ), který jsme schopni vyčíslit.
Přehled teploměrů
skupina
teploměrů
typ teploměru
fyzikální
princip
teplotní rozsah (°C)
dilatační
teploměry
plynový
změna tlaku
-5
změna
tenze -40
par
kapalinový
změna objemu -200
délková
roz- 0
kovový
tažnost
elektrické
termoelektrický -200
termoelektrické
teploměry
jev
změna
elekodporové
trického odpo- -250
kovové
ru
odporové
změna praho- -200
polovodičové,
vého napětí
diodové
speciální
keramické
bod měknutí +600
teploměry žároměrky
teploměrná
bod tání
+100
tělíska
teploměrné
změna barvy +40
barvy
zachycení
bezdotykové širokopásmové veškerého
-40
teploměry pyrometry
teplotního
záření
zachycení
monokrystalické úzkého svazku +100
pyrometry
teplotního
záření
srovnání dvou
svazků teplotpoměrové
+700
ního záření o
pyrometry
různých vlnových délkách
snímání teplot-30
termovize
ního
obrazu
tělesa
tenzní
+500
+400
+750
+900
+1700
+1000
+400
+2000
+1300
+1350
+5000
+3000
+2000
+1200
Teploměry dilatační
Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti
plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky.
Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je
přímo úměrný teplotě
tab.rovnice
(4.17)
Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového
tvaru o objemu 100 až 500 cm3), dále ze spojovací kapiláry a měřicího
ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je
dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C.
Teploměry tenzí
Využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v
soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze
par na teplotě je možno popsat rovnicí
,kde A, B, C jsou konstanty charakteristické pro danou látku.
Tenzní teploměr se skládá
z jímky, spojovací kapiláry
a tlakoměrného ústrojí.
Čidlem je jímka - banička
malého objemu, do které
zasahuje až ke dnu spojovací kapilára Banička je
zaplněna kapalinou jen
zčásti, prostor kapiláry a
deformačního
tlakoměru
jsou zcela vyplněny kapalinou. Množství náplně
v baničce je odměřeno tak, že při vzrůstu teploty k maximální hodnotě
se vypaří všechna kapalina, tlak již dále neroste exponenciálně, ale
pouze lineárně a nedojde k poškození tlakoměru
Poznámky:
Teploměry kapalinové
Jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou.
Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně
z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový
a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až
200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má
vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci
deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou
platí
, kde je Vϑ , V0 objem kapaliny při teplotách
ϑ resp. 0 °C, β teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se
v rozmezí 1.10-4 K-1 až 16.10-4 K-1).
Teploměry založené na roztažnosti pevných látek využívají různé
délkové roztažnosti pevných látek, nejčastěji kovů. V praxi se využívá
bimetalických teploměrů, které jsou tvořeny dvojicí pevně spojených
kovových pásků s rozdílným teplotním součinitelem roztažnosti. Při
zvýšení teploty se pásek prohne na stranu materiálu s nižším součinitelem roztažnosti. Bimetalický pásek je na jednom konci pevně uchycen, pohyb volného konce může být převeden na ukazovatel nebo
přímo ovládá spínač. pro dvoupolohovou regulaci teploty.
Termoelektrické teploměry
Termoelektrické teploměry využívají k měření
teploty termoelektrických článků. Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů A a B, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny (obr. 4.28). Jestliže
teplota ϑm jednoho spoje bude různá od teploty
ϑo druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí
a obvodem prochází termoelektrický proud.
V zjednodušené formě můžeme závislost termoelektrického napětí na teplotě vyjádřit lineárním
,
vztahem
kde αAB je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž
platí, že αAB = - αBA
Poznámky:
Odporové teploměry
Kovové odporové teploměry
Elektrický odpor kovových vodičů vzrůstá s teplotou. Pro čisté kovy je možno závislost vyjádřit polynomem
Pro realizaci odporových teploměrů se používají především čisté kovy, jejichž teplotní součinitel má být stálý a pokud možno co největší.
Používanými materiály jsou platina, nikl a
α.10-3 meze použití
materiál
[K-1] [oC]
měď, jejichž teplotní součinitele a meze
3,85 Pt
-200 až 850
použití jsou uvedeny v tab. 4.3.
3,93
Nejčastěji používaným materiálem
6,17 Ni
-60 až 200
6,70
je platina, poněvadž může být vyrobena ve
4,26 -50 až 150
standardně čistém stavu a je fyzikálně i Cu
4,33
chemicky stálá. Nikl má výhodu vyšší citlivosti, je však méně stálý a obtížně se vyrábí ve standardní čistotě.
Používá se v teplotním rozmezí od -60 ºC jen do 200 ºC, protože při
vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace, provázené
i změnou teplotního součinitele. Použití mědi je omezeno z důvodů
snadné oxidovatelnosti a malého měrného odporu.
Polovodičové odporové teploměry
Polovodičové senzory teploty podobně jako kovové využívají
závislosti odporu na teplotě. Mezi polovodičové odporové teploměry
řadíme NTC-termistory, PTC-termistory a monokrystalické senzory
teploty.
NTC-termistory (negastory) jsou vyráběny spékáním oxidů Fe2O3,
TiO2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO a dalších. Závislost odporu na teplotě je nelineární a odpor s teplotou klesá podle vztahu
kde jsou Ro , R odpory termistoru při teplotě To resp. T, B veličina
úměrná aktivační energii.
Poznámky:
Diodové senzory teploty a integrované senzory teploty
Diodové senzory teploty využívají změn vlastností PN přechodu s teplotou. Pro jejich realizaci se používá germaniových či
křemíkových diod nebo tranzistoru. Germaniové snímače jsou vhodné
pro měření nízkých teplot (-190 ºC i nižších). Křemíkové diody jsou
vhodné pro měření v rozmezí -50 až +150 ºC (případně -150 až
+300 ºC). Prahové napětí diody se mění přibližně o 2 mV/K a závislost je lineární v oblasti 15 až 45 ºC s přesností 0,03 %, v celém měřicím rozsahu pak s přesností 0,5 %. Diodová čidla mají velmi příznivé
dynamické vlastnosti. Časové konstanty se pohybují v jednotkách či
desetinách sekundy. Dále vykazují tato čidla velmi dobrou časovou
stálost.
Pro dostatečně malý a konstantní proud I platí:
pro křemíkovou diodu k = -2,1 mV/K při UA = 0,65 V při 20 ºC.
U integrovaných monolitických PN-senzorů teploty tvoří vlastní senzor (PN-přechod) a elektronický převodník jediný monolitický obvod.
Tyto obvody se vyrábějí v konfiguraci s napěťovým či proudovým
výstupem. Výstup je lineární funkcí teploty - typicky 1 µV/K. Hlavní
předností je lineární výstup v závislosti na teplotě.
Diodových a integrovaných senzorů se často využívá k měření a následné kompenzaci vlivu teploty na výstupní signál u inteligentních
převodníků pro monitorování různých technologických veličin.
Poznámky:
Poznámky:
Porovnání elektrických teploměrů
Integrovaný
senzor
Termočlánek
Kovový teploměr
Termistor
VÝHODY
•aktivní snímač
•jednoduchý
• levný
•odolný
•široce použitelný
•široký teplotní
rozsah
•vysoká stabilita
•vysoká přesnost
•lepší linearita než
• u termočlánku
•vysoká citlivost
•rychlá odezva
•dvouvodičové
zapojení
•lineární výstup
•vysoká citlivost
• nízká cena
NEVÝHODY
•nelineární
•nízká úroveň
signálu
•potřeba referenčního signálu
• nízká citlivost
• nízká stabilita
•poměrně vysoká
cena
•potřeba stabilizovaného napájecího
zdroje
•malá
změna
odporu
•nízká
hodnota
odporu
•
zahřívání
proudem
•nelineární
•omezený teplotní
rozsah
•křehký
•potřeba stabilizovaného napěťového zdroje
•zahřívání proudem
•potřeba napájení
•pomalý
•zahřívání proudem
•omezené použití
Bezdotykové teploměry
Bezdotykové teploměry doznaly v poslední době značného
pokroku a rozšíření díky pokroku v elektronice a optice. Přístroje byly
původně označovány jako radiační pyrometry nebo radiační teploměry, nyní často jako IČ-teploměry. Radiační pyrometry nacházely původně uplatnění v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba
měřit vysoké teploty často v malém prostoru, kde nebylo možno použít dotykový teploměr. Jednalo se zejména o aplikace v metalurgii,
chemickém a zejména silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny,
vápenky, keramický průmysl). V průběhu posledních let se aplikace
IČ-teploměrů posunula k nižším teplotám, včetně měření teplot nižších než 0 ºC, takže se s nimi setkáváme v potravinářství, elektronice,
průmyslu papírenském, farmaceutickém, textilním, gumárenském, při
zpracování plastických hmot apod. Přenosné IČ-teploměry nacházejí
široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontrole
potrubních systémů, nádrží apod.
Měření tlaku
Poznámky:
Tlak vyjadřuje plošný účinek síly a je určen diferenciálním
podílem síly a plochy k ní kolmé
Hlavní jednotkou tlaku je pascal (Pa). Je to tlak, který vyvolá
síla jednoho newtonu rovnoměrně rozložená na ploše 1 m2, kolmé ke
směru síly.
Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly. Přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku pb . Normální barometrický tlak je podle konvence tlak pN = 1,01325.105 Pa.
U proudících kapalin a plynů přistupuje k tlaku statickému ps ještě
tlak dynamický pd. Pro celkový tlak pc a pro dynamický tlak pd platí
, kde je v rychlost proudícího média (m
s ), ρ hustota (kg m ).
Statický tlak má charakter skaláru, dynamický tlak je vektorem, u něhož orientace směru je totožná s vektorem rychlosti proudění.
Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Tlakoměry
na měření přetlaků se označují zpravidla jako manometry, na měření
podtlaků jako vakuometry a na měření tlakových rozdílů jako diferenční tlakoměry. Přístroje určené pro měření barometrického tlaku se
označují jako barometry.
Pro měření tlaku se využívá různých fyzikálních principů, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Technické
tlakoměry můžeme rozdělit podle principu na tlakoměry hydrostatické, deformační, pístové a elektrické.
-1
-3
Hydrostatické tlakoměry
Princip činnosti je založen na účinku hydrostatického tlaku, který
vyvozuje sloupec kapaliny o výšce h a hustotě ρ
Mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h a měření tlaku je tak
převedeno na měření délek. Protože hustota kapaliny je funkcí teploty,
je i údaj hydrostatického tlakoměru závislý na teplotě. Jako tlakoměrné kapaliny se používá nejčastěji rtuti, vody, příp. alkoholu či
tetrachloru. Délka trubic bývá maximálně 1,5 m, a tím je dán i rozsah
měření tj. např. 0,2 MPa pro rtuť, nebo 15 kPa pro vodu.
Hydrostatické tlakoměry jsou většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané zejména k laboratorním účelům, jejich nevýhodou je skutečnost, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos
a pro další zpracování v řídicích obvodech.
Deformační tlakoměry
Princip funkce deformačních tlakoměrů je založen na pružné deformaci, a tím i na změně geometrického tvaru vhodných tlakoměrných
prvků, vlivem působení měřeného tlaku. Nejčastěji používanými deformačními prvky jsou Bourdonova trubice, membrána, krabice
a vlnovec. Deformační prvky se zhotovují z uhlíkových a niklových
ocelí, z mosazi, z fosforového a beryliového bronzu a dalších vhodných slitin.
a) Bourdonova trubice b) membrána
c) krabice
d) vlnovec
Membránové tlakoměry používají jako tlakoměrného elementu kovové membrány kruhového tvaru zvlněné soustředěnými kruhy.
Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami a z jedné strany je přiváděn měřený tlak. Ten vyvolá průhyb membrány, který se přenáší na
ukazatel. Závislost zdvihu na tlaku je přibližně lineární.
Výhodou membránových tlakoměrů jsou malé setrvačné hmoty systému. Takové snímače jsou vhodné pro měření velmi rychle
pulsujících tlaků. Membrána snímače je velmi tenká, má malý průměr
a její deformace jsou snímány elektricky (např. kapacitně, indukčně či
piezoelektricky).
Krabicové tlakoměry se používají pro měření malých přetlaků,
podtlaků či tlakových diferencí. Měřicím prvkem je krabice tvořená
dvěma zvlněnými membránami o průměru 50 až 100 mm. Deformace
se přenáší pákovým převodem na ukazovatel. Měřicí rozsah bývá
10 Pa až 1 000 Pa. Pro zvýšení citlivosti se spojuje několik krabic v
jeden konstrukční celek.
Tlakoměrné krabice se používá i v přístroji sloužícím pro měření barometrického tlaku, v tzv. aneroidu. V tomto případě je prostor
krabice neprodyšně uzavřen, evakuován a měřený barometrický tlak
působí na krabici zvnějšku.
Poznámky:
Vlnovcové tlakoměry se používají pro
měření přetlaků a tlakových diferencí do
0,4 MPa. Tlakoměrným prvkem je tenkostěnný kovový měch - vlnovec, který je
umístěn v pouzdře, do něhož je přiváděn
měřený tlak. Deformace vlnovce se přenáší
táhlem na ukazovatel. Odolnost proti deformaci (tuhost vlnovce) lze snadno zvětšit
vložením pružiny. Dojde tak úpravě charakteristiky a měřicího rozsahu tlakoměru.
V případě měření tlakové diference se
větší tlak přivádí do pouzdra, menší do vlnovce.
Tlakoměry elektrické
Do této skupiny jsou zařazeny takové snímače tlaku, které poskytují elektrický výstupní signál. Jedná se vesměs o moderní a perspektivní snímače doplněné moderními elektronickými vyhodnocovacími obvody.
Snímače s odporovými tenzometry
Odporový tenzometr je odporový senzor, u něhož se využívá
tzv. piezorezistivního jevu. Při mechanickém namáhání v oblasti
pružných deformací dochází u kovových vodičů nebo polovodičů ke
změnám jejich elektrického odporu. Pružnými deformacemi rozumíme takové síly, které působí v mezích platnosti Hookova zákona a
jsou zpravidla vyvolány tlakem nebo tahem. Při deformaci vodičů a
polovodičů dochází ke změnám geometrických rozměrů a ke změnám
krystalografické orientace, které vedou ke změně odporu.
Princip odporového tenzometrického snímače si ukážeme
na deformaci odporového drátku o
délce l, průřezu S (průměru d) a
měrném odporu ρ, který je podroben účinku síly F tak, že se prodlouží o délku ∆l .
Odporových tenzometrů se používá k měření malých i velkých deformací, mechanických napětí, sil, momentů, namáhání a ostatních veličin, které můžeme převést na výše uvedené veličiny. Tenzometrů je
tedy možno využít např. pro měření tlaku ve spojení s deformačními
manometry nebo pro měření výšky hladiny a měření množství na základě tíhových účinků. Pro zjišťování směru měřeného mechanického
napětí se používá více jednoduchých snímačů vzájemně úhlově pootočených.
Poznámky:
Piezoelektrické snímače tlaku
Při působení mechanických deformací dochází u některých
druhů krystalů ke vzniku elektrického náboje. Tento děj je reciproký;
přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Uvedené vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a
olovnatý, některé makromolekulární látky a jiné. V praxi se nejčastěji
využívá vlastností SiO2 a BaTiO3.
Piezoelektrický modul křemene má poměrně malou hodnotu,
avšak předností křemene je lineární statická charakteristika, nepatrná
závislost piezoelektrické konstanty na teplotě, velký měřicí rozsah,
který je dán mechanickou pevností krystalu a široké teplotní rozmezí
(maximálně do 550 ˚C).
Kapacitní snímače tlaku
Základem kapacitního snímače je dvou nebo víceelektrodový
systém, jehož parametry
se mění v důsledku působení měřené neelektrické veličiny.
Pro měření tlaku se využívá
kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně vzdálenosti mezi deskami. Např. jedna elektroda kondenzátoru je pevná a druhá je tvořena
membránou, jež mění svou polohu v
důsledku působení měřeného tlaku.
Poznámky:
Měření výšky hladiny
Přístroje pro měření stavu hladiny můžeme rozdělit do tří hlavních
skupin:
• stavoznaky mechanické,
• stavoznaky hydrostatické,
• stavoznaky elektrické.
Mechanické hladinoměry
Pro otevřené nádrže se používají plovákové hladinoměry. Pohyb plováku, který plave na hladině měřené kapaliny, je vyveden z
nádrže přes kladku lankem nebo řetízkem, obvykle ve spojení
s protizávažím. Plovák zavěšený na lanku či řetězu je obvykle veden
tak, aby nedocházelo k jeho rozkývání při neklidné hladině. Výška
hladiny, tj. poloha plováku se určuje buď přímo odečtením polohy
protizávaží na podložené stupnici, nebo se převádí na elektrický signál
pomocí převodníku.
Vhodným převodníkem může být odporový vysílač mechanicky spojený např. s kladkou plovákového snímače. Odporový vysílač je speciálně uzpůsobený měřicí potenciometr, u něhož se působením měřené veličiny mění poloha kontaktu (jezdce), který se posouvá
po odporové dráze. Snímače tohoto typu jsou jednoduché a spolehlivé.
Musí být dokonale mechanicky provedeny, aby vykazovaly malý třecí
moment a dlouhou životnost.
Plovákové hladinoměry
Poznámky:
Hydrostatické hladinoměry
Výška hladiny h se vyhodnocuje z hydrostatického tlaku p sloupce
kapaliny v nádrži.
Elektrické hladinoměry
V této skupině přístrojů uvedeme hladinoměry využívající
změn kapacity a odporu, dále pak hladinoměry ultrazvukové, radarové
a izotopové.
Kapacitní hladinoměry
Kapacitní hladinoměry převádějí měření hladiny na měření
kapacity. Těchto snímačů se používá jak ke kontinuálnímu měření, tak
i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot. Konstrukce snímače závisí jednak na vlastnostech měřeného média, jednak na tvaru nádoby. U kapalin elektricky nevodivých se využívá
kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně dielektrika.
K vyhodnocení změn kapacity se používá metody přímé, substituční,
rezonanční anebo některého můstkového zapojení. S měřicím obvodem se kapacitní snímač, který má obvykle velkou impedanci, spojuje
speciálním měřicím kabelem. U současně vyráběných snímačů bývají
elektronické vyhodnocovací obvody zabudovány přímo v připojovací
hlavici snímače. Snímač pak poskytuje analogový nebo číslicový signál vhodný pro dálkový přenos a další zpracování.
Poznámky:
Vodivostní hladinoměry
Vodivostní hladinoměry jsou tvořeny elektrodami umístěnými
v nádrži s vodivou kapalinou. Měří se změna elektrického odporu
(resp. vodivosti) se změnou výšky hladiny. Přesnost je silně závislá na
změnách složení, vodivosti i teplotě média. Vodivostních snímačů se
používá zejména k signalizaci mezních stavů a k dvoupolohové regulaci.
Ultrazvukové hladinoměry
Princip ultrazvukových hladinoměrů je založen na měření
dráhy ultrazvukového impulsu mezi vysílačem a přijímačem. Nejčastěji se měří tak, že se ultrazvukový impuls odráží od fázového rozhraní a měření délky dráhy se převádí na měření času.. Senzor stavu hladiny tvoří:
• generátor a vysílač ultrazvukového signálu
• přijímač ultrazvuku a zesilovač signálu
• elektronické vyhodnocovací zařízení
Údaj ultrazvukového hladinoměru je ovlivňován hustotou a
teplotou prostředí, přítomností míchadla, tvarem a kvalitou povrchu
vého rozhraní, přítomností pěnyfázového
i činnostírozhraní,
míchadla.
přítomností
Poněvadžpěny
rych-i
lost ultrazvuku závisí na hustotě a tedy i na teplotě prostředí, bývají
přesné ultrazvukové hladinoměry vybaveny příslušným korekčním
obvodem.
Poznámky:
Radarové hladinoměry
Radarové snímače hladiny
využívají podobný princip jako ultrazvukové hladinoměry. V tomto
případě nejde o akustický signál, ale
o elektromagnetické vlnění (mikrovlnné záření), které se šíří prostředím rychlostí světla. Měří se čas
potřebný k průchodu elektromagnetických vln z vysílače k hladině a
zpět k přijímači.
Elektromagnetické záření o frekvenci kolem 10 GHz je směrováno do
prostoru pomocí antény. Vyslaná vlna se na fázovém rozhraní částečně odrazí zpět k vysílači a částečně dále prochází do druhého prostředí. Z časového údaje mezi vyslanou a přijatou vlnou se stanoví výška
hladiny
Izotopové hladinoměry
Izotopové hladinoměry využívají skutečnosti, že intenzita radioaktivního záření klesá úměrně s tloušťkou vrstvy materiálu mezi
zářičem a detektorem. Jejich nevýhodou je nutnost ochrany obsluhy
před účinky radioaktivního ozáření. Aplikace těchto přístrojů přichází
proto v úvahu tehdy, když není možno užít jiných metod, tj. např. při
měření látek silně agresivních, viskózních, při extrémně vysokých
tlacích a teplotách. Radioaktivní zářič 1 je uložen v ochranném pouzdru ve spodní části pomocné trubky 2, propojené s nádrží. V horní části
trubky je umístěn detektor 3. Jako zdrojů gama-záření se používá izotopů s relativně dlouhým poločasem rozpadu (např. Co 60 či Cs 137),
aby nebylo zapotřebí provádět často kalibraci. Gama-paprsky silně
pronikají materiálem, ale nemají schopnost jej aktivovat (vyvolávat
jeho radioaktivitu), a proto je lze používat pro účely měření, a to i
v potravinářském průmyslu. Důležitou předností použití gamapaprsků pro měření hladiny kapalin a sypkých látek je možnost použití
zářiče i přijímače vně stěn zásobníku. Detektorem bývá zpravidla
Geiger-Müllerova trubice nebo scintilační detektor.
Poznámky:
Měření průtoku a proteklého množství
Pro měření průtoku a proteklého množství plynů a kapalin
existuje velké množství rozličných přístrojů, které využívají celé řady
fyzikálních principů. Existence celé řady různých průtokoměrů je
podmíněna tím, že existují velké rozdíly v chemických i fyzikálních
vlastnostech průmyslových tekutin a rovněž se značně odlišují podmínky i účel měření.
Objemová měřidla
Objemová měřidla jsou založena na principu odměřování objemu plynu nebo kapaliny v odměrných prostorách. Můžeme je rozdělit na měřidla s nespojitou funkcí, kde průtok je určen přírůstkem objemu za určitý časový interval a měřidla se spojitou činností. Spojitá
měřidla mají několik odměrných prostorů, které se cyklicky plní a
vyprazdňují tak, aby průtok byl spojitý a měření plynulé. Měřítkem
objemového průtoku je počet cyklů za jednotku času. Přístroje bývají
vybaveny počítadly proteklého množství a používají se především
jako měřidla bilanční a měřidla pro obchodní a odběratelskou síť.
Některé typy objemových měřidel slouží jako etalony pro ověřování
jiných průtokoměrů.
Průtokoměry s měřením tlakové diference
Rychlostní sondy
Rychlostní sondy využívají závislosti dynamického tlaku
proudícího média na rychlosti proudění. Nejjednodušší rychlostní
sondou je Pitotova trubice. Je to trubice zahnutá v pravém úhlu a rovina jejího ústí stojí kolmo k ose proudění. U ústí sondy se zbrzdí rychlost proudění prakticky k nule a veškerá kinetická energie přejde
v energii potenciální. Sonda snímá celkový tlak pc, který je součtem
tlaku statického ps a dynamického pd. Statický tlak se snímá na okraji
potrubí, tj. v jiném místě než se snímá tlak pc, což je hlavní nevýhodou
Pitotovy trubice.
Rychlost proudící tekutiny pak vypočteme
Prandtlova trubice je konstrukčně uzpůsobena tak, že měří tlak pc i
ps v jednom místě. Rychlostních sond se používá k různým krátkodobým měřením a hlavně pak k proměřování rychlostních profilů.
Spodní mez měřené rychlosti rychlostními sondami je dána měřitelností dynamického tlaku. U plynů je to rychlost proudění asi 6 m/s, u
vody asi 0,2 m/s.
Poznámky:
Průřezová měřidla
Princip měření využívá jevů, ke kterým dochází při zúžení
průtočného průřezu. Do potrubí se umístí škrticí orgán zužující průtočnou plochu. Rozdíl statických tlaků, snímaný diferenčním tlakoměrem před a za zúžením, je závislý na velikosti průtoku.
Měření průtoku škrticími orgány patřilo mezi nejčastěji používanou provozní metodou pro měření průtoku kapalin i plynů ve velmi
širokém rozmezí teplot a tlaků. V současné době se často místo průřezových měřidel užívá moderních metod s přímým elektrickým výstupem (např. průtokoměry indukční, ultrazvukové, vírové).
Škrticí orgány můžeme rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou tzv. základní škrticí orgány, pro něž existují natolik zpracované a experimentálně ověřené výpočtové podklady, že pro dané
podmínky měření lze řešit měřidla pouze početně, aniž by bylo nutno
provádět kalibrační měření. Druhou skupinu tvoří speciální škrticí
orgány, které obecně nelze řešit pouze výpočtem, ale obvykle je zapotřebí provést i kalibrační měření.
Kapilární průtokoměr
Kapilární průtokoměr se používá hlavně v laboratoři k měření malých
průtoků. Jako škrticího elementu se využívá kapiláry a rozdíl tlaků se
snímá vhodným diferenčním tlakoměrem. Pro laminární tok kapilárou
platí Hagen-Poiseuillova rovnice
Poznámky:
Kolenový průtokoměr
Kolenový průtokoměr je založen na měření rozdílu tlaků, který vzniká při průtoku tekutiny zakřiveným kanálem. Proudí-li plyn
nebo kapalina kolenem, zabudovaným v přímém úseku potrubí, pak
vlivem působení sil, vyvolaných změnou směru proudu, dochází ke
změně v rozložení rychlostí a statických tlaků v radiálním směru zakřivení. Důsledkem toho je zvýšení tlaku na straně většího oblouku a
snížení tlaku na straně menšího oblouku v porovnání s tlakem v přímé
části potrubí. Tlakový rozdíl mezi určitými body oblouků je funkcí
rychlosti proudících částic a tedy funkcí průtoku. Největší tlakový
rozdíl je v ose souměrnosti kolena, kde se také měří diferenčním tlakoměrem.
Průtokoměry turbinkové a lopatkové
Nejběžnější typy průtokoměrů této skupiny jsou odvozeny od
turbinky, lopatkového nebo šroubového kola, které je uváděno do
otáčivého pohybu silovým účinkem proudící kapaliny. Rychlost otáčení je úměrná střední rychlosti proudění. Závislost frekvence otáčení
na průtoku je popsána Eulerovou turbinovou rovnicí, která vede k
jednoduchému tvaru
Poznámky:
Indukční průtokoměry
Indukční
průtokoměry
jsou založeny na využití
Faradayova zákona o
elektromagnetické indukci při pohybu vodiče v
magnetickém
poli.
U indukčního
snímače
průtoku pohybující se
vodič je představován
elektricky vodivou kapalinou. Permanentní magnet nebo elektromagnet
vytváří magnetické pole,
které prochází potrubím i kapalinou. Úsek potrubí mezi póly magnetu
musí být z neferromagnetického materiálu. Na vnitřním průměru trubky jsou zabudovány, kolmo na směr magnetických siločar, dvě elektrody pro snímání indukovaného napětí
Ultrazvukové průtokoměry
Ultrazvukové průtokoměry můžeme rozdělit do dvou skupin:
• průtokoměry využívající Dopplerova jevu,
• průtokoměry, u nichž se měří doba průchodu ultrazvukového
signálu.
Průtokoměr založený na Dopplerově jevu lze použít v případě, že
proudicí médium obsahuje částice odrážející zvuk, tj. např. pevné
částice či bubliny vzduchu. Bez těchto částic nemůže průtokoměr
tohoto typu pracovat. Průtokoměr se skládá z vysílače a přijímače
ultrazvuku, které jsou připevněny na jedné straně potrubí.
Poznámky:
Průtokoměry, u nichž se vyhodnocuje doba šíření ultrazvukového
signálu, se konstruují nejčastěji v diferenčním zapojení. Ultrazvukový
signál se vysílá jednak ve směru a jednak proti směru proudění.
Ultrazvukové signály jsou vysílány ve formě impulsů a vyhodnocují
se časové rozdíly při průchodu impulsů v obou směrech šíření. V potrubí jsou zabudovány dvě dvojice vysílače a přijímače ultrazvuku.
Vysílač V1 vysílá impulsy ve směru proudění, vysílač V2 proti směru
proudění. Ultrazvukový impuls vyslaný vysílačem V1 se šíří rychlostí
c + v cos α, kde c je rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí a
v je střední rychlost proudicího média. Časový interval mezi vyslá-
ním a příjmem impulsu bude
Pro druhou dvojici vysílače V2 a přijímače P2 bude platit
Pro rozdíl časových intervalů
∆t = t2 - t1
lze odvodit vztah
Poznámky:
Poznámky:
Měření složení
Měření hustoty kapalin
Hustoměry na principu vážení určitého objemu kapaliny vychází
z definice hustoty. Hlavní součástí je nádoba tvaru ležaté U-trubice,
kterou protéká měřená kapalina. Tato trubice je spojena pružnými
spojkami s přívodem a odvodem vzorku a je otočně zavěšena. Při
vážení trubice se využívá buď
pneumatického převodníku nebo
elektromagnetického
způsobu
kompenzace tíhového působení.
Hustoměry hydrostatické využívají závislosti hydrostatického
tlaku na hustotě a lze je velmi
snadno sestavit z běžně dostupných součástí. Pro závislost platí vztah:
a při zachování konstantní výšky h bude hydrostatický tlak přímo
úměrný hustotě.
Velmi rozšířené jsou hustoměry vztlakové, využívající
Archimedova zákona. Jednodušší přístroje pracují na
principu areometru. Plovák,
obvykle skleněný, má uvnitř
zatavenu tyčinku z měkkého
železa a jeho poloha se snímá indukčním vysílačem. U
provozních přístrojů se používá nejčastěji zcela ponořeného tělesa, u něhož je síla
vztlaku v rovnováze s direktivní silou, která je vyvolávána pružinou. Poloha tělesa se snímá indukčním snímačem (diferenční transformátor). Děrovaná přepážka
chrání měřicí těleso před dynamickými účinky proudící kapaliny. U
některých typů přístrojů je direktivní síla vyvolávána elektromagneticky. Teplotní závislost hustoty se kompenzuje např. elektrickým
obvodem s odporovým teploměrem. Tyto hustoměry, vybavené korekčním obvodem pro teplotní závislost hustoty, patří mezi velmi
přesné provozní přístroje a dosahují správnosti 1.10-4 kg m-3.
K provoznímu měření hustoty se dále využívá snímačů
s radioaktivním zářičem. Pro zeslabení intenzity radioaktivního záření,
které prošlo vrstvou kapaliny o tloušťce d a hustotě ρ platí
kde Φ0 , Φ je tok záření vystupující ze zdroje, resp. z měřeného prostředí, µ hmotnostní součinitel zeslabení (m2.kg-1).
Snímače s radioaktivním zářičem jsou vhodné i pro měření za
velmi náročných a těžkých provozních podmínek. Měřené médium by
nemělo obsahovat plynové bubliny; rovněž usazeniny na stěnách způsobují značné chyby měření. Snímače tohoto typu umožňují měřit
hustotu kapalin se značným obsahem nečistot, kapalin silně viskózních, za vysokého přetlaku i podtlaku.
Poznámky:
Princip ultrazvukových snímačů hustoty je založen na stanovení rychlosti šíření ultrazvukových vln v měřeném médiu. Rychlost šíření v se
určuje z času τ, který potřebuje ultrazvukový puls na překonání vzdálenosti L mezi vysílačem a přijímačem ultrazvuku:
Základními prvky ultrazvukového snímače hustoty jsou tedy
vysílač a přijímač ultrazvuku, které jsou konstruovány nejčastěji na
bázi piezoelektrických měničů. Integrální součástí ultrazvukového
snímače hustoty bývá i senzor teploty, jehož signál slouží
k automatické korekci výstupního signálu.
Aplikační možnosti snímačů hustoty. Měření hustoty je v praxi velmi
rozšířené a paleta využitelných měřicích principů i komerčně vyráběných přístrojů je široká. I když vztah mezi hustotou a složením analyzované směsi platí především pro binární směsi, lze často měřením
hustoty získat cenné informace o složení a charakteristických vlastnostech i u řady složitějších směsí. Při výběru určité měřicí metody a
přístroje vhodného pro daný účel je třeba zvážit celou řadu okolností
důležitých pro rozhodnutí. Volba při výběru vhodného hustoměru se
zpravidla řídí podmínkami, kterým musí hustoměr vyhovět v daném
konkrétním případě.
Poznámky:
Měření viskozity
Měření viskozity souvisí v řadě aplikací s měřením chemického složení. Mezi typické aplikace, kde se využívá měření viskozity k řízení
procesu, patří výroba lepidel, barev a laků, olejů, farmaceutických a
kosmetických přípravků a produktů potravinářského průmyslu. Konzistence řady látek, u nichž lze využít vztahu mezi požadovanou
vlastností a viskozitou, může být řízena právě prostřednictvím viskozity. K měření viskozity se používají viskozimetry různých fyzikálních principů a konstrukcí:
• viskozimetry průtokové (kapilární),
• viskozimetry rotační a vibrační,
• viskozimetry tělískové.
Průtokové viskozimetry jsou založeny na měření tlakové ztráty v kapiláře při laminárním proudění kapaliny kapilárou. Kapilární viskozimetr pracuje na principu Hagen-Poiseuillova zákona, podle kterého platí
kde je η dynamická viskozita, r poloměr kapiláry, l délka kapiláry,
QV objemový průtok a ∆p tlakový rozdíl.
Základní podmínkou správné funkce přístroje je konstantní
průtok kapilárou, který je zajišťován čerpadlem a konstantní teplota,
udržovaná termostatem. Vhodný snímač tlakové diference poskytuje
na výstupu unifikovaný elektrický signál.
Poznámky:
Viskozimetry rotační využívají měření odporu, který klade měřené
prostředí otáčivému či kmitavému pohybu vhodných těles. V ustáleném stavu platí pro moment síly M , vyvolávaný třením tělesa v kapalině vztah
kde K je konstanta, ω úhlová rychlost rotujícího tělesa a η dynamická viskozita.
Refraktometry
Index lomu je obecně funkcí kvalitativního i kvantitativního složení
prostředí. Výsledný index lomu kapalin, u nichž nenastávají žádné
chemické ani fyzikální změny má aditivní charakter. Pro roztoky kapalin, u nichž dochází buď k chemickým reakcím nebo k vzájemnému
ovlivňování, vznikají výraznější odchylky od aditivnosti.
Mezi hustotou ρ a indexem lomu n platí vztah, který odvodili Lo-
, kde r je specifická refrakce.
Pozorované zorné
pole je rozděleno na
světlou a tmavou
oblast. Poloha rozhraní mezi světlou a
tmavou oblastí závisí na velikosti mezného úhlu a tedy na
hodnotě indexu lomu kapalného média. U roztoků, jejichž koncentrace se mění, dochází i ke změně indexu lomu. S rostoucí koncentrací se index lomu zvětšuje, mění se poloha rozhraní a zvětšuje se tmavá oblast. Poloha rozhraní mezi světlou a
tmavou oblastí se vyhodnocuje pomocí fotoelektrických detektorů.
Elektronické obvody řízené mikroprocesorem zajišťují i automatickou
teplotní kompenzaci, případně linearizaci závislosti výstupní ho signálu na koncentraci.
rentz a Lorenz
Poznámky:
Elektrolytická vodivost
Konduktometrické metody jsou založené na měření elektrolytické vodivosti roztoků. Jsou velmi citlivé a umožňují měřit od velmi
malých až po vysoké koncentrace rozmanitých látek. Při konstrukci
přístrojů není třeba složitých zařízení. Z těchto důvodů jsou i v provozní praxi značně rozšířené.
Fyzikálně-chemický základ a příslušné teoretické vztahy byly probírány v předmětu „Analytická chemie“ a na tomto místě jen připomeneme, že elektrická vodivost roztoků je závislá na koncentraci iontů
rozpuštěných látek. Měří se obvykle dvěma elektrodami, ponořenými
do roztoku. Elektrická vodivost G je pak nepřímo úměrná vzdálenosti elektrod l a přímo úměrná jejich ploše S a měrné elektrické vodivosti (konduktivitě) γ podle vztahu:
K provoznímu měření elektrické vodivosti se používá buď
snímačů kontaktních nebo bezelektrodových snímačů. K měření se
používá střídavého proudu a kmitočtu 50 až 5 000 Hz.
Princip bezelektrodového měření vodivosti nízkofrekvenční technikou
Vazba mezi transformátory Tr1 a Tr2 je provedena závitem z izolační
trubky, ve které proudí měřená kapalina. Tato vazba představuje závit
nakrátko pro transformátor Tr1. Proud procházející závitem se měří
pomocí transformátoru Tr2. Je možno říci, že vodivá kapalina je jednak sekundárním vinutím prvního transformátoru Tr1 a současně primárním vinutím měřicího transformátoru Tr2. Za předpokladu ideálního transformátoru (beze ztrát) teče závitem nakrátko proud
, kde elektromotorické napětí E je úměrné napájecímu
1
napětí U :
N
Měření napětí
du
Po
dosazení
bude
UM
ze
úměrné
vztahu
protékajícímu
(4.113)
prou-
dostaneme
Poznámky:
Tepelně-vodivostní analyzátory plynů
Tepelná vodivost plynu patří k řadě fyzikálních konstant, které charakterizují čisté plyny. Toho se využívá u tepelně-vodivostních analyzátorů, které patří k velmi rozšířeným provozním přístrojům. Tepelnou vodivost řadíme k tzv. transportním jevům. Množství převedeného tepla Q (W) , které projde plochou S (m2) za čas t (s) je
kde je λ měrná tepelná vodivost (W m-1 K-1), dϑ/dx teplotní spád
(K m-1).
Z molekulárně kinetické teorie vyplývá, že tepelná vodivost
plynu je tím větší, čím menší je průměr molekuly a čím vyšší je teplota a měrné teplo plynu. Tepelná vodivost vodíku a helia řádově převyšuje tepelnou vodivost všech ostatních technicky důležitých plynů.
Měrné tepelné vodivosti některých plynů jsou uvedeny v tab. Za normálních podmínek je tepelná vodivost plynů v širokém rozmezí nezávislá na tlaku. Se zvyšováním teploty tepelná vodivost roste. Pro přibližný výpočet závislosti měrné tepelné vodivosti na teplotě lze použít
, kde je λϑ a ϑ0 měrná tepelná vo-
vztahu
divost při teplotě ϑ a 0 ºC, A teplotní koeficient (K-1).
Měrné tepelné vodivosti a teplotní koeficienty některých plynů
plyn
λ0
2
1− 1− A.10
µΩ( Κ
(K-1)
)
A
He
H2
N2
O2
vzduch
CO2
SO2
CH4
16,3
143,0
172,0
24,0
24,5
24,1
14,3
8,4
30,2
0,31
0,18
0,27
0,28
0,30
0,28
0,48
0,60
0,48
Poznámky:
Magnetické analyzátory plynů
Analyzátory založené na měření magnetických vlastností využívají výjimečného postavení kyslíku k jeho selektivnímu stanovení v
plynných směsích. Při konstrukci automatických analyzátorů se využívá buď statické metody, při které se měří síla, kterou působí nehomogenní magnetické pole na určitý objem plynu anebo dynamické
metody, při které se měří proudění vznikající tzv. termomagnetickou
konvekcí.
Magnetické
analyzátory
jsou
s výjim
kou
několika
málo
plynů
specifické pro kyslík. Využívá se jich zejména při kontrole spalovacích a dalších oxidačních procesů v chemickém průmyslu, hutnictví,
cementárnách, teplárnách apod. Provozní magnetické analyzátory
kyslíku využívají i jiných principů než je prstencová komora a vyrábí
je celá řada firem.
Infračervené analyzátory
V automatické analýze plynů se využívá absorpční spektrofotometrie
jak v ultrafialové, tak i viditelné oblasti, zejména však v infračervené
oblasti spektra. Jako provozních přístrojů se nejčastěji využívá analyzátorů bezdisperzních. Bezdisperzní přístroje pracují bez rozkladu
světla a využívají absorpce ve značně široké oblasti spektra. U provozních přístrojů se používá vlnových délek od 0,7 µm do 10 µm.
Bezdisperzní analyzátory jsou mnohem jednodušší, levnější a mechanicky odolnější než přístroje disperzní, a proto jsou v provozním měřítku mnohem více rozšířeny. Při měření infračervené absorpce se
využívá té skutečnosti, že v infračervené oblasti absorbují molekuly,
které vykazují trvalý dipólmoment, tj. plyny složené nejméně ze dvou
druhů atomů. Molekuly H2, O2, N2, které jsou souměrné, infračervené
záření neabsorbují. U bezdisperzních analyzátorů, které pracují
s neselektivním zdrojem záření se dosahuje selektivity nejčastěji použitím selektivního detektoru, a v tom případě hovoříme o tzv. přístrojích s pozitivní filtrací
Poznámky:
Poznámky:
Typy regulačních obvodů
Jednoduchý zpětnovazební regulační obvod
Řeší se jím většina běžných regulací. Jeho zpětnovazební charakter zajišťuje následnou korekci výsledku akčního zásahu, tedy v
konečném důsledku (je-li použito regulátoru s vlastností I) úplné odstranění regulační odchylky.
Obvod dopředné regulace
Namísto regulované veličiny se měří porucha (zde změna teploty) na vstupu do soustavy a z její velikosti se pak odvozuje akční
zásah. Tohoto způsobu regulace se používá u soustav, které reagují
pomalu a vliv poruchy by se na hodnotě regulované veličiny objevil
tak pozdě, že by akční zásah nepřinesl nápravu včas. Nevýhodou tohoto zapojení je, že nemá žádnou zpětnou korekci odvozenou od měření
regulované veličiny, takže nelze odstranit trvalou regulační odchylku.
Zpětnovazební regulační obvod s měřením poruchy
Odstranění výše uvedené nevýhody dopředné regulace se dosahuje
tím, že se obvod kombinuje se zpětnovazebním. Měření poruchy (zde
průtok vody) v něm zajišťuje dostatečný časový předstih akčního zásahu a zpětnovazební část zajišťuje konečnou korekci akčního zásahu
tak, aby byla odstraněna trvalá regulační odchylka.
Obvod s pomocnou regulovanou veličinou (vlečná regulace)
Obvod je tvořen dvěma regulátory spojenými do kaskády tak, že jeden
regulátor nastavuje hodnotu řídicí veličiny druhého a ten teprve ovládá akční člen. V našem případě to znamená, že regulátor PC udržuje
konstantní tlak topné páry v parní komoře výměníku a regulátor TC
zvyšuje žádanou hodnotu tohoto tlaku jestliže teplota klesne a je potřeba topit více a snižuje ji v opačném případě. Tyto obvody jsou
vhodné tam, kde je třeba eliminovat několik možných poruch, tedy
např. zde poruchy v přívodu topné páry a průtoku a teplotě ohřívaného
média. Regulační pochod je rychlejší a dodržování žádané hodnoty
regulované veličiny přesnější.
Poznámky:
Teoretický základ logického řízení
Řada základních pojmů a vztahů matematické (tzv. formální)
logiky je analogických s pojmy a vztahy známými algebry. Proto se
také formální logika často nazývá podle jejího zakladatele Booleova
algebra. Základní rozdíl je v tom, že Booleova algebra pracuje pouze
se dvěma hodnotami: „pravda“ a „nepravda“, nebo také „logická jednička“ a „logická nula“.
Logické proměnné a logické funkce
Logická proměnná je analogií číselné proměnné, ale zatímco
číselná proměnná může nabývat libovolné hodnoty z nějaké množiny
(např. reálných čísel), logická proměnná může nabývat pouze zmíněných dvou hodnot. Z hlediska řízení to odpovídá určitým mezním
stavům reálných zařízení, např. „otevřeno“ / „zavřeno“, „zapnuto“ /
„vypnuto“, „chod“ / „klid“, ale třeba také „teplota<20oC“ / „teplota≥20oC“. Tyto stavy můžeme snadno popsat pomocí logických proměnných, např. takto:
čerpadlo
log.proměnná
log.proměnná
teplota
C
T
zapnuto 1
<20oC 0
vypnuto 0
≥20oC 1
Logická funkce je opět obdobou číselné matematické funkce s
tím rozdílem, že jejími argumenty jsou logické proměnné a jejím výsledkem je buď (logická) 1 nebo (logická) 0.
Matematická funkce je vždy nějak definována, obvykle matematickou formulí. Pro definici logické funkce se používá dvou způsobů:
• pravdivostní tabulkou, která udává hodnotu logické funkce
pro každou možnou kombinaci hodnot jejích argumentů,
• logickým výrazem, který se skládá z logických proměnných
spojených operátory elementárních logických funkcí.
Poznámky:
Zákony formální logiky
Pro operace s logickými proměnnými a výrazy platí podobně
jako při aritmetických operacích určité zákony. Hovoříme o zákonech
formální logiky, nebo také o zákonech Booleovy algebry. Jsou to tyto
zákony (x, y, z ... logické proměnné):
zákon agresivity 0 v součinu a 1 v součtu (zákon dominance) :
x.0 = 0
x+1 = 1
zákon neutrality 0 v součtu a 1 v součinu (axiom):
x+0 = x
x.1 = x
zákon o vyloučeném třetím (axiom):
zákon komutativní v součtu a součinu (axiom):
x+y = y+x
x.y = y.x
zákon asociativní v součtu a součinu (axiom):
x+(y+z) = (x+y)+z
x.(y.z) = (x.y).z
zákon distributivní (axiom):
x.(y+z) = x.y + x.z
x+(y.z) = (x+y).(x+z)
zákon opakování :
x+x = x
x.x = x
zákon dvojí negace :
de Morganovy zákony :
Poznámky.
Čmejkrová, J.; Daneš, F.; Světla, J. Jak napsat odborný text. Praha: Leda, 1999. ISBN 80–85927–69–1
Lacko, B.; Beneš, P. aj. Automatizace a automatizační technika 1. Praha: Computer Press, 2000. ISBN
80-7226-246-7
Voráček, R.; Andrýsek, F. aj. Automatizace a automatizační technika 2. Praha : Computer Press, 2000.
ISBN 80-7226-247-5
Beneš, P.; Chlebný, J. aj. Automatizace a automatizační technika 3. Praha: Computer Press, 2000.
ISBN 80-7226-248-3
Oplatek, F.; Luner, M. aj. Automatizace a automatizační technika 4. Praha: Computer Press, 2000.
ISBN 80-7226-249-1
Ročenka ELEKTRO 1994. Praha : FCC Public 1993.
Ročenka ELEKTRO 1995. Praha : FCC Public 1994.
Ročenka ELEKTRO 1996. Praha : FCC Public 1995. ISBN 80-901985-1-1
Ročenka ELEKTRO 1997. Praha : FCC Public 1996. ISBN 80-901985-2-X
Ročenka ELEKTRO 1998. Praha : FCC Public 1997. ISBN 80-901985-3-8
Ročenka ELEKTRO 1999. Praha : FCC Public 1998. ISBN 80-901985-5-4
Ročenka ELEKTRO 2000. Praha : FCC Public 1999. ISBN 80-901985-7-0
Ročenka ELEKTRO 2001. Praha : FCC Public 2000. ISBN 80-901985-9-7
Ročenka ELEKTRO 2002. Praha : FCC Public 2001. ISBN 80-86534-00-6
Ročenka ELEKTRO 2003. Praha : FCC Public 2002. ISBN 80-86534-02-2
Časopis Automa. Praha : FCC Public. Dostupné na WWW: http://www.automa.info
Internetový portál Elektrika. Dostupné na WWW: http://www.elektrika.cz
Zpracováno v Ostravě roku 2003