МАРЈАН Љ. ИВАНОВ
САША СКОКО
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА ЗА III И IV РАЗРЕД СРЕДЊЕ ЕЛЕКТРОТЕХНИЧКЕ ШКОЛЕ
ОБРАЗОВНИ ПРОФИЛИ: ЕЛЕКТРОТЕХНИЧАР РАЧУНАРА И ЕЛЕКТРОТЕХНИЧАР ЕЛЕКТРОНИКЕ
КБ 23286
УМЕСТО САДРЖАЈА : У овом уџбенику пронаћи ћете одговоре на нека од следећих питања: 1. ЕЛЕКТРИЧНА ПОСТРОЈЕЊА - Шта је електроенергетски систем? - Који су основни делови електроенергетског система? - Како се деле и које су врсте електричних мрежа? - Како се врши подела електрана? - Шта су трансформаторска и разводна постројења? - Како користимо обновљиве енергетске изворе? - У чему се огледа значај примене рачунара у управљању радом карактеристичних система у електранама? 2. ЕЛЕКТРИЧНЕ ИНСТАЛАЦИЈЕ - Шта су електричне инсталације? - Како се означавају изоловани проводници и каблови? - Како делимо прекидаче и инсталационе склопке, чему служе и како се примењују? - Које програме можемо користити у изради пројекта електричне инсталације? - Како се правилно прикључују електрични уређаји у домаћинству? 3. ТРАНСФОРМАТОРИ - Шта је трансформатор и где се примењује? - Како трансформатор ради? - Да ли постоје губици у трансформатору? - Како повезујемо намотаје трофазног трансформатора? - Како се трансформатори хладе? 4. АСИНХРОНЕ МАШИНЕ - Како ради асинхрони мотор? - Каква је конструкција асинхроног мотора? - Како се асинхрони мотори пуштају у рад? - Како се електронским уређајима управља асинхроним моторима?
УМЕСТО САДРЖАЈА : У овом уџбенику пронаћи ћете одговоре на нека од следећих питања: 5. МАШИНЕ ЈЕДНОСМЕРНЕ СТРУЈЕ - Каква је конструкција једносмерног мотора? - Како ради мотор, а како генератор једносмерне струје? - Које су основне карактеристике једносмерног генератора? - Како се електронски системи користе у управљању једносмерним моторима? - Које су основне врсте и карактеристике једносмерних мотора?
6.СИНХРОНЕ МАШИНЕ - Каква је конструкција синхроне машине и како она ради? - Које су основне карактеристике синхроног генератора? - Које су основне карактеристике синхроног мотора? -Шта су синхроне машине са сталним магнетима? -Шта су корачни мотори? - Како се користе електронски системи за управљање синхроним машинама?
САРАДНИЦИ НА ПРОЈЕКТУ:
Др Зоран Стевић, Универзитет у Београду Др Жељко Деспотовић, институт Михајло Пупин, Београд дипл.инж. Славица Величковић, Техничка школа Врање Мр Виолета Димић, електротехничка школа Никола Тесла, Ниш
ЕЛЕКТРИЧНА ПОСТРОЈЕЊА - 1.4. НОВИ ИЗВОРИ ЕНЕРГИЈЕ
1.4.1. Биомаса Биомаса представља обновљив извор енергије који настаје од биоразградивих делова нуспроизвода у дрвној индустрији, отпадака и остатака биљне масе или ,,вишка” из примарне пољопривредне производње. Сагоревањем се може користити за производњу топлотне енергије, па и електричне енергије или се пак може конвертовати различитим методама у течно стање (биогориво за саобраћај) или гасификацијом и биолошким разлагањем различитог отпада у гасовито стање (биогас). Биомаса је најважније гориво после угља, нафте и природног гаса. Генерално, биомаса се може поделити на дрвну, недрвну и животињски отпад. У оквиру те поделе разликујемо: дрвну масу (остаци из шумарства, отпадно дрво), дрвну узгојену биомасу (брзорастуће дрвеће), недрвну узгојену биомасу (брзорастуће алге и траве), пољопривредни отпад, животињски отпад и остатке. Биомаса се може користити за добијање електричне и топлотне енергије или за добијање течних и гасовитих горива (биогорива) која се користе у возилима, домаћинствима или у постројењима различитих намена. Годишња производња биомасе на свету процењује се на око 146 милијарди тона, од чега је 80% биомасе дрвног порекла.Највећи корисници биомасе на свету су Шведска и Ирска. Годишњи искористиви потенцијал биомасе у Републици Србији износи око 2.7 Mtoe (Mtoe - милиона тона еквивалентне нафте). Различити облици биомасе приказани су на слици 1.37.
а)
б)
Слика 1.37. - Различити облици биомасе: а) пољопривредни отпад, б) дрвна биомаса
1.4.3. Енергија ветра
Ветар је хоризонтално струјање ваздушних маса настало услед разлике у температурама, односно услед просторне разлике у ваздушном притиску. На слици 1.44а је приказана пловидба бродовима помоћу снаге ветра, на слици 1.44б је млин за млевење жита, док се на слици 1.44в види пумпа за воду.
а)
б)
в)
Слика 1.44. - а) Пловидба снагом ветра; б) млин за млевење жита; в) пумпа за воду
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА Традиција коришћења ветрењача у Србији везана је за подручје Војводине. У 19. веку тамо их је било око 280. Прва ветрењача је изграђена крајем 18. века у Елемиру код Зрењанина. Први ветропарк у републици Србији, снаге 9.9 MW, изграђен је у Кули, у новембу 2015. године. На слици 1.45 приказан је изглед ветропарка. Ветроелектане су уређаји којима се кинетичка енергија ветра трансформише у механички рад и електричну енергију. Њихови основни делови су: темељ, стуб, елисе (лопатице), кућиште и генератор, који се налази у куђишту (сл. 1.46).
Слика 1.45. - Први ветропарк у Србији (Штолц- Кула)
Слика 1.46. - Основни делови ветроелектране
ЕЛЕКТРИЧНА ПОСТРОЈЕЊА - 1.7. ТРАНСФОРМАТОРСКА И РАЗВОДНА ПОСТРОЈЕЊА Разводна постројења служе за развод електричне енергије. Разводна постројења у електроенергетском систему налазе се на местима спајања водова у преносној и дистрибутивној мрежи, и у оквиру електрана. Електрично постројење с једним енергетским трансформатором или с више енергетских трансформатора назива се трансформаторска станица. На слици 1.54а је приказан њен изглед, с елеметима разводног постројења, а на слици 1.54б су разводна постројења ТС 35/10 кV. У трансформаторску станицу улазе и из ње излазе водови (ваздушни и кабловски) за сопствено напајање и напајање разних потрошача. Електрична постројења могу се постављати у зградама и на отвореном (под ведрим небом) и могу да буду оклопљена. Ваздухом изолована отворена постројења средњег напона и металом оклопљена постројења постављају се у бетонске или у зидане објекте.
Слика 1.54а. - Елементи разводног постројења А: примарна страна; B: секундарна страна: 1. далековод примарне стране, 2. заштитни вод, 3. надземни вод, 4. напонски трансформатор, 5. растављач, 6. прекидач, 7. струјни трансформатор, 8. одводник пренапона, 9. енергетски трансформатор, 10. контролна зграда, 11. заштитна ограда, 12. далековод секундарне стране
ЕЛЕКТРИЧНЕ ИНСТАЛАЦИЈЕ - 2.7.2. СИЈАЛИЦЕ Штедљиве сијалице произведене су у другој половини XX века и од тада се све више примењују у свету, поготово у земљама ЕУ, где је предвиђено да с временом у потпуности замене класичне сијалице с ужареним (волфрамовим) влакном. Развојем нових технологија с циљем да се повећа комфор у осветљењу применом штедљивих сијалица, добили смо могућност да и у ноћним сатима у становима уживамо у вештачком светлу веома сличном боји дневног, природног светла. Такво вештачко светло више прија оку и мање га оптерећује. Иако се у штедљиве сијалице убрајају и такозване флуоресцентне цеви, којима се такође штеди струја, ипак се због начина употребе (не изискују додатну опрему за рад) и дужег века трајања штедљивим сијалицама називају компактне флуо-светиљке с грлом Е27 или Е14 (мињон), које се једноставно заврћу у постојећа сијалична места у домаћинствима. Штедљива сијалица снаге 20 W замењује класичну сијалицу од 100 W и траје шест пута дуже од класичне. Коришћењем само једне такве сијалице остварује се годишња уштеда од око 170 kWh. Обична сијалица за месец дана, уз шест сати рада на дан, утроши 18 kWh електричне енергије, док штедљива за исто време потроши свега 3.6 kWh - за 14,4 kWh мање. На слици 2.47 приказане су штедљиве сијалице. У стакленој цеви тих сијалица је инертни гас аргон или мешавина аргона и криптона под притиском од само 20,265 Pa. Такође, у цеви је врло мала количина живе, између 3 и 15 mg, али у укљученој сијалици, која је загрејана, жива је у облику паре и у таквом стању притисак је врло низак, свега 7, 09 Pa.
Слика 2.47. - Штедљиве сијалице
LED-сијалица је вештачки извор светлости и чини је више LED-диода. Назив LED потиче од скраћенице за три енглеске речи LIGHT EMMITING DIODE - диода која емитује светлост. Ове сијалице раде на принципу електролуминисценције, појаве која настаје при рекомбинацији електрона и шупљина у полупроводнику. За рад LED светиљки потребна је контролисана једносмерна струја, па су оне обично већ снабдевене потребним погонским уређајима (драјверима). Саме LED-диоде не производе велике количине топлоте, али погонски уређаји је производе. Стога су ове светиљке изузетно осетљиве на високе температуре, па су обично опремљене хладњацима. LED-светиљке имају дужи радни век у поређењу с инкадесцентним сијалицама и неким флуоресцентним сијалицама, али уз више почетне финансијске трошкове. Ефикасност LED-светиљки наставља да се побољшава, а неки чипови су способни да дају више од 100 lm/W. Једна LED-диода (површине реда неколико квадратних милиметара) не емитује светлост у свим правцима, али се тај проблем решава дизајнирањем светиљке с више диода. Ефикасност LED-светиљки је углавном значајно већа од ефикасности инкандесцентних сијалица, тако да за исту снагу LED-светиљке дају много више светлости. Примењују се за унутрашње и спољапње осветљење. LED-светиљке приказане су на слици 2.48.
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА
Слика 2.48.- LED- светла: а) изглед LED светла за осветљење; б) флекс траке (LED светла у сигнализацији)
LED-осветљење изузетно добро подноси падове напона24 у мрежи, а број паљења и гашења није ограничен, за разлику од штедљивих сијалица. Све већи и бржи напредак LED-осветљења резултира и све дужим веком трајања, који сада износи око 25.000 радних сати. Примера ради, мастер LED-сијалица MV NR63, снаге 7 W, има 45.000 радних сати. Упоредне карактеристике LED-сијалице, штедљиве сијалице и обичне сијалице с ужареним металним (волфрамовим) влакном дате су у табели 2.4.
Табела 2.4. - Упоредне карактеристике LED-сијалице, штедљиве сијалице и обичне сијалице с ужареним металним (волфрамовим) влакном (време трајања, потрошња електричне енергије)
РЕЗИМЕ
Задатак електричне инсталације јесте да обезбеди поуздан, сигуран рад уређаја и машина, као и сигуран и безбедан боравак људи у стамбеним и индустријским објектима у неограниченом временском периоду. Да би се ти услови испунили, електрична инсталација мора да буде пројектована и изведена у складу с постојећим прописима и стандардима у овој области. Извођење радова на електричним инсталацијама, стручни надзор приликом извођења радова и вођење документације грађевинског дневника обављају предузећа с лиценцом за извођење радова. Приликом извођења електричних инсталација извођач је дужан да се придржава пртојектне документације, а за свако одступање од пројекта мора имати сагласност инвеститора.
ТРАНСФОРМАТОРИ - 3.3. КОНСТРУКЦИЈА ТРАНСФОРМАТОРА
3.3.2.Електрично коло трансформатора Електрично коло трансформатора чине намотаји. Код једнофазних трансформатора најчешће су на магнетно коло постављена два намотаја од којих је један примарни, а други секундарни намотај. Важно је нагласити да било који намотај трансформатора може да буде у улози примара, односно секундара. Зато се често намотаји деле и на високонапонске и нисконапонске - да би се јасније дефинисала њихова намена. Високонапонски намотај трансформатора мале снаге направљен је од изоловане бакарне жице мањег попречног пресека (већи напон и слабија струја) и већег броја навојака. Нисконапонски намотаји имају мањи број навојака и праве се од изоловане бакарне жице већег попречног пресека (мањи напон и јача струја). Без обзира на то да ли је магнетно коло стубног или оклопљеног типа, намотаји примара и секундара постављају се на стубове магнетног кола. На Слика 3.5. - Положај намотаја стубног слици 3.5. приказан је начин постављања намотаја на трансформатора магнетно коло стубног трансформатора.
Слика 3.6. - Постављање намотаја на централни стуб оклопљеног трансформатора: а) један преко другог; б) један иза другог.
На слици 3.6 приказан је начин постављања намотаја примара и секундара на магнетно коло оклопљеног трансформатора. Намотаји оклопљеног трансформатора могу да буду постављени један преко другог, као што је то приказано на слици 3.6а, при чему је секундарни намотај постављен ближе стубу, а примарни намотај обухвата секундарни Други начин постављања приказан је на слици 3.6б: намотаји су постављени један изнад другог. Према начину постављања и међусобном положају, намотаји трансформатора могу да буду концентрични, односно колутни ( прстенасти). За енергетске трансформаторе мале снаге намотаји су најчешће концентрични.
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА
3.7. ТРОФАЗНИ ТРАНСФОРМАТОРИ 3.7.2. Спрежне групе трофазних трансформатора а) Спрега Yy0 Спрега Yy0 означава да су високонапонски и нисконапонски намотаји трансформатора спојени у звезду. Сатни број 0 означава да нема фазног помераја између одговарајућих фазних напона високонапонске и нисконапонске стране трансформатора. На слици 3.25а приказано је повезивање намотаја примара и секундара за наведену спрегу, док је на слици 3.25б приказан одговарајући векторски дијаграм напона примара и секундара.
РЕЧНИК КЉУЧНИХ ПОЈМОВА РЕЧНИК КЉУЧНИХ ПОЈМОВА - ТРАНСФОРМАТОРИ Трансформатор - статички електромагнетни уређај који ради на принципу електромагнетне индукције Магнетно коло - конструкциони део трансформатора који се добија слагањем одговарајућих профила трансформаторских лимова. Електрично коло примара и секундара - намотаји примара и секундара трансформатора Преносни однос трансформатора - број који се добија као однос примарног и секундарног напона Спрега трансформатора - начин повезивања намотаја трансформатора
АСИНХРОНЕ МАШИНЕ - 4.9. ПРОМЕНА БРЗИНЕ АСИНХРОНОГ МОТОРА
4.9.2. Промена брзине променом броја пари полова Полазећи од израза за синхрону брзину обртања (4.14) може се закључити да број пари полова директно утиче на вредност синхроне брзине. При томе је однос обрнуто пропорционалан: с повећањем броја пари полова смањује се синхрона брзина мотора (видите табелу 4.1). Број пари полова може се мењати на два начина. Први начин је постављање два независна статорска намотаја, од којих сваки има различит број пари полова. Прикључењем једног или другог трофазног наммотаја на електричну мрежу постижу се различите синхроне брзине обртног поља, па ће мотор имати различите брзине обртања. На слици 4.26а приказана је принципска шема асинхроног мотора са два одвојена намотаја и две различите синхроне брзине обртања.
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА
Други начин је постављање једног трофазног намотаја на статор с остављеним изводима тако да се током рада могу превезати на различит број пари полова. На слици 4.26б и 4.26в приказано је превезивање намотаја једне фазе за две синхроне брѕине. Основни недостатак ове методе је што се промена брзине врши у одговарајућем односу и не постоји могућност континуалне промене брзине мотора. Промена брзине променом броја пари полова се користи код кавезних асинхроних мотора.
ТЕСТ ЗА ПРОВЕРУ ЗНАЊА
МАШИНЕ ЈЕДНОСМЕРНЕ СТРУЈЕ - 5.3. КОНСТРУКЦИЈА ЈЕДНОСМЕРНЕ МАШИНЕ На слици 5.2а приказан је пресек машине једносмерне струје опште намене са одговарајућим конструкционим елементима.
а)
б)
Слика 5.2. - Мотор једносмерне струје: а) попречни пресек с конструкционим деловима; б) куђиште мотора с вентилатором за форсирано хлађење.
Основни конструкциони елементи означени су следећим бројевима; 1 - вратило машине, 2 - лежај са штитницима погонског дела вратила, 3 - расподељени намотај ротора машине смештен у одговарајуће жњебове, 4 - намотај статора концентричног типа постављен на полове магнетног кола статора, 5 - магнетно коло статора, 6 - магнетно коло ротора, 7 - прикључна кутија машине са изведеним стезним контактима, 8 - носач са четкицама, 9 - лежај са штитницима на страни вратила које носи комутатор, 10 - комутатор машине, 11 - прикључне стопе машине за причвршћивање на радну основу, 12 - бочна страна с носачем лежаја, 13 - поклопац вентилатора, 14 - вентилатор. На слици 5.2б приказано је кућиште машине са системом за форсирано хвађење: 1 - прикључна кутија машине, 2 - погонски мотор вентилатора, 3 - вентилатор који треба да обезбеди одговарајући проток ваздуха (Qv). Комутатор се формира од бакарних ламела (кришки), које се постављају једна до друге на основу носача ламелираног венца (сл. 5.3в). Ламеле се ппоизводе од тврдо вученог електро литичког бакра, који се одликује великом електричном и топлотном проводљивошћу и малим коефицијентом трења. Изглед једне ламеле (кришке) приказан је на слици 5.3а.
а)
б)
в)
Слика 5.3. - Ламеле комутатора: а) ламеле (кришке); б) начин слагања ламела у форми ламелираног венца; в) комутатор с належућим четкицама.
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА Формирање ламелираног венца комутатора приказано је на слици 5.3б где је: 1 - контакт на ламели за причвршћивасње (тврдим лемљењем) извода секције роторског намотаја , 2 - изолациона испуна између ламела комутатора, а 3 - ламела. Ламеле су међусобно изоловане да би се спречили кратки спојеви између појединих извода секција роторског намотаја. За машине мале снаге и микромоторе ламелирани венац се поставља у основу од пластичне масе на бази епокси - смола (сл. 5.4б). За електричне машине веће снаге ламелирани венац се поставља на основу коју чине конусни прстен и ваљак чији су крајеви изведени у облику ластиног репа. Конусни прстен се вијчано причврсти за ваљак и на тај начин фиксира ламелирани венац (сл. 5.4а). То се ради за потребе ремонта и када треба заменити ламелирани венац после хаваријских стања.
а)
б) Слика 5.4. - Начин причвршћења ламелираног венца за основу комутарора: а) за машине веће снаге; б) за машине мале снаге.
Четкице остварују електрични контакт између извора напајања ротора и комутатора (сл. 5.3в), односно учествују у спровођењу електричне струје посредством комутатора до проводника електричног кола ротора. У процесу израде четкица најчешће се користи угљен или графит с комбинацијом других проводних материјала. На основу материјала од ког су направљене, разликују се следеђе врсте четкица: угљене, угљенографитне, електрографитне, металографитне и графитне четкице везане синтетичким смолама. МАШИНЕ ЈЕДНОСМЕРНЕ СТРУЈЕ - 5.7. ПРИМЕНА ПОЛУПРОВОДНИЧКЕ ТЕХНИКЕ И РАЧУНАРА У УПРАВЉАЊУ ЈЕДНОСМЕРНИМ МАШИНАМА
5.7.5. Управљање моторима једносмерне струје у системима електричне вуче
Слика 5.31. Принципски систем напајања вучних мотора тиристорских локомотива
СИНХРОНЕ МАШИНЕ - 6.8. ПРИМЕНА ЕЛЕКТРОНСКИХ УРЕЂАЈА И РАЧУНАРА У УПРАВЉАЊУ СИНХРОНИМ МАШИНАМА
6.8.2. Примена електронских уређаја и рачунара у системима побуде синхроних генератора
С развојем полупроводничке технике, а нарочито статичких претварача енергетске електронике, електромеханички побудни системи постепено су замељени електронским. Зато се данас за побуђивање синхроних генератора најчешће користе различите врсте (топологије) тиристорских исправљача, који енергију добијају из система сопствене потрошње електране. На слици 6.26 приказана је принципска шема напајања ротора синхроног генератора из пуноуправљивог тиристорског претварача (побудни претварач).
Слика 6.26. - Принципски систем напајања ротора тиристорским претварачем
Генератор се побуђује прво успостављањем почетне побуде. Када се изврши почетно побуђивање генератора, искључује се почетна побуда, а укључује тиристорска будилица. Променом угла паљења тиристора регулише се побудна струја генератора. Приказани систем напајања подразумева постојање клизних прстенова и четкица на ротору генератора. Код синхроних генератора новијих конструкција постоје примери безконтактних побудних система који се реализују путем обрног трансформатора. Принципски систем бесконтактне побуде приказан је на слици 6.27.
Слика 6.27. - Принципски систем безконтактног напајања путем обртног трансформатора
ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА Примар обртног трансформатора је статичан и физички је причвршђен за статор генератора. Секундар се окреће заједно с ротором и напаја исправљач, који је такође постављен на ротор генератора. Енергија се преноси преко спрежног поља електромагнетном индукцијом с примара на секундар обртног трансформатора. Системи за побуђивање генератора узимају електричну енергију с крајева самог генератора, па се често називају и самоподудни системи. На слици 6.28 приказана је општа структура савременог система за побуђивање синхроних генератора. Савремени управљачки системи реализују се путем PLC система с одговарајућим додатним аналогним и дигиталним улазно-излазним модулима, којима се контролише рад система. PLC системи су индустријским протоколима за комуникацију повезани с контролном собом у електрани, у којој се налазе рачунарски системи с припадајућим апликативним софтвером за управљање и заштиту.
Слика 6.28. - Принципска блок шема тиристорског система самопобуде синхроног генератора са компаундацијом
Завод за уџбенике, Београд, 2017. www.zavod.co.rs ХВАЛА НА ПАЖЊИ
Предметни уредник: Гордана Дугошија Тел: 064/807-2360, email: gdugosija@gmail.com