Elektrotehnika 1. ELEKTROSTATIKA

Transcript

1 1. ELEKTROSTATIKA 1) Definicija električne napetosti Električna napetost U12 med dvema točkama električnega polja je enaka razliki električnih potencialov teh dveh točk: U12=ϕ1-ϕ2 2) Definicija električnega potenciala Električni potencial neke točke električnega polja je enak delu, ki ga moramo opraviti proti el. polju, da premaknemo enoto elektrenine iz izhodišča do izbrane točke ϕ=- 3) Ekvipotencialne ploskve, delo električnega polja vzdolž ekvipotencialne ploskve Ekvipotencialne ploskve imajo lastnost, da sekajo silnice el. polja povsod pravokotno. Če elektrenino pomikamo vzdolž ekvipotencialne ploskve v polju ploščnega kondenzatorja, el. polje ne opravi nobenega dela. 4) Kondenzator, kapacitivnost kondenzatorja, znati morate tudi izpeljati silo, ki vlada med ploščama kondenzatorja Kapacitivnost kondenzatorja je enaka množini elektrenine, ki se nabere na ploščah, če vlada med ploščama napetost 1 Volta. To je snovno-geometrijska lastnost. Sila med ploščama: F = 5) Kaj prestavljajo odklonske plošče katodne cevi in kako delujejo? Predstavljajo kondenzator. Delujejo tako, da se jakost naboja na ploščah spreminja in tako veča in manjša odklon elektronov, ki potujejo med ploščami. 6) Izpeljava enačbe za nadomestno kapacitivnost vzporedno vezanih kondenzatorjev Q=Q1+Q2+Q3+ +QN Q=C*U Q1=C1*U Q2=C2*U... QN=CN*U C*U=C1*U+C2*U+ +CN*U C=C1+C2+ +CN 7) Izpeljava enačbe za nadomestno kapacitivnost zaporedno vezanih kondenzatorjev U=U1+U2+ UN U=Q/C U1=Q/C1 U2=Q/C2. UN=Q/CN 1

2 Q/C=Q/C1+Q/C2+ +Q/CN 1/C=1/C1+1/C2+ +1/CN 2,3 ENOSMERNI TOKOKROGI 8) Osnovni zakoni enosmernih tokokrogov (Ohmov zakon, oba Kirchoffova zakona, Joulov zakon. V zvezi z Joulovim zakonom morate znati razložiti razliko med direktnim segrevanjem in indirektnim segrevanjem. Ohmov zakon: Jakost električnega toka je premo sorazmerna gonilni napetosti in obratno sorazmerna ohmski upornosti: I=U/R 1.) U=I*R[V] napetost 2.) I=U/R[A] tok 3.) R=U/I upornost Pri Kirchoffov zakon: Vsota pritekajočih tokov v vozlišču je enaka vsoti odtekajočih tokov iz vozlišča: Drugi Kirchoffov zakon: Algebrajska vsota gonilnih napetosti je enaka vsoti vseh padcev napetosti v zaključeni zanki. Joulov zakon: Delo električnega toka je enako električni energiji: Wel=A=Q*U=U*I*t Električna energija se v kovinskem prevodniku direktno pretvori v toploto, zaradi česar se pretvornik segreva. Električna pretvorba povzroči toplotni učinek električnega toka. Indirektno segrevanje pa poteka s pomočjo prenašanja toplote ter sevanja telesa. 9) I/U karakteristika ohmske upornosti. Znati morate narisati I/U karakteristiki, ki pripada majhnim in karakteristiko, ki pripada velikim upornostim. Znati morate narisati tudi I/U karakteristiko polprevodniške diode in razložiti, zakaj je I/U karakteristika ohmske upornosti linearna, polprevodniške diode pa nelinearna! I-U karakteristika ohmske upornosti R je grafična upodobitev rezultatov merjenja z U-I metodo. 2

3 Polprevodniška dioda ima nelinearno I-U karakteristiko, ker prevaja električni tok le, če je na diodi pritisnjena pozitivna napetost. V zaporni smeri (pri negativni napetosti UD) dioda ne prevaja, zato je tok praktično enak nič. Dioda ne prevaja vse do tako imenovane prebojne napetosti UP. V primeru, da prebojno napetost prekoračimo, dioda prebije. 10) Serijska vezava upornosti. Znati morate izpeljati pravilo za računanje nadomestne upornosti z uporabo 2. Kirchoffovega zakona Nadomestno upornost zaporedno vezanih ohmskih upornosti izračunamo tako, da posamezne ohmske upornosti med seboj seštejemo. 3

4 11) Vzporedna vezava upornosti. Znati morate izpeljati pravilo za računanje nadomestne upornosti z uporabo 1. Kirchoffovega zakona Recipročna vrednost nadomestne upornosti vzporedno vezanih ohmskih upornosti izračunamo tako, da seštejemo recipročne vrednosti posameznih ohmskih uporov med seboj. 12) Ohmska upornost kot snovno geometrijska lastnost. Znati morate definicijo specifične upornosti kovin in kako jo izmerimo. Kakšna je definirana specifična prevodnost kovin. Če z ohmmetrom izmerimo ohmsko upornost prevodnika iz določene kovine, ki je oblikovan v obliki kvadra tako, da je njegova dolžina l=1 m, presek vodnika pa je S=1 mm², je izmerjena ohmska upornost enaka specifični upornosti izbrane kovine. Meritev izvedemo pri 20 C, zato se izmerjena specifična upornost ρ nanaša na to temperaturo. 4

5 13) Ohmska upornost v odvisnosti od temperature. Kako je definiran temperaturni koeficient snovi in kako temperaturna konstanta. Kakšni temperaturni koeficient imajo kovine in kakšnega polprevodniki. Pojasnite, zakaj razlika!? Kovine imajo pozitiven temperaturni koeficient, polprevodniki pa negativnega. 5

6 14) Seebeckov efekt, termoelementi, uporaba termoelementov za električni termometer Peltierjev efekt 15) Peltierjev efekt 16) Elektroliza bakra 6

7 17) Leclanchejev člen 18) Svinčev akumulator 7

8 19) Alkalni akumulatorji 4. MAGNETIZEM 1. Sila na tokovodnik v magnetnem polju. Napišite enačbo za silo in razložite njen nastanek. Pravilo leve roke. Kako uporabimo pravilo leve roke za določitev smeri vrtenja enosmernega motorja. Rezultirajoče magnetne silnice se zaradi vektorskega seštevanja obeh gostot izkrivijo in na eni strani tokovodnika zgostijo, na drugi pa razredčijo. Te silnice bodo na tokovodnik delovale z določeno silo tako, da ga bodo skušale izriniti v smeri šibkejšega magnetnega polja. Pravilo leve roke: če nam silnice magnetnega polja vpadajo v dlan leve roke in nam iztegnjeni prsti kažejo smer toka v tokovodniku, nam iztegnjeni palec kaže smer sile na tokovodnik. Pravilo leve roke za določitev smeri vrtenja enosmernega motorja: 8

9 2. Magnetilna krivulja in histerezna zanka. Magnetilna krivulja: Do točke 1 imamo elastično področje. To je področje kjer se Weissova območja pričenjajo urejati v smeri zunanjega magnetnega polja. Od točke 1 2 imamo opravka z neelastičnimi premiki Weissovih območij ta se usmerijo v smeri zunanjega magnetnega polja. Od točke 2 3 ostaja vse manj in manj Weissovih območij, ki še niso usmerjena. Zato gostota v tem območju čedalje počasneje narašča. Ko so usmerjena vsa območja, gostote magnetnega polja ni mogoče povečati. Snov je v magnetnem nasičenju. Histerezna zanka: Ob vsakem nadaljnem magnetenju se snov magneti po histerezni krivulji. Trdo magnetna snov, ki ima široko histerezno zanko ima sorazmerno veliko površino pod histerezno zanko in s tem sorazmerno velike histerezne izgube. Mehko-magnetne snovi imajo majhne histerezne izgube. Izgube: 9

10 3. Faradayev zakon elektromagnetne indukcije. Opišite Faradayev poskus in pojasnite razliko med tujo in lastno indukcijo. Zapišite enačbo inducirane napetosti za tujo indukcijo in ugotovite vrsto inducirane napetosti. Zapišite enačbo za inducirano napetost pri lastni indukciji, narišite enostavno vezje, kjer nastopa ta pojav in povejte, kakšne narave je inducirana napetost pri lastni indukciji. Razložite pomen induktivnosti pri lastni indukciji. Magnetno polje ustvarjamo s paličastim trajnim magnetom. Silnice magnetnega polja trajnega magneta prehajajo deloma skozi ovoje toroidne tuljave, vendar galvanometer ne pokaže nikakršnega toka, če paličasti magnet miruje. Če magnet približamo steče skozi galvanometer negativni tokovni sunek in obratno pri oddaljevanju. Tok, ki ga galvanometer pokaže, je le posledica inducirane napetosti. Negativna napetost ustreza prirastku števila magnetnih silnic skozi ovoje tuljave, pozitivna napetost pa upadanju števila magnetnih silnic. Faradayev zakon elektromagnetne indukcije pravi, da se v slehernem ovoju v tuljavi z N ovoji inducira napetost, če se skozi ploskev, ki jo ovoj oklepa, s časom spreminja magnetni pretok. O tuje vzbujani elektromagnetni indukciji govorimo takrat, ko je le ta rezultat časovnega spreminjanja tujega, tj. zunanjega magnetnega polja. Do elektromagnetne indukcije pa prihaja tudi v tokovni zanki ali navitju zaradi časovnega spreminjanja lastnega magnetnega pretoka na območju zanke oziroma navitja, ki je posledica časovnega spreminjanja električnega toka skozi zanko oziroma skozi navitje. Inducirana napetost, ki nastane kot posledica sprememb lastnega magnetnega pretoka v zanki se imenuje lastna oz. samoindukcija. - tuja indukcija:, če je konstanten, se v takšni zanki ne inducira nobena napetost - lastna indukcija: Na sliki je prikazano vezje kjer nastopi pojav lastne indukcije. Induktivnost 1H ima zračna tuljava, pri kateri se inducira napetost 1V, če se tok skozi tuljave linearno poveča za 1A na sekundo. 4. Lenzovo pravilo: Pove predznak inducirane napetosti pri elektromagnetni indukciji. Pri premikanju vodnika v magnetnem polju požene inducirana napetost inducirani tok po tokokrogu tako, da magnetna sila na inducirani tok nasprotuje zunanji sili. Magnetno polje induciranega toka ima nasprotno smer od zunanjega magnetnega polja, če magnetni pretok po ovoju narašča. 10

11 5. Prečkalna inducirana napetost. Izpeljite enačbo prečkalne inducirane napetosti na enega od dveh načinov in razložite nastanek prečkalne inducirane napetosti, če upoštevate premikanje elektronov v prečnem vodniku oziroma s pomočjo Lenzovega pravila. Izpeljava prečkalne inducirane napetosti...[ ] Inducirana napetost nastane tudi takrat, če se gostota magnetnega polja, to se pravi število magnetnih silnic, ki vpada na kvadratni meter prereza tokovne zanke, s časom nič ne spreminja, vendar se pri tem spreminja oblika tokovne zanke in tako tudi celotno število silnic, ki jih zanka oklepa. Dobljena inducirana napetost se imenuje prečkalna napetost. S premikanjem prečnega vodnika se zmanjšuje površina tokovne zanke, ki jo prečni vodnik oklepa z okvirjem, zato se zmanjšuje tudi število magnetnih silnic, ki vpada skozi prerez zanke. Zmanjševanju se inducirana napetost upira tako, da požene inducirani tok I v taki smeri, da nanj delujoča sila F zavira premikanje vodnika v magnetnem polju in s tem zmanjševanje površine zanke. 1. Nastanek sinusne izmenične napetosti: 5. IZMENIČNI TOKOKROGI Časovni diagram: Slika Perioda izmenične napetosti: Enemu vrtljaju okvirja okrog svoje osi, to je kotu ustreza en nihaj sinusne izmenične napetosti. Čas enega nihaja sinusne izmenične napetosti je hkrati čas, v katerem se okvir zavrti za 360 okoli svoje osi. Ta čas imenujemo periodo T. 11

12 Polperioda: Naslednja slika grafično ponazarja čas ene polperiode: Slika Kotna hitrost in krožna frekvenca[ ]: je kotna hitrost, če govorimo o vrtenju okvirja okrog lastne osi, če pa govorimo o sinusni napetosti, imenujemo krožna frekvenca (to je, če sinusno napetost narišemo v odvisnosti od kota ). 2. Srednja vrednost izmeničnega toka: Srednja vrednost izmeničnega toka v času ene polperiode ustreza enosmernemu toku, pri katerem preteče skozi prerez vodnika v enakem času enaka množina elektrenine Q. Množino elektrenine Q predstavlja ploščina pod krivuljo v času ene polperiode [glej sliko 2] 3. Pomen srednje vrednosti izmeničnega toka pri merjenju izmeničnega toka z ampermetrom na principu instrumenta z vrtljivo tuljavico. 12

13 4. Efektivna vrednost izmeničnega toka. Pomen efektivne vrednosti v primerjavi s srednjo vrednostjo izmeničnega toka: Efektivni vrednosti izmeničnega toka v času ene periode T ustreza jakost enosmernega toka, ki v enakem času proizvede enako množino toplote. 5. Osnovni izmenični tokokrogi: Enačbe: Kapacitivna upornost: Induktivna upornost: 13

14 6. Serijsko RL breme: Diagrami si sledijo po naslednjem redu (od leve proti desni): Napetostni kazalčni diagram, kazalčni diagram upornosti in kazalčni diagram moči. 7. Paralelno RL breme: 14

15 Diagrami si sledijo: tokovni kazalčni diagram, diagram prevodnosti, diagram moči. 15

16 8. Kako kompenziramo jalovo moč serijskega RL bremena z zaporedno vezanim kondenzatorjem in kako s paralelno vezanim kondenzatorjem?: 16

17 6. TRANSFORMATORJI, ELEKTRIČNI STROJI, TRIFAZNI SISTEMI ENOFAZNI TRANSFORMATOR 1. Na katerem zakonu sloni delovanje enofaznega transformatorja in ga zapišite! Delovanje enofaznega transformatorja sloni na Faradayevem zakonu elektromagnetne indukcije: 2. Zakaj transformator ne deluje na enosmerni tok? Transformator ne deluje na enosmerni tok zato, ker enosmerni tok povzroča konstanten fluks Konstanten fluks pa ne bo ustvaril pogojev, da bi se v navitjih transformatorja inducirala kakršnakoli napetost, ki je pogoj za delovanje transformatorja. 3. Napišite prestavno razmerje transformatorja na osnovi razmerja efektivnih vrednosti induciranih napetosti! Inducirani napetosti v primarnem in sekundarnem navitju: Inducirani napetosti zapisani z efektivnima vrednostima Tvorimo razmerje efektivnih vrednosti induciranih napetosti v primarnem in sekundarnem navitju, pri čemer dobimo: p je prestavno razmerje transformatorja, ki nam pove, da sta efektivni vrednosti induciranih napetosti v primarnem in sekundarnem navitju v razmerju števila ovojev primarnega in sekundarnega navitja. 4. Kako se transformirajo tokovi pri enofaznem transformatorju? 5. Kakšna je navidezna moč na primarni in sekundarni strani transformatorja? Navidezna moč na primarni strani transformatorja je: Navidezna moč na sekundarni strani transformatorja je: 17

18 6. Katere so bistvene razlike med transformatorjem in ojačevalcem? Bistvena razlika med transformatorjem in ojačevalnikom je, da transformator preoblikuje napetost v neko drugo izmenično napetost iste frekvence, vendar drugačne amplitude (višje ali nižje), medtem, ko se pri ojačevalniku spreminja tudi frekvenca. 7. Kje in zakaj uporabljamo merilne transformatorje? Merilne transformatorje uporabljamo za merjenje napetosti nad 500 V. Naloga merilnih transformatorjev je, da visoko napetost znižajo na okrog 100 V. Z napetostnim merilnim transformatorjem razširimo merilno območje voltmetra, zato je zanj značilno prestavno razmerje, ki je mnogo večje od ena, oz. primarno število ovojev N1, ki močno presega sekundarno število ovojev N2. 8. Zakaj jih lahko uporabljamo samo pri izmeničnih napetostih in izmeničnih tokovih? Uporabljamo jih lahko samo pri izmeničnih napetostih in izmeničnih tokovih, zato ker enosmerni tok ne ustvari pogoje, da bi se v navitju transformatorja inducirala napetost. 9. Kako razširjamo merilno območje v enosmernih tokokrogih? Enosmerni tok povzroča konstanten magnetni pretok, ki ne more inducirati nikakršnih napetosti. Ta trditev velja tudi za merilne transformatorje. To pomeni, da napetostnih in tokovnih merilnih transformatorjev ne moremo uporabiti za razširjanje merilnega območja voltmetrov in ampermetrov pri enosmernih meritvah, temveč le pri meritvah z izmeničnimi napetostmi in tokovi. 10. Narišite vezavo napetostnega merilnega transformatorja, označite napetost, ki jo posredno merimo in napišite pripadajoče enačbe. Voltmeter je preko sponke U2, V2 priključen na sekundarno stran transformatorja in meri napetost U2. Napetost U1 na visokonapetostni strani transformatorja izračunamo s pomočjo prestavnega razmerja 11.. Narišite vezavo tokovnega merilnega transformatorja, označite tok, ki ga posredno merimo in napišite pripadajoče enačbe. Z amper metrom v sekundarnem tokokrogu merimo tok I2. Tok I1, ki teče v visokonapetostnem tokokrogu izračunamo s pomočjo enačbe 18

19 Iz enačbe je razvidno, da ampermetru razširimo merilno območje le tedaj, če je prestavno razmerje tokovnega merilnega transformatorja manjše od 1. Z drugimi besedami, mora imeti sekundarno navitje transformatorja večje število ovojev kot jih ima primarno navitje. 12. Zakaj tokovnega merilnega transformatorja ne smemo priključiti v prostem teku? Tokovnega merilnega transformatorja ne smemo priključiti v prostem teku, ker izpade protivzbujanje in delovna točka se premakne po magnetilni krivulji v nasičenje. Železno jedro je v takem primeru močno preobremenjeno, se nedopustno segreje in ga za preciznejše meritve ni več mogoče uporabiti. 7. ENOSMERNI STROJI 1. Kakšen pomen ima komutator pri enosmernem generatorju? Vloga pomen komutatorja pri enosmernem generatorju je v tem, da izmenično napetost, ki se inducira v tokovni zanki pretvori v enosmerno pulzirajočo napetost na zunanjih priključnih sponkah generatorja. 2. Kakšen pomen ima komutator pri enosmernem motorju? Vloga komutatorja pri enosmernem motorju je ravno nasprotna tisti, ki jo komutator igra pri enosmernem generatorju. Pri enosmernem motorju namreč komutator prekinja enosmerni tok, ki teče v zunanjih dovodih in ga pretvarja v izmenični tok pravokotne oblike v tokovni zanki. 3. Zapišite zunanjo enačbo enosmernega generatorja in zunanjo enačbo enosmernega motorja na podlagi 2. Kirchoffovega zakona. Zunanja enačba enosmernega generatorja oziroma ohmski padec napetost zunanja napetost generatorja inducirana napetost napetost na ščetkah zanemarimo Zunanja enačba enosmernega stroja oziroma napetost na ščetkah zanemarimo 19

20 4. Zapišite notranje enačbe (osnovne enačbe) enosmernega stroja: enačbo inducirane napetosti v rotorskem navitju, enačbo notranjega vrtilnega momenta in enačbo notranje moči. Inducirano napetost v rotorskem navitju Ui lahko izračunamo z uporabo enačbe za prečkalno inducirano napetost v vodniku dolžine l, ki se s hitrostjo v giblje v homogenem magnetnem polju Enačba notranjega vrtilnega momenta Notranji vrtilni moment enosmernega stroja je direktno proporcionalen magnetnemu pretoku in rotorskemu toku. Enačba notranje moči enosmernega stroja je 5. Kako uporabimo osnovne enačbe pri enosmernem motorju za izračun vrtilne hitrosti in kako pri izračunu zagonskega toka? Vrtilna hitrost. Zagonski tok: 6. Na katera dva načina lahko zmanjšujemo zagonski tok enosmernih motorjev? Zagonski tok enosmernih motorjev lahko zmanjšamo z zmanjšanjem napetosti U v trenutku zagona, ali pa z zaporedno vezavo zagonskih upornosti k rotorskemu navitju enosmernega motorja. 7. Kako lahko nastavljamo vrtilno hitrost pri enosmernih motorjih? Vrtilno hitrost pri enosmernih motorjih lahko nastavljamo na naslednje načine: z magnetnim pretokom, s spreminjanjem inducirane napetosti, z napetostjo mreže Nastavljanje vrtilne hitrosti motorja z omrežno napetostjo U je možno le v primeru, če so v mreži na razpolago različne napetosti. Običajno pa ima mreža stalno napetost, zato prihaja ta način le izjemoma v poštev. Ker pri tem ne nastajajo nikakršne dodatne izgube, je zelo primeren za trajne spremembe vrtilne hitrosti. Drugi način napetostnega krmiljenja vrtilne hitrosti motorja je s spreminjanjem inducirane napetosti. Pri tem načinu sta napetost mreže U in magnetni pretok φ konstantna, vrtilno hitrost pa lahko le znižamo. Ker pri spreminjanju vrtilne hitrosti same obremenitve motorja ne spreminjamo, predpostavljamo pa tudi, da sprememba vrtilne hitrosti ne vpliva na potek segrevanja motorja, smatramo, da je ne glede na način krmiljenja (napetostno ali z magnetnim pretokom) rotorski tok konstanten. Pri nastavljanju vrtilne hitrosti z inducirano napetostjo potem lahko znižanje vrtilne hitrosti dosežemo le tako, da povečamo upornost rotorskega tokokroga z dodatnimi upornostmi. Magnetni pretok φ spreminjamo tako, da spreminjamo vzbujevalni tok. Ker se v nasičenju magnetni pretok ne povečuje, najsi še tako povečujemo vzbujevalni tok ( s tem pa večamo tudi izgube in slabšamo izkoristek), je smiselno le zmanjševanje magnetnega pretoka. Ob zmanjševanju magnetnega pretoka vrtilna hitrost narašča. Iz enakih razlogov kot pri napetostnem krmiljenju se tudi pri krmiljenju z magnetnim pretokom rotorski tok prav nič ne spreminja (obremenitev motorja je stalna, povečanje vrtilne hitrosti pa ne sme 20

21 vplivati na potek segrevanja motorja). To ima za posledico da je pri konstantni omrežni napetosti U in nespremenjeni upornosti rotorskega tokokroga tudi inducirana napetost konstantna, prav tako pa je konstantna notranja moč POMEMBNO: Pri napetostnem krmiljenju je notranji vrtilni moment konstanten, notranja moč pa proporcionalna vrtilni hitrosti. Pri krmiljenju z magnetnim pretokom ostaja notranja moč ves čas konstantna, notranji vrtilni moment pa z naraščajočo vrtilno hitrostjo upada obratno sorazmerno (hiperbolični potek). 8. TRIFAZNI ASINHRONSKI MOTORJI 1. Razložite pomen vrtilnega magnetnega polja za delovanje trifaznega asinhronskega motorja. Osnova delovanja trifaznega asinhronskega motorja je vrtilno magnetno polje, ki rotor prisili, da se začne vrteti tako, da vrtilnemu magnetnemu polju sledi. Enofazna napetost ne povzroča vrtilnega, temveč le nihajoče magnetno polje. Vrtilno magnetno polje moramo v enofazni mreži ustvariti s pomočjo pomožne faze. 2. Zakaj asinhronskemu motorju pravimo tudi indukcijski motor? Asinhronskemu motorju pravimo tudi indukcijski motor, zato ker rotorskemu navitju ne dovajamo nikakršnega vzbujevalnega toka, temveč teče rotorski tok le kot posledica indukcije zaradi vrtilnega magnetnega polja. 3. Zakaj se asinhronski motor vrti asinhrono, to je počasneje kot vrtilno magnetno polje? Asinhronski motor se vrti asinhrono, zato, ker samo v tem primeru palice rotorskega navitja ne prečkajo silnic vrtilnega magnetnega polja. V trenutku, ko palice rotorskega navitja ne prečkajo več silnic vrtilnega magnetnega polja se ne inducira nobena napetost in rotorski tok preneha teči. Ker preneha delovati tudi sila na posamezno palico rotorskega navitja ni več vrtilnega momenta in rotor se začne zaustavljati, razen, če vrtenje vzdržujemo z zunanjim aktivnim momentom. Zaostajanje vrtilne hitrosti rotorja za sinhronsko vrtilno hitrostjo merimo z zdrsom ali slipom (naslednje vprašanje). 4. Zapišite enačbo za zdrs ali slip. Sinhronizmu ustreza slip, mirujočemu rotorju pa slip 5. Narišite potek vrtilnega momenta asinhronskega motorja. MN nazivni vrtilni moment motorja 21

22 6. V diagramu označite tri točke, ki ustrezajo zagonskemu vrtilnemu momentu, omahnemu vrtilnemu momentu in nazivnemu vrtilnemu momentu motorja. MN... nazivni vrtilni moment Mom... omahni vrtilni moment motorja Mzag... zagonski vrtilni moment motorja 7. Kakšen pomen ima omahni (maksimalni) vrtilni moment motorja? Omahni (maksimalni) vrtilni moment motorja nam prikaže maksimalno obremenitev motorja (glej sliko pri prejšnjem vprašanju). Le do vrednosti omahnega vrtilnega momenta motor razvija pri vsakokratni obremenitvi ustrezno velik vrtilni moment (premica b na sliki pri prejšnjem vprašanju); pri večjih obremenitvah pa nasprotno premajhen vrtilni moment (premica c), zato se bo motor v takem primeru ustavil. Vsakemu nenadnemu povečanju obremenitve motorja ustreza zmanjšanje vrtilne hitrosti motorja n2, pri preobremenitvi, ki presega omahni moment motorja pa sledi njegova zaustavitev ob pregrevanju motorja. 9. TRANSFORMATORJI, ELEKTRIČNI STROJI IN TRIFAZNI SISTEMI 9.1 Naštejte poglavitne razlike med enofaznim in trifaznim sistemom: a) koliko napetosti je na razpolago v enofaznem oziroma v trifaznem sistemu? V enofaznem 1 (230V), v trofaznem 2 (230V,400V) (?). b) kakšen je pretok moči k bremenu v enofaznem in kakšen v trifaznem sistemu s simetrično obremenitvijo? Pri enofaznem generator ni enakomerno obremenjen, pri trofaznem pa je prenos moči konstanten. c) koliko vodnikov bi potrebovali v treh enofaznih sistemih za prenos moči k trem porabnikom oziroma v trifaznem sistemu zvezda ali sistemu trikot za prenos trifazne moči k tem istim porabnikom? 9.2 Kakšna je bistvena razlika med enofaznim generatorjem izmenične napetosti in trifaznim sinhronskim generatorjem? Bistvena razlika je, da se vrtilno magnetno polje vrti skupaj z rotorjemin In pri tem seka ovoje (palice) posameznih faznih navitij. Enofazni generator ima fazno navitje na rotorju in vrtilno magnetno polje na statorju. 22

23 9.3 Kakšno je razmerje med faznimi in medfaznimi napetostmi in kakšno med faznimi in linijskimi tokovi v simetričnem trifaznem sistemu zvezda? Razmerje med faznimi in medfaznimi napetostmi v simetričnem sistemu zvezda je 1/ V vezavi zvezda so fazni tokovi vselej enaki linijskim tokovom. 3 (V vezavi zvezda steče skozi navitje motorja zaradi fazne napetosti tok, manjši od toka skozi navitje v trikotu za razmerje U U f. V dovodu teče pri vezavi trikot linijski tok, ki je večji od faznega, tako da je razmerje zagonskih tokov v vezavi zvezda- trikot I ZY I Z Hkrati z zmanjšanjem zagonskega toka se zmanjša tudi zagonski navor, ki ga razvije motor, v razmerju 1:3. Za je mogoče to vrsto zagona uporabiti pri lahkih zagonih,to je tam kjer ob zagonu no potreben velik navor.) 9.4 Kakšno je razmerje med faznimi in medfaznimi napetostmi in kakšno med faznimi in linijskimi tokovi v simetričnem trifaznem sistemu trikot? u u F I 3 I F 9.5 V katerem primeru ne potrebujemo ničelnega vodnika? V primeru vezave trikot. 9.6 Kakšen praktičen pomen ima možnost ozemljitve ničlišč (ničelnih točk) na generatorski in na bremenski strani trifaznega sistema zvezda? =1/3 10. IZPITNA VPRAŠANJA IZ ELEKTRIČNIH MERITEV 10.1 Pojasnite osnovne pojme električnih meritev: merilno območje, natančnost in razred merilnega instrumenta, občutljivost instrumenta, lastno porabo merilnega instrumenta in dušenje vrtljivega organa merilnega instrumenta. Merilno območje: je podano z maksimalno vrednostjo merilne veličine, ki ji ustreza odklon do konca skale. Instrumenti se običajno izdelujejo z več različnimi merilnimi območji. Če vrednost merjene veličine presega maksimalno vrednost ali merilno območje, instrumenta praviloma ne smemo uporabiti, saj bi ga poškodovali ali celo uničili. Zlasti so na preobremenitv občutljivi precizbi instrumenti. Natančnost in razred merilnega instrumenta: je podana z razredom točnosti. Instrumente oziroma merilne naprave s točnostnimi razredi 0,1 ;0,2 in 0,5 imenuujemo precizne instrumente, instrumente razredov 1; 1,5; 2,5; 5 pa obratovne instrumente. Točnostni razred 1.5 npr pomeni da na skali prikazana vrednost merjene veličine ne sme odstopati več kot za 1,5% končne vrednosti od dejanske vrednosti merjene veličine. 23

24 Občutljivost instrumenta: definiramo s kotom odklona gibljivega merilnega organa (oziroma z odklonom kazalca na skali) na enoto merjene veličine. Potemtakem so bolj občutljivi tisti instrumenti, ki pri merjenju iste veličine pokažejo večji odklon. Lastno porabo merilnega instrumenta: Dušenje vrtljivega organa merilnega instrumenta: 10.2 Merjenje toka z ampermetrom. Znati morate narisati osnovno merilno vezavo, prav tako tudi vezavo z tokovnim merilnim transformatorjem in pojasniti, kje lahko uporabljamo eno in kje drugo vezavo. Ampermeter uporabljamo za merjenje toka, priključimo ga zaporedno z merjencem oz. zaporedno v tokokrog in s tem merimo množino elektrine, ki na enoto časa steče skozi merilnik. Osnovno vezje je v učbeniku na sliki 184, str. 209 s tem, da odstraniš oznako za voltmeter. Z tokovnim merilnim transformatorjem razširimo osnovno merilno območje ampermetra (oz. voltmetra), ki je navadno majhno. Razširimo ga le pri meritvah z izmeničnim tokom (oz. napetostjo). Neodvisno od tega ali je merjeni tok (oz. napetost) enosmeren ali izmeničen, pa moramo osnovno merilno območje inštrumentov razširiti z dodajanjem souporov shuntov (oz. preduporov). Sliki v učbeniku 185 a, str 209. (Rs soupor) Merjenje toka z ampermetrom: Drsni upor je pri meritvi vezan zaporedno z ampermetrom in predstavlja nek potrošnik. Merimo efektivno vrednost električnega toka, ki teče skozi drsni upor (potrošnik). Rezultat odčitamo direktno. (Pazite, ampermetra ne smemo direktno priklučiti na el. Vir!!! Ampermeter ima zelo majhno notranjo upornost). Merjenje toka s tokovnim merilnim transformatorju: Pri tej meritvi uporabimo tokovni merilni transformator, ki ga vežemo tako, da je zaporedno vezano primarno navitje, drsni upor, ki omejuje primarni tok in napetostni vir, kar tvori primarni tokokrog. V sekundarni tokokrog pa vežemo ampermeter. Transformator nam služi za razširitev merilnega območje ampermetra. (Pazite, sekundarnih sponk ne smemo odpreti, saj prazni tek ni dovoljen!!!) 24

25 10.3 Razširjanje merilnega območja ampermetra s soupori ali shunti. Neodvisno od tega ali je merjeni tok enosmeren ali izmeničen, pa moremo osnovno merilno območje razširjati z dodajanjem souporov (shuntov) oziroma preduporov. Slika 185, str Potrebno vrednost soupora ali shunta Rs za razširjanje merilnega območja ampermetra dobimo z upoštevanjem 1. Kirchoffovega zakona za vozlišče: Sledi: 10.4 Merjenje napetosti z voltmetrom. Znati morate narisati osnovno merilno vezavo, prav tako tudi vezavo z napetostnim merilnim transformatorjem in pojasniti, kje lahko uporabljamo eno in kje drugo vezavo. Voltmeter uporabljamo za merjenje napetosti, priključimo ga paralelno k viru napetosti in s tem merimo potencialno razliko. Osnovno vezje je v učbeniku na sliki 184, str. 209 s tem, da odstraniš oznako za ampermeter. Za vezavo z napetostnim merilnim transformatorjem velja tisto kar je pri vprašanju 2. napisano v oklepajih!! Pripadajoča slika pa je 185 b, str Razširjanje merilnega območja voltmetra s predupori. Znati morate narisati pripadajočo vezavo in podati enačbo za izračun predupora. Potrebno vrednost predupora Rp za razširjanje merilnega območja voltmetra dobimo z upoštevanjem 2. Kirchofovega zakona za zanko, narisano na sliki U=Iv*Rp+Uv In uporabe Ohmovegta zakona za osnovno merilno območje voltmetra Uv: Uv=Iv*Rv Iv=Uv/Rv U=Uv/Rv*Rp+Uv Rp=(U-Uv)/Uv*Rv Slika 185 b, str Potrebno vrednost soupora ali shunta Rp za razširjanje merilnega območja voltmetra dobimo z upoštevanjem 2. Kirchoffovega zakona za zanko, narisano na sliki 185 b: sledi: 25

26 Predupor: 10.6 Merjenje upornosti po U-I metodi, z Wheatstoneovim mostičkom in običajnim ohmmetrom. Za vsako vrsto morate znati narisati pripadajočo merilno vezavo, opisati postopek merjenja in podati ustrezne enačbe. U-I metoda: Ni strašno točna. Prednosti: enostavna izvedba, lahko uporabimo enosmerni ali izmenični vir. Slabosti: metoda je nenatančna. R=UR/IR=U/(I-Iv)~=U/I Wheatstoneovim mostičkom: Prednosti: metoda je zelo natančna. Slabosti:metoda je zamudna, občutljiva na jakost vira. Rx=R1*R2/R3 Z običajnim ohmmetrom: Prednosti: enostavna in hitra izvedba. Slabosti: Pri kazalcih instrumenta skala ni linearna zato je odčitane oteženo. U-I metoda: Slika 184 a+b, str Ker neznano upornost merjenca v tej metodi izračunamo s pomočjo Ohmovega zakona, z instrumentov pa odčitavamo izmerjeno 26

27 napetost in tok, imenujemo U-I metodo posredna metoda. Izvor napetosti je lahko enosmeren ali izmeničen. Za U-I metodo je značilno, da poleg pogreškov obeh merilnih instrumentov običajno vnaša še dodatno napako, ki jo imenujemo napaka merilne metode. Neznana upornost za vezavo 184 a:, približna formula: Neznana upornost za vezavo 184 b:, približna formula: Wheatstonov mostiček: Slika 189, str Dva izmed znanih uporov sta nastavljiva (na sliki R1 in R2), s pomočjo katerih nastavimo ravnovesje mostička. Eden izmed njiju služi za grobo uravnovešenje, drugi pa za fino. Ravnovesje mostička, ko je IG=0 : sledi neznana upornost: Ohmeter: 10.7 Merjenje moči z U-I metodo in wattmetrom.kakšne vrste moči lahko merimo po U-I metodi. Znati morate narisati ustrezno merilno vezavo in podati pripadajočo enačbo. Za merjenje električnih moči uporabljamo U-I metodo in posebne merilne instrumente, ki jim pravimo wattmetri. Pri tem ne moremo meriti vseh vrst moči, ki v električnih tokokrogih nastopajo niti z U-I metodo niti z Wattmetri pač pa s kombinacijo obeh načinov. U-I metodo uporabljamo za merjenje enosmernih moči v enosmernih tokokrogih in za merjenje navideznih moči v izmeničnih tokokrogih, ki jih napaja izmenični vir napetosti P=U*I I=IR+Iv Za merjenje električnih moči uporabljamo U-I metodo in Wattmetre, pri tem pa moremo meriti moči, ki v električnih tokokrogih nastopajo, z kombinacijo obeh načinov. U-I metodo uporabljamo za merjenje enosmernih moči v enosmernih tokokrogih in za merjenje navideznih moči v izmeničnih tokokrogih, ki jih napaja izmenični vir napetosti. Slika 184 a: Slika 184 b: S pomočjo U-I metode ne moremo meriti delovnih moči, ki se trošijo v izmeničnih vezjih s kompleksnimi bremeni, prav tako pa ne moremo meriti jalovih moči, ki se pretakajo v izmeničnih tokokrogih Merjenje moči z wattmetrom, osnovna merilna vezava. 27

28 Wattmetri so instrumenti, s katerimi merimo enosmerne moči in delovne moči v izmeničnih tokokrogih. Merilni organ instrumenta običajno deluje na elektrodinamičnem, redkeje na indukcijskem principu. Z wattmetri merimo enosmerne moči in delovne moči v izmeničnih tokokrogih. Elektrodinamični instrumenti: so podobni instrumentom z vrtljivo tuljavico, razlika je, da magnetnega polja, v katerem se vrti vrtljiva tuljavica, ne ustvarimo s trajnim magnetom v obliki podkve, temveč s fiksno tuljavico. Posledica tega je, da je vrtilni moment vrtljive tuljavice proporcionalen produktu tokov skozi fiksno in skozi vrtljivo tuljavico. Indukcijski instrumenti: temeljijo na učinkih elektromagnetne indukcije in zato lahko deluje le na izmenični tok. Slika 192, str Kakšno vrsto moči meri wattmeter v enofaznem izmeničnem tokokrogu s priključenim bremenom v obliki splošne impedance Z? Kadar ima impedanca Z slab cos (na zgornji sliki, To je tedaj ko je R<<Z), meri wattmeter majhno delovno moč, medtem ko je tok I, ki teče skozi tokovno tuljavico wattmetra lahko velik ali celo presega tokovno območje te tuljavica. V takem primeru je tokovna tuljavica preobremenjena in wattmeter lahko uničimo- Da se to ne bi zgodilo, kontroliramo tok, ki teče skozi tokovno tuljavico tako, da v tokovni krog merilne vezave vežemo ampermeter. Napetostna tuljavica na preobremenitev ni tako občutljiva, ker ima sama precejšnjo upornost in ker ji zaradi napetostne zaščite ponavadi vežemo nek predupor Ru, ki sam lahko prevzame del napetosti. Wattmetre priključujemo za merjenje delovne moči (slika 193 a, str 218). Vtrilni moment napetostne tuljavice povzroča delovna komponenta tika Id=I*cosφ, to je tista komponenta, ki leži v fazi z napetostjo, zato wattmeter meri moč: Kadar ima impedenca Z slab cosφ (ko je v kazalčnem diagramu R << Z), meri wattmeter majhno delovno moč, medtem ko je tok I, ki steče skozi tuljavico lahko velik ali celo presega tokovno območje tuljavice, zaradi česar za kontrolo v tokovni krog vežemo ampermeter, da ne bi wattmetra uničili. S pomočjo Hummelove vezave lahko z wattmetri merimo tudi jalovo moč: Merjenje trifazne moči z wattmetri. Merilne vezave. V trifaznih sistemih s simetrično obremenitvijo vseh treh faz, kar v praksi nastopa pri priključitvi trifaznih asinhronskih motorjev, zadostuje, da izmerimo delovno moč ene faze, celotna moč pa je tedaj trikratna izmerjena vrednost: P=3*Pf=3*Uf*If*cos f 28

29 Simetrično obremenjen trifazni sistem z ničelnim vodnikom: (slika 195, str. 219) v trifaznih sistemih s simetrično obremenitvijo vseh treh faz zadostuje, da izmerimo delovno moč ene faze, celotna moč pa je tedaj trikratna izmerjena vrednost: Simetrično obremenjen trifazni sistem brez ničelnega vodnika: (slika 196) za wattmeter, ki v tem primeru meri moč ene faze, moramo ustvariti umetno zvedišče s tremi upori, ki morajo biti usklajeni z wattmetrom. Nesimetrično obremenjen trifazni sistem z ničelnim vodnikom: (slika 197) v trifaznem sistemu z ničelnim vodnikom teče v tem nek izravnalni tok. Moč merimo, da izmerimo moč vsake faze posebej in jih seštejemo: Nesimetrično obremenjen trifazni sistem brez ničelnega vodnika: (slika 198) v njem ne teče izravnalni tok. Linijski tok ene faze se da izraziti z linijskima tokoma ostalih dveh faz. Lahko se tudi zgodi, da je linijski tok ene faze negativen zaradi faznih zasukov med napetostjo in tokom. Za merjenje jalove moči trifaznega sistema s simetrično obremenitvijo zadostuje en sam wattmeter (slika 199).Da bi wattmeter meril jalovo moč ena faze moramo medfazno napetost zmanjšati za faktor, kar dosežemo s pravilno izbranim preduporom, vezanim vzporedno z napetostno tuljavico wattmetra, ki prevzeme ustrezni padec napetosti. Skupna jalova moč je enaka trikratni fazni jalovi moči. (Z uporabo 3 wattmetrov lahko merimo skupno jalovo moč NESIMETRIČNO obremenjenega trifaznega sistema z ničelnim vodnikom.) Merjenje delovne moči izvajamo s števci, ki so vezani na enak način kot wattmetri, ker je 11. IZPITNA VPRAŠANJA IZ ELEKTRONIKE 11.1 Polprevodniška dioda, princip delovanja. 29

30 11.2 U-I karakteristika polprevodniške diode, lastnosti v prepustni in v zaporni smeri Osnovna vezava polprevodniškega usmernika izmenične napetosti Zenerjeva dioda in uporaba za stabilizacijo napetosti in kot referenčni izvor enosmernih napetosti. 30

31 11.5 Tranzistor. Karakteristike tranzistorja, enačba delovne premice, kako jo vrišemo v polje karakteristik tranzistorja. Najpomembnejši polprevodniški element so leta 1948 izumili Shockley, Bardeen in Brattain in ga imenovali tranzistor. To ime je bilo skovanka besed Transfer in resistor in naj bi poudarilo, da je tranzisor polprevodniški element, pri katerem lahko krmilimo prehodno upornost elementa. V tem smislu ni bilo najbolj posrečeno, ker je zanemarilo lastnost, ki se je izkazala za bistveno: z novim elementom lahko krmilimo napetosti in tokove elementa. Kljub temu se je ime prijelo in je postalo tako splošno znano, da danes velja že za sinonim. Tranzistor lahko deluje na dva bistveno različna načina: v prvi vrsti lahko deluje kot ojačevalnik majhnih signalov, 31

32 pri čemer je izpodrinil pred tem uporabljane vakuumske cevi (elektronke) in drugič lahko deluje kot brezkontaktno stikalo, pri čemer je izpodrinil releje z mehanskimi kontakti. 32

33 11.6 Razlaga tranzistorskega ojačevalnika na osnovi tranzistorskih karakteristik Stanje ON in stanje OFF, označitev obeh točk v polju karakteristik in razlaga stikalnega delovanja tranzistorja na osnovi obeh stanj Tiristor. Uporaba tiristorja kot krmiljenega usmernika. 33

34 Tiristorski usmernik je sestavljen iz dveh diod in dveh tiristorjev, ki jim lahko s krmilnim pulzom nastavljamo trenutek, ko pričnejo prevajati, Tiristor prevaja od trenutka, ko se na krmilnem vhodu pojavi krmilni signal pa do konca polperiode ( prehoda skozi točko 0V). Kot med začetkom polperiode in začetkom vrednosti napetosti Usr. Na sponke usmernika smo priključili enosmerni motor s paralelnim vzbujanjem. S spreminjanjem srednje vrednosti Usr opazujemo spreminjanje vrtilne hitrosti enosmernega motorja s paralelnim vzburjanjem v praznem teku n Logična vezja AND, OR, NOT. AND: OR: NOT: 34

35 11.10 Operacijski ojačevalniki Operacijski ojačevalnik je posebna izvedba enosmernega ojačevalnika, ki se izdeluje v integrirani tehniki. Ojačevalnik ima na vhodu diferenčno ojačevalno stopnjo, s katero izločimo vpliv sofaznih krmilnih signalov na vhodu. Ojačevalnik je grajen tako, da je potencial vhodnih sponk enak potencialu na izhodu, kadar na vhodu ni krmilnega signala. Takšna izvedba omogoča uporabo povratne vezave preko uporov RP in Rv, s katerima določujemo vrednost ojačanja. Ojačevalnik ima dva vhoda in sicer inventarni (-) in neinvertarni vhod (+). Operacijski ojačevalniki imajo naslednje lastnosti: veliko vhodno upornost (pri idealnem operacijskem ojačevalniku je vhodna upornost neskončno velika, Rvh= ), izredno majhno izhodno upornost (pri idealne operacijskem ojačevalniku je le ta enaka 0 ) in veliko ojačanje (idealni ojačevalnik ima neskončno veliko ojačanje, A0= ) Operacijski ojačevalnik brez povratne zveze Operacijski ojačevalnik s povratno zvezo. Praktikum str 31 35

36 11.13 Primeri uporabe za sumator, D/A pretvornik, invertor, integrator in diferenciator. 36