ELEKTROTEHNIKA ISTOSMJERNA STRUJA 2

Transcript

1 2008/2009 Fakultet prometnih znanosti Sveučilište u Zagrebu ELEKTROTEHNIKA ISTOSMJERNA STRUJA 2 Doc.dr.sc. Sadko Mandžuka, dipl.ing.

2 SADRŽAJ 1. Električka energija i snaga 2. Naponski i strujni izvori 3. Elektrokemijski izvori električne struje

3 1. Električka energija i snaga JOULEOVA TOPLINA Otpor R u kalorimetričkoj bombi protjecan strujom I uz pad napona U. Otpor R se zagrijava i predaje toplinu vodi. Toplina koju je primila voda Q mcδϑ m masa vode c spec.t oplinski kapacitet vode Δυ - povećanje temperature vode Toplina koju je primila voda proporcionalna je jakosti struje I, padu napona na otporu R i vremenu t - JOULEOV ZAKON Q U I t [ J] Toplina proizvedena u otporu R JOULEOVA TOPLINA

4 1. Električka energija i snaga Jouleov zakon uz UIR Q U R U I t [ J] 2 Q I R t [ J] Q t [] J Elektrotermički uređaji proizvodnja topline pomoću električne struje grijači (otpori) imaju veliki specifični otpor (legure Cr i Ni cekas, kanthal); industrijske peći (štapovi silicijevog karbida-siliti) 2 Zagrijavanje vodiča Jouleova toplina stvara se svugdje gdje struja prolazi kroz otpor (el. aparati i uređaji) zagrijavanje vodiča (osim u elektrotemičkim uređajima) redovito je neželjena posljedica prolaska struje potrebno voditi računa o zagrijavanju vodiča (izgaranje izolacije, kratki spoj, požar) uzima se u obzir prilikom projektiranja

5 1. Električka energija i snaga Električka energija U pokusu u kalorimetričkoj bombi sva električka energija je pretvorena u toplinsku Izrazi za električku energiju W Q W električka energija Q toplinska W U I t W I 2 R t W U R 2 t Izrazi za električku energiju vrijede općenito, za bilo kakvo električno trošilo Jedinice J V A s Ws 1Wh 3600 Ws 3600 J 1 kwh 3, J

6 1. Električka energija i snaga Smjer toka energije Izvor daje električku energiju W, a trošilo prima električku energiju W Energije su jednake po iznosu (ako nema gubitaka) Ako struja ulazi na pozitivnu stezaljku u dio strujnog kruga, onda taj dio predstavlja trošilo tj. prima energiju Ako struja izlazi sa pozitivne stezaljke nekog elementa (dijela) strujnog kruga, onda je taj dio izvor tj. predaje energiju u strujni krug Isti električki uređaji mogu imati funkciju izvora električke energije, a u izmijenjenim uvjetima mogu biti trošila (el. rotacijski strojevi, akumulatori)

7 1. Električka energija i snaga Primjer smjer toka energije Dva naponska izvora spojena su prema shemi (protuspoj izvora) II Kirchoffov zakon U 1 IR U 2 0 struja u strujnom krugu U U 1 2 I 9 R A Elek. energije u krugu W1 U1 I t J W W R U R I t J U I t J 2 2 predznak (-) izvor U1daje energiju predznak (+) otpor R prima energiju predznak (+) izvor U2prima energiju

8 1. Električka energija i snaga Algebarska suma svih energija jednaka je nuli: W + W + W

9 1. Električka energija i snaga Električka snaga istosmjerne struje Snaga brzina vršenja rada P W t [ W] Watt - vrijedi za jednoličan rad Trenutna vrijednost snage p dw dt Ako je snaga promjenjiva, a treba se izračunati energija (rad) u nekom vremenu - izrazi se energija za infinitezimalno kratko vrijeme dt dw p dt -i izračuna ukupna energija za konačno vrijeme t W t p dt 0

10 I U t t I U t W P 2 R I P Električka snaga istosmjerne struje ako se napon i struja ne mijenjaju 2 R U P ostali izrazi za električku snagu istosmjerne struje (uz UIR) 1. Električka energija i snaga

11 1. Električka energija i snaga U strujnom krugu sa više trošila suma snaga trošila jednaka je snazi izvora - primjer: serijski spoj dva trošila na jedan izvor U U U ( U + U ) I UI P P P U I + U I primjer: paralelni spoj dva trošila na jedan izvor I I I ( I + I ) UI P P P UI + UI U

12 1. Električka energija i snaga Korisnost (stupanj iskoristivosti) η U realnim trošilima samo dio energije (snage) izvora pretvara se u koristan rad za koje je trošilo konstruirano, a ostali dio predstavlja gubitke energije W g W u W W g - gubitak energije W u - ukupna energija W - korisna energija korisnost nekog uređaja omjer korisno upotrijebljene energije prema ukupnoj energiji koja je uporabljena u procesu transformacije η W W W W + u W g korisnost nekog uređaja izražena preko snaga P η η 1 P + P g P g snaga gubitaka P u - ukupna snaga koju izvor predaje trošilu P - korisna energija

13 1. Električka energija i snaga Korisnost η uglavnom se izražava u postocima Korisnost η nekih uređaja P η% 100 P + P g

14 1. Električka energija i snaga Mjerenje električke snage indirektno : mjeri se napon voltmetrom i struja ampermetrom direktno: vatmetrom (ima četiri stezaljke) MJERENJE ENERGIJE kilovatsatnim brojilom

15 2. Naponski i strujni izvori Realni izvori izrađeni su od realnih materijala i koji imaju određeni električki otpor otpor u samom izvoru naziva se unutrašnji otpor izvor R i u realnim izvorima dolazi do gubitaka Nadomjesna shema realnog naponskog izvora E elektromotorna sila izvora R i -unutrašnji otpor izvora U vanjski napon izvora (napon na stezaljkama) Naponski izvor u praznom hodu stezaljke izvora otvorene (priključen otpor R v ) struja kroz izvor I0 napon na stezaljkama izvora jednak je elektromotornoj sili UE

16 2. Naponski i strujni izvori Realni naponski izvor u kratkom spoju stezaljke izvora kratko spojene (R v 0) struja kratkog spoja E R napon na stezaljkama izvora jednak je nuli U0, unutrašnji otpor drži sav pad napona EI k R unutrašnji otpori su mali redovito poteku velike struje (kratki spojevi -opasni) idealni naponski izvor R i 0 (teoretski) struja beskonačno velika I K i

17 2. Naponski i strujni izvori Realni naponski izvor sa priključenim otporom R v struja I u strujnom krugu I E R + i Rv napon na stezaljkama (vanjski napon) U E I R i -napon na stezaljkama (vanjski napon) umanjen je za pad napona unutrašnjem otporu - ako bi struja imala suprotan smjer (umjesto trošila drugi izvor veće elektromotorne sile) napon na stezaljkama promatranog bio bi uvećan za pad napona na unutrašnjem otporu

18 2. Naponski i strujni izvori Vanjska karakteristika naponskog izvora Uf(I) pokazuje kako se s promjenom struje mijenja vanjski otpor na stezaljkama izvora bitno za praksu: kakvi su naponi na stezaljkama izvora uz različite otpore trošila -ovisnost napona na stezaljkama U o struji I U E R I i -na slici to je pravac v U Ri I + E -točka P prazni hod -točka K kratki spoj - pad napona na trošilu R V U I R v -na slici to je pravac p točka T radna točka (pad napona na trošilu vanjskom naponu na stezalj.) ako se mijenja R v mijenja se nagib pravca, položaj radne točke T, a time i vanjski napon na stezaljkama izvora što je R v manji manji je vanjski napon na stezaljkama izvora

19 2. Naponski i strujni izvori Serijski spoj naponskih izvora primjenjuje se kad je potrebno dobiti veći napon Ekvivalentni naponski izvor elektromotorna sila E E1 + E2 + E3 n E alg E i i 1 -pri zbrajanju unutrašnjih napona pozitivni predznak imaju izvori čiji smjer se podudara sa pretpostavljenim smjerom ekvivalentnog izvora E unutrašnji otpor R R R2 R3 R alg n i 1 R i

20 2. Naponski i strujni izvori Paralelni spoj naponskih izvora primjenjuje se kad je potrebno dobiti veću struju -ekvivalentni izvor pretvorbom u strujne izvore, a zatim u naponski Dva naponska izvora paralelno spojena u praznom hodu teče struja praznog hoda (oprez!!!) I 0 E R 2 1 E + R 1 2

21 2. Naponski i strujni izvori Strujni izvor idealni strujni izvor daje stalno istu struju neovisno o trošilu R Realni izvor prikazan strujnim izvorom -R i unutrašnji otpor strujnog izvora -često se umjesto unutrašnjeg otpora R i rabi unutrašnja vodljivost G i

22 2. Naponski i strujni izvori Pretvorba izvora naponski izvor može se transformirati u strujni; električke prilike gledano izvana ostaju iste mada unutar samog izvora postoji razlika u radu Ako se realni naponski optereti sa R U I E R I E R i U i R i -ako se sve podijeli sa R i I I K I i - ako se elektromotorna sila E zamjeni sa strujnim izvorom I K kojemu je unutrašnji otpor Ri paralelno spojen u priključenom vanjskom krugu električke veličine (U,I) su iste

23 2. Naponski i strujni izvori Pretvorba izvora I K E R i E I K R i

24 2. Naponski i strujni izvori Paralelni spoj strujnih izvora Ekvivalentni strujni izvor struja I K I K I I2 I3 unutrašnji otpor R i R1 R2 R3 I alg i n i 1 n R i R i 1 R I i i

25 2. Naponski i strujni izvori Paralelni spoj naponskih u ekvivalentni naponski izvor svaki pojedini naponski transformirati u strujni izvor naći ekvivalentni strujni izvor pretvoriti strujni u nadomjesni naponski izvor Serijski spoj strujnih u ekvivalentni strujni izvor svaki pojedini strujni transformirati u naponski izvor naći ekvivalentni naponski izvor pretvoriti naponski u nadomjesni strujni izvor

26 2. Elektrokemijski izvori električne struje ELEKTRIČNA STRUJA KROZ TEKUĆINE čista destilirana voda > izolator otopine kiselina, lužina ili soli vode struju elektroliti pozitivni i negativni ioni Djelovanjem električnog polja elektroliza - stvaranje pozitivnih i negativnih naboja Stvaranje pozitivnih i negativnih iona bez električnog polja elektrolitička disocijacija disocirana tekućina sadrži pozitivno (katione) i negativno (anione) nabijene ione F QNa+ QCl ε ( vode) 81 2 r 4πε ε r r 0

27 2. Elektrokemijski izvori električne struje Faradayev zakon kationi - metali, vodik anioni - nemetali (kiselinski ili lužinski ostatak - SO 4, OH) količina naboja iona proporcionalna kolika je valentnosti (ν ) tog iona ioni u pokretu struja I n ν e (A) n - broj iona ν - valencija e - elementarni naboj elektrona (1, C)

28 2. Elektrokemijski izvori električne struje struja iona prijenos mase izlučena masa prolazom struje kroz elektrolit proporcionalna je elektrokemijskom ekvivalentu i količini elektriciteta Faradayev zakon - ukupna prenesena masa elektrodi a je elektrokemijski ekvivalent A atomska masa, a v valencija Q F As/kg (Faraday-eva konstanta).

29 2. Elektrokemijski izvori električne struje Primjer 1 - presvlačenje metalom (galvanizacija) Primjer 2 - elektroliza (iz glinice Al; čisti bakar)

30 2. Elektrokemijski izvori električne struje Primarni elementi Druga zanimljiva pojava vezana je uz elektrolitsku polarizaciju koja se događa kad se u elektrolit urone dvije elektrode različitog kemijskog sastava. Između takvih dviju elektroda, bez vanjskog djelovanja, pojavit će se napon. Iznos napona osim o kemijskom sastavu elektroda ovisi također i o elektrolitu.

31 2. Elektrokemijski izvori električne struje Galvanski elementi (Prvi element konstruirao je A.Volta godine.) Ova pojava se zamjećuje i kad je elektroda uronjena u otopinu vlastitih iona. Budući da se ne može mjeriti apsolutni potencijal jedne elektrode, već samo razlika potencijala između dviju elektroda, dogovorno je utvrđeno da se svi potencijali uspoređuju s potencijalom vodikove elektrode.

32 2. Elektrokemijski izvori električne struje Kemijski elementi poredani po veličini njihova potencijala prema vodikovoj elektrodi tvore elektrokemijski naponski niz.

33 2. Elektrokemijski izvori električne struje Pojava smanjenja napona zbog promjena na elektrodama zove se polarizacija. Koriste se različiti postupci za smanjenje efekta polarizacije.

34 2. Elektrokemijski izvori električne struje U Leclanche-ovom elementu iz kojeg se razvio najveći broj današnjih baterija kao depolarizator služi MnO2 kojim je obložena ugljikova anoda. Ove baterije koriste cinkovu limenu posudu kao negativnu elektrodu, dok je ugljeni štapić pozitivna elektroda obložena praškastim manganovim superoksidom. Napon jednog elementa je 1.5 V, Serijskim spojem ovih elemenata dobivene su plosnate baterije od 4.5 V, četvrtaste od 9 V i sl.

35 2. Elektrokemijski izvori električne struje Sekundarni elementi Osnovno svojstvo akumulatora kao električnog izvora u kojem se kemijska energija pretvara u električnu je njegova mogućnost regeneracije. Prvi olovni akumulator načinio je G. Plant'e godine.

36 2. Elektrokemijski izvori električne struje Proces pražnjenja: Proces punjenja:

37 2. Elektrokemijski izvori električne struje Temeljne karakteristike akumulatora: 1. Kapacitet akumulatora, 2. Dobrota 3. Korisnost 4. Specifična energija Kapacitet akumulatora je umnožak struje i vremena u kojem tu struju akumulator može davati. Definira se za nazivnu struju i radnu temperaturu, što znači da se akumulator kapaciteta 120 Ah i nazivne struje 10 A, može njome opteretiti 12 sati. Za struje različite od nazivne ne vrijedi gornji odnos. Opće pravilo: veće struje > manji kapacitet

38 2. Elektrokemijski izvori električne struje Dobrota akumulatora je omjer: Kod olovnih akumulatora dobrota oko Korisnost akumulatora je omjer: Za olovne akumulatore iznosi oko

39 2. Elektrokemijski izvori električne struje Specifična energija akumulatora je omjer spremljene energije i mase akumulatora Za olovne akumulatore je u granicama 20 do 35 Wh/kg Važno za specijalne primjene!

40 2. Elektrokemijski izvori električne struje Punjenje i pražnjenje: I A Rreg V V PbO2 H2SO4 Pb Punjenje 2,7 V Pražnjenje do 1.95 V (ovisno o struji pražnjenja) Punjenje do 2.7 v (ovisno o izvedbi članaka) 2V Pražnjenje 1,83 V OPREZ kod punjenje eksplozivni plin!!! 0 t

41 2. Elektrokemijski izvori električne struje 1. Alkalijski akumulatori Elektrolit. Vodena otopina kalijhidroksida Elektrode mogu biti: nikal-kadmijeve Nikal željezne Srebro-cinkove Pražnjenje: Punjenje: Cd + 2 NiO(OH) + 2 H2O --> Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 --> Cd + 2 NiO(OH) + 2 H2O

42 2. Elektrokemijski izvori električne struje Drugi elektrokemijski izvori: GORIVE ČELIJE

43 2. Elektrokemijski izvori električne struje Primjene: GORIVE ČELIJE

44 Pitanja i komentari???