IZMJENIČNE STRUJE. Osnove elektrotehnike 2

Transcript

1 MJENČNE SRJE Osnove elektrotehnike Natuknice s predavanja Ovo su sao kratke zabilješke. Nisu dovoljne za polaganje ispita! zjenične struje su vreenski projenljive struje kojia se pored jakosti ijenja i sjer strujanja. Od najvećeg su interesa periodički projenljive izjenične veličine. znos izjenične veličine u određeno trenutku vreena naziva se trenutno vrijednošću izjenične veličine. Projenljive veličine označavaju se ali slovia. Bitna značajka periodičkih projenljivih veličina je njihov period [s]: nakon vreenskog intervala ponavlja se slika projenljive veličine. Frekvencija f izjenične veličine je broj cijelih projena te veličine u jedinici vreena: f Hz s MJENČNE SRJE Kružna frekvencija: ω π f rad s Srednja vrijednost izjenične struje Srednja vrijednost izjenične struje u vreensko intervalu definirana je izrazo: sr i( dt a sinusoidalnu izjeničnu struju očigledno je da je srednja vrijednost jednaka nuli. Sinusoidalna struja je i kosinusna! Kosinus je fazno poaknut sinus! i ( sin ( ω t + β) i ( sin ( ω t ) β

2 Elektrolitska srednja vrijednost Kod elektrolize ne ože se koristiti srednja vrijednost, nego elektrolitska srednja vrijednost (ože se dobiti punovalni ispravljanje). Definira se s: el, 67 el i( dt π za sin struju. Efektivna vrijednost RMS value (root-ean-square value): efektivna vrijednost, kvadratna srednja vrijednost. Efektivna vrijednost izjenične struje odgovara onoj vrijednosti konstantne istosjerne struje koja na otporniku otpornosti R proizvede istu količinu topline kao ta izjenična struja u isto vreenu na isto otporniku. W R i W i ( R dt R R i ( dt i ( dt i ( dt sin ωt dt..., 77 Ojerni faktori nstruenti nisu baždareni na istu srednju vrijednost, pa se oraju preračunati s pooću ojernih faktora. Faktor oblika je ojer efektivne i elektrolitske srednje vrijednosti izjenične veličine. π ξ, π jeeni faktor je ojer aksialne i efektivne vrijednosti izjenične veličine. σ,44 Srednji faktor je ojer elektrolitske srednje i aksialne vrijednosti izjenične veličine. ζ π,67 π Fazor Sinusne veličine ogu se osi kao funkcije vreena pokazati i vektorski (fazorski) često puta zgodnije. Fazor rotira konstantno brzino ω u sjeru suprotno od kazaljke na satu. Projekcija fazora na okoitu os jednaka je sinusu kuta αωt. Dužina vektora jednaka je aksialnoj vrijedosti sinusne veličine Kut koji fazor zatvara sa horizontalno osi u t predstavlja fazni poak.

3 POJEDNAČNA OPEREĆENJA VORA MJENČNE SRJE čisto djelatno opterećenje izjeničnog strujnog kruga; čisto induktivno opterećenje izjeničnog strujnog kruga; čisto kapacitivno opterećenje izjeničnog strujnog kruga. Djelatni (aktivni) otpor u izjenično strujno krugu Oski otpor otpor na protjecanje istosjernje struje Djelatni otpor otpor na protjecanje izjenične struje a frekvencije anje od [Hz], oski otpor približno je jednak djelatno. Gradska reža je na 5 [Hz]. Povećanje aktivnog u odnosu na oski otpor objašnjava se s ti što izjenično elektroagnetsko polje izaziva dodatne pojave vezane s gubicia:. stosjerna struja je ravnojerno raspoređena po poprečno presjeku vodiča, dok je izjenična gušća prea površini, jer nastaju vrtložne struje koje tjeraju struju od središta vodiča. o se zove površinski ili skin učinak. Djelatni (aktivni) otpor u izjenično strujno krugu Skin učinak (efek tjecaj skin učinka sanjuje se na načina: - izbjegava se izrada asivnih vodiča, - za posebno visoke frekvencije izrađuju se vodiči u obliku šupljih cijevi. stosjerna struja R ρ l S zjeni čna struja l R' ρ S' S '< S R' > R Djelatni (aktivni) otpor u izjenično strujno krugu. izjenično agnetsko polje stvara vrtložne struje u vodljivi asaa poput feroagnetskih jezgri transforatora ili elektroagneta,. predagnetiziranja, 4. histereze. opće slučaju satra se da su aktivni otporo uzeti u obzir svi nepovratni procesi pretvorbe energije. Pod aktivni otporo podrazujeva se otpor koji ne stvara ni agnetsko ni elektrostatsko polje. dealni ne postoji, ali za niske frekvencije takvi otporo ogu se satrati: žarulje, grijači i neki tipovi žičanih otpornika.

4 Djelatni (aktivni) otpor u izjenično strujno krugu Napon i struja su u fazi. u( sinωt u( i( sinωt sinωt R R ϕ nduktivni otpor u izjenično strujno krugu Svitci (zavojnice) ogu biti zračni i s agnetsko jezgro (prigušnice). Služe za generiranje induciranih napona (bobina, transforator), generiranje agnetskih sila (elektrootor, relej), filtriranje signala, skladištenje agnetske energije i dr. Prolasko električne struje kroz svitak dolazi do induciranja napona saoindukcije. aj napon drži ravnotežu naponu izvora, a ta je ravnoteža dinaička - do induciranja napona dolazi sao kada krugo protječe električna struja. Ako je u( sinωt, onda je: di( u( + e ( u( i ( S dt u( dt i( ( cosω ω π cosωt sin( ωt ) π i( sin( ωt ) nduktivni otpor u izjenično strujno krugu Napon prethodi struji. ϕ α u α i ( 9 ) + 9 Vs V X ω π f Hz H Ω s A A Kapacitivni otpor u izjenično strujno krugu Kondenzatori služe za: odvajanje istosjerne od izjenične koponente struje, kratko spajanje izjeničnih napona, filtre i rezonantne krugove, pohranu električne energije i vreensko kašnjenje. Struja fizički ne prolazi kroz dielektrik kondenzatora, nego se elektronski ootači i jezgre atoa deforiraju u eliptički oblik ovisan o vanjsko električno polju. S obziro da je riječ o izjeničnoj struji, kondenzator se periodički puni i prazni. zjenična struja je struja punjenja i pražnjenja kondenzatora, a zatvara se preko polariziranih naboja u dielektriku. 4

5 Kapacitivni otpor u izjenično strujno krugu du( i( C i( ω C cosωt dt π π i( sin( ω t + ) cosω t sin( ωt + ) X V Ω C ω C π f C As A s V Neki serijski spojevi Vektorski dijagra rokut otpora R Neki serijski spojevi Neki serijski spojevi Krug se ponaša kao zavojnica. Krug se ponaša kao kondenzator. Krug se ponaša kao kratki spoj! R X X C X X C ϕ arctg R X X C ( X + X ϕ arctg R C ) X X C ϕ R + ( X X C ) R + ( X X C ) R 5

6 Paralelni RC i R krug PARAEN RC SPOJ BC B ϕ arctg G rokut vodljivosti Y Y Aditancija G + ( B ) C B Susceptancija MJENČNE SRJE KOMPEKSNOM PODRČJ eksponencijalno obliku: - iznos ispred eksponenta je efektivna vrijednost izjenične veličine, - kut u eksponentu je fazni poak. [ A] [ A] i( sin ωt sin t ef ax ω e u( j ax sin [ V ] ef [ V ] ωt sin( ωt + ) analizi izjeničnih reža podrazuijeva se da je izvor s jedno frekvencijo. Ako nije, koristi se načelo superpozicije. SNAGA MJENČNE SRJE u( sinωt i( sin( ωt ϕ) p( u( i( sinωt sin( ωt ϕ) p( sin ωt sin( ωt ϕ) [ cosϕ cos(ω )] p( t ϕ Proizlazi da je i snaga periodička i haronička funkcija, ali dvostruke frekvencije ( ω) u odnosu na frekvenciju napona i struje (ω). Funkcija snage oscilira oko osi paralelne s osi apscisa, a koja je za iznos cosϕ udaljena od apscise. 6

7 ROK SNAGE nožak efektivnih vrijednosti napona i struje sa cosϕ (faktoro snage) u neko vreenu predstavlja korisni rad kojeg ože obaviti energija izjenične struje. P cosϕ [ W ] Gornji izraz predstavlja radnu (djelatnu ili aktivnu) snagu. Jasno je da je cilj postići veći faktor snage, jer je tad i djelatna snaga veća. Maksialni faktor snage je i tada je ϕ. nožak efektivnih vrijednosti napona i struje predstavlja prividnu snagu: S [ VA] Jalova ili reaktivna snaga određena je izrazo: Q sinϕ [ var] Jalova snaga karakterizira osciliranje energije izeđu izvora i trošila. Kopleksna snaga: jϕ S P + jq Se * KOMPENACJA FAKORA SNAGE Radna snaga je korisna snaga koja ostaje u krugu - na trošilu. Kako ovisi o faktoru snage cosϕ nastoji se povećati faktor snage. o se naziva kopenzacijo faktora snage. Kako su električni krugovi s električni strojevia (generatori, otori, transforatori) uglavno induktivnog karaktera zbog velikog broja svitaka, faktor snage se popravlja dodavanje u strujni krug kondenzatora ili baterija kondenzatora. slučaja: - Djeloična kopenzacija (potkopenziran slučaj) - Potpuna kopenzacija - Nadkopenziran slučaj Maksialna korisna snaga u izjenični strujni krugovia eore o prijenosu aksialne snage u izjenični režaa (o prilagođenju): a zadani izjenični izvor srednja snaga isporučena trošilu bit će aksialna ako je ipedancija trošila jednaka konjugiranjo kopleksnoj vrijednosti unutarnje ipedancije izvora. Kod prilagođenja je iskoristivost svega 5%, pa se koristi sao u elektronici, telekounikacijaa i radiokounikacijaa, a ne i u elektroenergetski režaa. a serijski spoj trošila i naponskog izvora vrijedi: t i * P ax /4R t Antena PRMJER PRMJENE PRAGOĐENJA Radio R a -jx a R rad. Nadojesni krug antene Sprežni krug, po potrebi jx rad Nadojesni krug radio-prijanika 7

8 REONANCJA Rezonancija je pojava koja se javlja u slučajevia kada se frekvencija prinudnih oscilacija (vanjskog izvora) poklapa s frekvencijo vlastitih oscilacija. Rezonancija je pojava kada se energija aksialno prenosi s jednog titrajnog sustava (predajnik) na drugi titrajni sustav (prijenik), ako su i frekvencije titranja bliske. Resonare (lat.) - razlijegati se. Porast intenziteta titraja kada se frekvencija (učestalos vanjske sile, koja uzrokuje titraje, podudara s frekvencijo vlastitih titraja sustava. Posljedice razonancije u ehanički sustavia su vibracije (brod, avion, autoobil, vlak vibracije nestaju kad se brzina sanji/poveća u odnosu na tu; visoki C pucanje čaše; rušenje drvenog osta stupanje). elektroenergetski sustavia zbog rezonancije nastaju neplanirani porasti napona koji oštećuju električne strojeve. elektronički, radiokounikacijski, telekounikacijski i radarski sustavia se koristi za npr. izdvajanje korisnog signala,selektivno pojačanje neke frekvencije itd. Električni krug u rezonanciji djeluje kao čisto djelatno trošilo, jer se reaktivne (jalove) koponente poništavaju, tj. Re rezonantni otpor ( ) ( ) R uk uk uk Rezonancija ože nastupiti i u serijsko (serijska ili naponska) i u paralelno (paralelna ili strujna rezonanciji) oscilacijsko krugu. Serijska (naponska) rezonancija Na nekoj frekvenciji apsolutni iznosi induktivnog i kapacitivnog otpora su jednaki, a kako su suprotnog predznaka, eđusobno se poništavaju. a se frekvencija naziva rezonantno frekvencijo. Na rezonantnoj frekvenciji cijeli krug djeluje kao čisto oski otpor. Struja i napon su u fazi, tj. fazni kut je jednak nuli. Rezonanciju se ože postići projeno frekvencije, kapaciteta ili induktiviteta. rezonanciji je struja aksialna, jer je reznonanti otpor inialan! R + X + X C R + jx jx C R + j( X X C ) X X C ω r f r ω C π C r Dobrota i prigušenje Paralelna (strujna) rezonancija Dobroto strujnog kruga Q naziva se ojer napona na induktivno (ili kapacitivno) otporu pri rezonantnoj frekvenciji i napona izvora: C Q R Dobroto strujnog kruga definiraju se rezonantna svojstva tog kruga. Prigušenje strujnog kruga d naziva se recipročna vrijednost dobrote strujnog kruga. krugu s veći prigušenje brže prestaju slobodne oscilacije. d R Q C C Aditancija paralelnog RC kruga određena je izrazo: Y G + BC + B G + jbc jb G + j( BC B ) B C ω C π f C B ω π f B C B f r π C Q C 8

9 NEPRGŠENE OSCACJE RAJNM KRGOVMA Kad se u krugu nalaze sao idealni i C, nea disipacije energije na otporniku R, vrijedi ista forula za računanje rezonantne frekvencije. No, tada je ipedancija kruga, pa je, iz Ohovog zakona, struja neizjerno velika. akav krug pretstavlja kratki spoj. Ako se takav krug zatvori bez izvora nakon punjenja kondenzatora, nastaju neprigušene oscilacije energije iz električne u agnetsku koje traju neizjerno dugo. RAJN PRGŠEN KRG slijed oskog otpora u krugu će postojati gubici te će se kondenzator nabiti na nešto niži napon (nešto anji naboj). Ovakav proces pražnjenja (izbijanja) i nabijanja kondenzatora se ponavlja, svaki put se ijenja polaritet i svaki put se sanjuje napon (naboj) na koji se nabija kondenzator. S obziro na oski otpor u opisano titrajno krugu isti se naziva titrajni krugo s gušenje. a vrijee pražnjenja kondenzator se ponaša kao generator, a zavojnica kao trošilo, kasnije je obratno. Ovakav krug gubi energiju uslijed oskog otpora i zračenja energije. Ako krug brzo oscilira onda je neizbježno odlaženje jednog dijela energije u obliku elektroagnetskog zračenja pa takav krug predstavlja izvor elektroagnetskih valova. Aperiodičko izbijanje EEKROMAGNESKO RAČENJE RADO VAOV Vrst zračenja električni valovi Radiovalovi infracrvene zrake vidljive zrake ultraljubičaste zrake rendgenske zrake gaa zrake kozičke zrake Frekvencija zračenja ν [Hz] x 4 4x 4-7,5x 4 7,5x 4 - x 8 x 6 - x x 8 - x 4 > x Valna duljina λ [] - x 4 x 4 -,x -,x - - 7,6x -7 7,6x -7-4x -7 4x < - DG VA, SREDNJ VA, KRAK VA, RA KRAK VA 9

10 NAČEO RADA RADO PRJEMNKA Prijer prijene serijske rezonancije je kod ulaznog kruga radio prijenika. Naie, na anteni se induciraju elektroagnetski valovi svih radio postaja te nastaju elektrootorni naponi svih frekvencija koje su u eteru. EMN tjeraju odgovarajuće struje u ulaznog krugu prijenika preko induktivne sprege. krug se serijski spaja projenjivi kondenzator, koji oogućuje podešavanje rezonantne frekvencije iz izraza za f r. Signalu radio postaje čija frekvencija odgovara rezonantnoj povećat će se aplitudu napona Q puta, pa je ovakav krug bolji što u je dobrota veća. Ovo se zove selektivno pojačanje. Sada će signali ostalih postaja biti sao slaba setnja koja se ože ukloniti filteria, jer oni nisu pojačani zbog toga što za njih nije udovoljen uvjet rezonancije (()). Napoena: Odluko Vrhovong suda SAD-a esla je izuitelj radija, a ne Marconi kao što je uvriježeno išljenje. Antene ogu biti pasivne i aktivne. Kod radara se zahtjeva vrlo uzak dijagra zračenja, kod prijenosa radio ili V prograa na jestu odašiljanja se zahtjeva približno kružni dijagra zračenja. Glavni paraetri antene su: polarizacija, dijagra zračenja, usjerenost, dobitak, efektivna površina, duljina ili visina, teperatura šua, ipedancija, dozvoljena snaga i ehaničke karakteristike. Radio-gonioetar je prijeni radio-uređaj koji služi za određivanje sjera u koje se nalazi izvor radio valova. Radio sjero se naziva sjer određen radio-gonioetro, a predstavlja kut izeđu neke referentne vodoravne razine kroz radio-gonioetar i vodoravne razine koja prolazi kroz objekt u koje se nalazi odašiljač i radio-gonioetar. Radio sjer broji se obično u sjeru kazaljke na satu. Ako se za referentni sjer uze uzdužnica broda (val praca) govorio se o pračano sjeru, a ako se uze astronoski erdijan govori se o pravo sjeru (aziutu). Glavni srednjefrekvencijski odašiljač predviđen je za rad izeđu 4 i 55 [khz], a snage je do [kw]. Predviđen je za neoduliranu i oduliranu telegrafiju. ako se ugađa na 7 8 unaprijed zadanih frekvencija, a jedna od njih je i SOS na 5 [khz]. Visokofrekvencijski odašiljač predviđen je za rad izeđu 4 [MHz]. a veliku stabilnost frekvencije i teperature (izrađen dijelo od kvarca). Ovdje je SOS frekvencija 864 [khz]. Glavni prijenik ora pokrivati područje od, do [MHz]. Radio telefonski prijenik predviđen je za telefoniju frekvencija,6 do,8 [MHz]. SOS je na 8 [khz]. Pričuvni odašiljač i prijenik predviđen je za anje snage i priključen na pooćni izvor istosjernog napona 4 [V]. z Blok-shea radio odašiljača Dijagra zračenja radarske antene x PRJEANE POJAVE MJENČNOM KRG Kod uključenja R kruga na izjenični napon dolazi do prijelazne pojave. Pri toe se zbraja struja stacionarnog stanja, koja je sinusoidalna, s prijelazno strujo, koja je eksponencijalno opadajuća: i( R τ ( ω t + α ) + e istac ( + i prij ( sin i τ ( ω t + α ) R α e u ( R sin sin u ( Kako se struje i naponi na kondenzatoru razlikuju sao u fazno kutu, analogne slike i izrazi se dobijaju i za RC krug. i t τ ( ω t + α + 9 ) + e X sin i i t t NESNSODANE PERODČKE SRJE NAPON Osi istosjernih i izjeničnih sinusoidalnih struja, električni krugo ogu protjecati i nesinusoidalne struje. Prisutne su u prijelazni pojavaa i u istosjerni i u izjenični krugovia. Nesinusoidalne veličine su posebno značajne kod prijenosa i obrade raznih signala te u računalskoj tehnici. Najvažnija razlika izeđu sinusoidalnih i nesinusoidalnih veličina je da se druge ne ogu prikazivati vektoria i kopleksni brojevia, nego sao u vreensko obliku. Sao u vreensko obliku vrijede i Ohov i Kirchhoffovi zakoni. Nesinusoidalne veličine ogu se proatrati kao zbroj istosjerne i izjenične sastavnice te se govori o sastavljeno obliku napona ili struje. Fourierova analiza koristi se kad se neka sastavljena veličina želi prikazati zbroje jedne istosjerne sastavnice i više sinusoidalnih. Frekvencije tako dobivenih sinusnih oblika su cjelobrojni višekratnici osnovne frekvencije te se nazivaju haronicia. Efektivna vrijednost haronički sastavljene struje je drugi korijen iz zbroja kvadrata efektivnih vrijednosti svih haronika.

11 RJEŠAVANJE MREŽA MJENČNH SRJA Osi serijskog, paralelnog i ješovitog spoja, u izjenični krugovia javljaju se i spojevi u trokut i zvijezdu kao i u istosjerni režaa. Naravno, treba naglasiti da je uvijek riječ o linearni režaa, a ne o onia koje sadrže akar jedan nelinearni eleent poput nekog od elektroničkih eleenata. Mreže ogu biti s raspodijeljeni i koncentrirani eleentia. Ako je riječ o npr. dalekovodu, koji se sastoji od realnih vodiča, otpor ovisi o duljini vodiča. Ako se presječe na pola, otpor će biti dvostruko anji. o je prijer raspodijeljenih paraetara. ada se navodi da je otpor npr. r [Ω/]. o znači da je otpor vodiča na etar duljine [Ω], na dva etra [Ω], itd. sto tako se ogu definirati i kapacitet i induktivitet. o je tipičan slučaj kod prijenosnih vodova. neki slučajevia, kao npr. unutar izvora, dienzije su relativno alene pa se ti otpori, kapaciteti i induktiviteti ogu prikazati koncentrirano, npr. kao jedna ipedancija. okviru ovog kolegija, uglavno se obrađuju reže s koncentrirani paraetria i idealni vodičia kako bi se olakšao proračun. RANSFORMACJE VJEDA ROK OBRNO SOŽENE MREŽE n k Ohov zakon u kopleksno obliku. k n j E Poopćeni oblici i K j k Svi postupci rješavanja linearnih reža iz istosjernih strujnih krugova vrijede i u izjenični. ziaju se kopleksne vrijednosti struja i napona, a ujesto otpora računa se s ipedancijaa. Može se priijeniti postupak izravne prijene Kirchhoffovih zakona. Od izravne prijene Kirchhoffovih zakona povoljniji je postupak konturnih struja, jer se postavlja anji broj jednadžbi. Ako složeni krug sadrži strujne izvore, ože se broj jednadžbi sanjiti za broj takvih izvora. Struja u nezavisnoj grani konture pripada sao toj konturi i jednaka je odgovarajućoj konturnoj struji. Struja u zajedničkoj grani je algebarski zbroj kopleksnih konturnih struja. Kod postupka napona čvorova jedan se od čvorova odabire kao referentan te se njegov potencijal uzia jednaki nuli. odnosu na taj čvor računaju se potencijali ostalih čvorova. Sao načelo superpozicije je opće prihvaćeno fizikalno načelo pa ono vrijedi za sve linearne reže. Struja u nekoj grani jednaka je algebarsko zbroju parcijalnih struja nastalih djelovanje pojedinih elektrootornih napona ili strujnog izvora. k k ČEVEROPO Sklopovi sa četiri stezaljke, bilo da se radi o izolirani eleentia ili dijelovia neke veće reže, nazivaju se četveropolia. Ako četveropol sadrži u sebi izvor energije naziva se aktivni, a ako ne pasivni. Bitna razlika izeđu reža koje su do sada razatrane i četveropola je u toe što je kod četveropola bitan jedino odnos ulaznih i izlaznih veličina. akvo razatranje naziva se i načelo crne kutije, gdje nije bitno što je u kutiji, nego koje rezultate daje. elektrotehnici se proatraju ulazne i izlazne struje i naponi. Najčešći četveropoli su transforatori, tranzistori, prijenosne linije, pojačala, filtri, pretvornici, režni blokovi, sprežni krugovi i sl.

12 JEDNADŽBE ČEVEROPOA VRSE PARAMEARA: PRJENOSN ABCD PARAMER JEDNADŽBE ČEVEROPOA VRSE PARAMEARA: Y PARAMER A + A A A A A A + A A A A A A A A A [ A] A A A A A k A k A k A k Y Y Y Y Y Y Y Y JEDNADŽBE ČEVEROPOA VRSE PARAMEARA: HBRDN PARAMER NADOMJESNE SHEME ČEVEROPOA, h h h h h h h h A A A A k + A + + A A k + k A k +

13 ROFAN SSAV Potreba za izjenični strujaa proistječe iz distribucije električne energije, jer s udaljenošću rastu i gubici na prijenosni vodovia elektroenergetskog sustava. Vodič pruža otpor struji koja protječe kroz njega. Da bi se ti gubici sanjili koristi se vreenski projenljivo agnetsko polje koje oogućava transforaciju električnog napona. ransforacijo na visoki električni napon, od npr. 4 [kv], sanjuju se gubici u vodovia, jer se razjerno sanjuje jakost električne struje. Najjednostavniji je sustav s jedno fazo. Spajanje dva jednofazna sustava, ože se dobiti dvofazni sustav, s tri trofazni, itd. Ako se svi povratni vodiči svih faza spoje, nastaje višefazni sustav, za što je na ideju prvi došao Nikola esla. ROFAN SSAV vijezda-zvijezda spoj s nul-vodiče Ako se kratko spoji ri jednofazna sustava nastanak trofaznog Spoj izvora u zvijezdu vijezda-zvijezda spoj bez nul-vodiča Spoj izvora u trokut ROFAN SSAV ROFAN SSAV 8/ V

14 Spajanje trofaznih i jednofazniih trošila P Snaga u trofazni sustavia rofazno sietrično trošilo ia u svakoj grani jednako opterećenje: Radna snaga: P f f cosϕ cosϕ cosϕ uk Jalova snaga: Quk Q f f sinϕ sinϕ sinϕ Prividna snaga: S S cosϕ uk f f ROFAN SSAV Glavne prednosti trofaznog sustava nad jednofazni su: oogućavanje ekonoičnijeg prijenosa električne energije, s anji gubicia i uštedo aterijala za vodove; generira se rotacijsko agnetsko polje, na koje se teelji rad većine rotacijskih strojeva; trenutna snaga sietričnog trofaznog trošila je konstantna bez obzira na vrstu spoja; trofazni uređaji su robustni i ekonoični. SMERČNO ROŠO praksi se sietrična trošila rjeđe susreću i u pravilu su trofazna. Međuti, nogi kućanski aparati (fen, ikrovalna pećnica, pegla, ikser, televizor, kopjutor, video, linija itd.) priključuju se na jednu fazu te nastaje nesietrično opterećenje reže. Može se reći da je sietrično trošilo ono koje u svakoj grani ia jednako opterećenje: P P f f cosϕ cosϕ cosϕ uk 4

15 OKRENO MAGNESKO POJE rofazna struja protječući kroz naote trofaznog otora stvara agnetski tok koji rotira jednoliko brzino. OKRENO MAGNESKO POJE Ako se tri naotaja prostorno razaknu, svaki će od naotaja stvarati svoje agnetsko polje, što znači da u svakoj točki prostora postoji rezultantno agnetsko polje dobiveno vektorski zbrajanje polja pojedinih naotaja. Os rezultantnog polja poiče se duž naotaja tako da se uvijek nalazi iznad onog faznog naotaja u koje je struja aksialna. Kako su naotaji postavljeni u cilindričnu površinu rezultantno se polje okreče, pa se naziva okretni ili rotacijski agnetski polje. Dakle, s pooću trofazne struje dobiva se u naotajia koji iruju agnetski tok koji rotira. Projena sjera okretnog polja postiže se projeno redosljeda faza trofaznog sustava. Okretno agnetsko polje je teelj rada električnih strojeva. Povijesni razvoj elektrifikacije broda eretni brod Colubia 88. godine. 5 žarulja. eretni brod Oregon porinut 88. godine. 5 žarulja Danas su brodovi nezaislivi bez električnog pogona pooćnih strojeva strojarnice, palubnih strojeva, gospodarskih uređaja i uređaja radionice, grijanja ili kliatizacije, navigacijskih elektroničkih i koinikacijskih uređaja, signalizacije i rasvjete. Razvoj elektrifikacije broda ože se podijeliti u više faza. prvoj se na brodu koriste sao istosjerni izvori (dinao generator istosjerne struje), a prvi je ugrađen 88. Od 896. na brodove se uvode i pričuvne akuulatorske baterije. drugoj fazi, na brodovia se sve više koriste generatori izjenične struje. Propulzija je s parnog stroja prešla na dizelski otor, a za pooćne strojeve se sve više koristi električni pogon. zeđu dva svjetska rata (do 94.) na brodovia glavni izvor električne energije postaje alternator (izjenični sinkroni generator). Povijesni razvoj elektrifikacije broda rofazni sinkroni generator od 955. postaje izvor za razna brodska trošila. Od 965. izvedbe velikih trofaznih sinkronih saouzbudnih kopaundnih generatora, s vrlo brzo regulacijo napona, postaju glavni izvori električne struje svi elektrootorni pogonia na brodu, dok istosjerni izvor postaje pooćni izvor na veliki brodovia, dok je ostao osnovni na ali brodovia. Razvoj elektrifikacije broda pratila je i regulativa o sigurnosti u obliku standarda, propisa i zakona: ukupna brodska električna instalacija ora biti izvedena tako da u najteži uvjetia plovidbe radi pouzdano i nije opasna za posadu i putnike. Koliko je brz razvoj elektrotehnike i elektronike vidi se iz činjenice da je proteklo sao 5 godina od prvog broda s električni žaruljaa, preko uvođenja brodskog električara, do toga da se brodski električar sve rjeđe javlja u posadaa suvreenih brodova. eži se što anje broju članova posade i što većoj autoatizaciji, što je oguće sao jako elektroničko i električno podrško na brodovia. 5

16 EEKRČN KRG BRODA EEKRČN KRG BRODA zvori energije na brodu ogu biti: generatori, akuulatorske baterije, solarne ćelije, električni pretvarači i priključak na kopno. Razvod i razdiobu električne energije na brodu oogućuju kabeli. Sustav razdiobe, ovisno u izvoru, ože biti: za istosjernu struju (jednovodni s upotrebo brodskog trupa kao povratnog vodiča do 5 [V], dvovodni izolirani, trovodni), za jednofaznu izjeničnu struju (jednovodni ili dvovodni), za trofaznu izjeničnu struju (trovodni izoliran u sve tri faze, trovodni uzeljen zvjezdište s tri izoloirane faze, trovodni s tri izolirane faze i nul vodo i trovodni s tri izolirane faze i uzeljeni nul-vodo priključeni na zvjezdiše izvora). ovisnosti o osjetljivosti tereta, neki spojevi se ne ogu koristiti na neki vrstaa brodova. EEKRČN KRG BRODA Glavna sklopna (razvodna) ploča je jesto električnog sustava gdje se dovodi energija iz generatora i odvodi prea trošilia izravno ili preko ostali sklopnih uređaja (pooćne sklopne ploče, uputnici, razdjelnici, pultovi i upravljački orari). Sklopni uređaji sastoje se od sklopki, pokretača, prograatora, osigurača, okidača, releja, jernih i signalizacijskih uređaja. Postoje i elektroenergetski sustavi s više naponskih razina pa iaju i više glavnih sklopnih ploča. Da bi se sanjile njene dienzije koriste se i ostale sklopne ploče za napajanje u nuždi, grupnih uputnika, pojedinačnih uputnika, razdjelnici snage, rasvjete i pultevi te sklopna ploča za napajanje u nuždi. Sklopna ploča za nuždu sa sklopni uređajia za generator u nuždi ora se nalaziti u razini glavne palube, obično na palubi čaca za spasavanje. rošila na brodu ogu se podijeliti na: elektrootorni pogon, topilinska, rasvjetna, navigacijska i kounikacijska, itd. EEKRČN KRG BRODA 6

17 GAVNA RASKOPNA POČA GAVNA RASKOPNA POČA Podjeljena je na polja generatora, važnih trošila i anje važnih trošila. Polja generatora sadrže: voltetar, vatetar, aperetar, frekvencetar, sinkronizacijske lapice, preklopku unutar regulatora pogonskog stroja, preklopke za instruente, kontrolne lapice za glavnu sklopku i ručicu glavne sklopke. Na njega se dovodi energija glavnih generatora i priključak na kopno. Polja važnih trošila (trošila uređaja strojarnice i tereta, osvjetljenje, pozicijska svjetla, uređaji korila, uređaji za zatvaranje pregrada, dojava požara, pupe za podazivanje i rashlađivanje, radio uređaji, pupe za pretakanje nafte, crpke orske vode,...) sadrže: aperetar, voltetar, vatetar, cos ϕ - etar i frekvencetar. aju i ručice sklopki, prekidače i preklopke za pojedine uređaje i trošila. Polja anje važnih trošila (crpka hidrofora, kopresori, štednjaci, ventilacija, sidrena vitla,...) sadrže: iaju, uz gore spoenuto, i preklopke za pojedina trošila. Polje A W f Nebitna trošila 44 [ V] Ω Polje A W f Ω Neophodna trošila 44 [ V] Polje A V W f sinkr G Brodski generator cos ϕ Polje 4 A V W f sinkr G Brodski generator cos ϕ Polje 5 V W A f sinkr G učki generator cos ϕ Kopneni priključak A Polje 6 W f Ω rošila za grijanje [ V] 44/ [ V ] A Polje 7 W f Ω 44 [ V] 5 ( 6) [Hz] rošila za rasvjetu i navigaciju [ V] Pričuvni transforator 44/ () [ V ] EEKRČN SROJEV EEKRČN SROJEV rofazni sinkroni generator glavni izvor na brodu EEKRČN SROJEV Palubni pooćni strojevi - pupe, kopresori, korilarski uređaj, sidreno vitlo itd asinkroni izjenični, te istosjerni otori EEKRČN SROJ ANA ENERGJA ANA ENERGJA MOOR GENERAOR E. GENERAOR ehanička električna MJENČN SOSMJERN E. MOOR električna ehanička JEDNOFAN VŠEFAN SERJSK PARAEN KOMPANDN SNKRON ASNKRON KOEKORSK PREVORNC RANSFORMAOR električna električna 7

18 NEK POJMOV O EEKRČNM SROJEVMA Prazan hod nea korisnog djelovanja, trošila nisu priključena, stroj je sprean za preuzianje opterećenja, prijelazno stanje izeđu otorskog i generatorskog rada. Korisnost je. Pri djeloično optetećenju stroj nije potpuno iskorišten, a preopterećenje izaziva nedopušteno veliko grijanje. Nazivno opterećenje je ono za koje je stroj izgrađen. Kratki spoj je stanje u koje zbog prevelikog opterećenja prestaje korisna pretvorba energije. Razvija se velika topilna, pa se stroj treba zaštititi od KS. Motor-generator se sastoji od jednog otora i jednog ili više generatora. Motor je u takvoj kobinaciji izjenični, a generatori istosjerni. a pogone projenjive brzine koriste se tzv. kaskade, u kojia su dva rotacijska stroja spojena i ehanički i električki. Električna osovina je kobinacija dva stroja u kojoj su priarno spojeni na istu režu, a sekundarni naoti električki povezani, a s cilje postizanja podudarnosti vrtnje. Strojevi ogu bit i specijalnih najena, npr. tahogeneratori, selsini i aplidini. RANSFORMAOR ransforatori ogu biti energetski, regulacijski, jerni, laboratorijski, autotransforatori i specijalni. Energetski transforator statička je elektroagnetska naprava koji povišava ili snižava izjenični napon prea načelu elektroagnetske indukcije. Ne ijenja frekvenciju. Energija je u idealno slučaju očuvana, a snaga je neproijenjena. Prijena transforatora je velika na kopnu i na brodovia. ransforator se sastoji od dvije zavojnice koje su električki izolirane, a povezane su agnetni toko. ransforatori ogu biti bez i sa željezno jezgro. a transforatore bez željezne jezgre kaže se da su zračni transforatori i takvi se obično koriste u elektronici, a sa željezno jezgro u energetici. avojnice se nazivaju priarna i sekundarna. Na priarnu se narine napon koji se želi transforirati. Vrijede transforatorske jednadžbe: N N W W P P N N. transf. jednadžba. transf. jednadžba VJE PARAENOG RADA RANSFORMAORA Da bi transforatori ogli raditi paralelno, oraju ispunjavati uvjete da: su i jednaki prijenosni ojeri, su građeni za približno iste nazivne napone, iaju isti satni broj i spojnu grupu, su i naponi kratkog spoja približno isti i ojeri nazivnih snaga nisu veći od trostruko (:). SNKRON ASKRON SROJEV S OBROM NA OKRENO MAGNESKO POJE Projena sjera okretnog polja postiže se projeno redosljeda faza trofaznog sustava. Rad električnih strojeva teelji se na okretno agnetsko polju. Dva su načina na koji se okretno agnetsko polje ože upotrijebiti za pokretanje rotora. Prvi je da se rotor izvede kao agnet (peranentni rjeđe ili elektroagnetčešće). Kod većih otora na rotor se dovodi istosjerna struja preko kliznih koluta i naoti rotora postaju elektroagnet. Da bi okretno polje stalno vuklo agnet za sobo, tj. da bi se rotor okretao zajedno s rotacijski polje, treba u dati onu brzinu koju ia polje. Drugi riječia, njegovu vrtnju treba sinkronizirati (iz grčkog, istovreen) s vrtnjo agnetskog toka. Odatle naziv sinkroni otor (općenitije stroj otor ili generator). i otori ne polaze sai iz stanja irovanja što pretstavlja glavnu anu. Prednost i je u toe što i se brzina vrtnje ne jenja s opterećenje, jer je čvrsto vezana za brzinu vrtnje okretnog polja. Drugi način je da se rotor izradi s naoto u obliku kaveza, npr. bakrenih štapova vodiča koji se ueću u utore željeznog rotora. Okretno agnetsko polje inducira u naotu kaveza struju. Kako agnetski tok djeluje silo na vodič koji protječe struja, rotor se okreće, slijedeći pri toe vrtnju toka. Kako se rotor ože pokrenuti iz položaja irovanja, vrteći se sve brže i brže, no nikad ne ože postići broj okretaja toka. to slučaju agnetske silnice ne bi sjekle vodiče rotora i u njia ne bi bilo inducirane struje, pa ni sile koja bi rotor pokretala. Broj okretaja rotora u takvih otora nije sinkron s agnetski toko i odatle i naziv asinkroni otori (strojevi). 8

19 ROFAN SNKRON GENERAOR rofazni sinkroni generator na statoru ia trofazni naot s p pari agnetskih polova raspoređenih sietrično u utoria na obodu rotora. Okretno agnetsko polje siječe vodiče naota i inducira napon e. Rotor se okreće, jer ga pokreće pogonski stroj. Magneti rotora su, u biti, elektroagneti i kod sinkronog generatora se uzbuđuju istosjerno strujo. Pošto se rotor okreće za stator će nastalo polje izgledati kao projenjivo te će se inducirati izjenična sinusoidalna veličina. Struja na rotor dolazi preko koluta i četkica s izvora istosjerne struje. zvor ože biti akuulator (rijetko zbog održavanja), generator istosjerne struje (tzv. dinao) ili se ispravlja struja s izlaznih stezaljki statora. Opterećenje alternatora se ijenja, pa se, zbog održavanja stalnog napona, ijenja struja uzbude. roost u to procesu izaziva oscilacije napona. Sinkrona brzina vrtnje: n S 6 f p Asinkroni izjenični otor Na brodovia je većina trošila asinkroni trofazni otor, jer su najjednostavniji i pogonski najsigurniji. ovu se i indukcijski, jer se energija iz statora prenosi elektoragnetskog indukcijo. Postoji nekoliko izvedbi asinkronog otora. Jedan od njih je s kavezni (kratkospojni) rotoro, a drugi s kolutni (fazni) rotoro. Stator je sličan statoru sinkronog generatora. Motoria s kolutni rotoro fazni naot i rotora i statora iaju jednak broj polova. Krajevi naota spojeni su u zvijezdu, dok su počeci izvedeni na tri koluta koji su na osovini. Po kolutia klize četkice koje vode struju na trofazni otpornik. Njegova uloga je postupno povećanje struje rotora, a tie i statora. Nakon završenog upućivanja otporniku otpor pada na nulu. Kada se stator asinkronog otora priključi na napon reže, naotia poteče struja koja stvara okretno agnetsko polje. Ono uzrokuje indukciju napona na rotoru. Kada bi otor bio zakočen, događala bi se transforacija te bi otor funkcionirao kao transforator, pa se često ovi otori nazivaju i indukcijski otoria. Svi su štapovi eđusobno spojeni, pa inducirani napon uzrokuje protok struje. Po pravilu lijeve ruke, Biot-Savartova ehanička sila pokušava zakrenuti rotor u sjeru vrtnje okretnog agnetskog polja. okretno polje želi zakrenuti rotor. Da bi okretno polje induciralo napone u vodičia rotora, ora biti neka relativna brzina izeđu okretnog polja i rotora. sinkrono stroju su ove brzine jednake, ali u asinkrono bi pri sinkronoj brzini otor bio nesposoban za pretvorbu energije. Svojstvo asinkronog stroja da u brzina ora biti različita od sinkrone dalo je ia ovoj vrsti strojeva. aostajanje rotora za okretanje agnetskog polja statora zove se klizanje: ns n s n S ASNKRON MOOR NAČEO RADA SOSMJERNOG SROJA M M P n M M Motor s M Kočnica nn s M n M P n s Moentna karakteristika trofaznog asinkronog otora pokazuje ovisnost oenta o n i s. irovanju je s, n te je pokretni oent potreban za pokretanje rotora. pogonskoj točki otor prelazi iz područja zaleta i doseže aksiu na 7-9% sinkrone brzine. Kod većih brzina oent se naglo sanjuje, a kad rotor postigne zadanu brzinu nastupa stacionarno stanje rada otora. Pri svako pokretanju statorski naot povuče iz reže struju KS, što uzrokuje pad napona reže. Cilj postupaka pokretanja otora je sanjiti struju pokretanja. Mehanički je izvor stosjerni stroj je, u biti, izjenični s četkicaa koje ispravljaju struju i istosjernu. 9

20 SOSMJERN SROJEV stosjerni stroj se izvodi s uzbudo na statoru i araturo na rotoru. zbuda je sještena na istaknuti polovia i u zračno rasporu ispod polova stvara polje indukcije B. to polju se vrti aratura, pa se u njezini vodičia induciraju naponi. Svaki vodič prolazi naizjenice ispred N- i S- pola te se sjer napona induciranog u vodiču ijenja. natoč toe, načetkicaa koje kližu po kolektoru (kao po vodičia arature), pojavljuje se uvijek napon istog sjera. Kolektor koji se vrti s četkicaa koje iruju zapravo je ehanički ispravljač struje. Kolektor radi obostrano pa i ehanički pretvara istosjernu u izjeničnu struju. Kada se na četkice priključi trošilo, struja poteče i napaja trošilo. o je generatorski način rada. zbudni dijelo stroja naziva se onaj dio koji nosi uzbudni naot ili peranentne agnete, bez obzira da li iruje ili se vrti. Araturni dio nosi naot u koje se inducira napon. aratura ože biti i na rotoru i na statoru. stosjerni otor ia istu Glavni polovi strukturu kao i generator. zvedba laela rotora SAOR ROOR SAOR POSOJE Poo ćni polovi Neutralna zona SAOR ROOR Jezgra pooćnog pola Naot glavnog pola Jezgra glavnog pola SAOR Naot poo ćnog pola Ako se ujesto trošila na četkice stroja priključi vanjski izvor istosjernog napona i ako je napon tog izvora alo veći od napona induciranog u stroju, poteći će iz vanjskog izvora u istosjerni stroj struja obrnutog sjera od njegova inducirana napona. Projeno sjera struje proijenio se sjer sila na vodiče, sjer oenta i sjer protoka energije: istosjerni stroj sada troši energiju reže te radi kao otor. SOSMJERN SROJ VRSE BDE: Nezavisna i vlastita. Vlastita (saouzbuda): - serijska, - paralelna, - složena (kopaundna).