Cezary Łucyk
ZASADY ENERGOELEKTRYKI
Warszawa 2015
© Copyright by Cezary Łucyk, 2015
Wszelkie prawa zastrzeżone. Prawa autorskie przedstawionego tekstu należą do autora. Pracy - w całości lub części - nie można rozpowszechniać ani wykorzystywać w jakiejkolwiek formie naruszającej prawa autora.
Wydanie IV, zmienione
Wersja internetowa http://www2.wt.pw.edu.pl/~clucyk
Zasady energoelektryki 3
SPIS TREŚCI
PRZEDMOWA ... 5WSTĘP ... 7
1. WIADOMOŚCI OGÓLNE ... 9
1.1. Energia elektryczna a inne postacie energii ... 9
1.2. Układy i urządzenia energoelektryczne ... 11
1.3. Modele źródeł i odbiorników energoelektrycznych ... 14
1.4. Straty mocy w urządzeniach energoelektrycznych ... 17
1.5. Straty mocy w materiałach elektrycznych i magnetycznych przy prądzie sinusoidalnym ... 19
1.6. Procesy cieplne w urządzeniach energoelektrycznych ... 20
1.7. Rodzaje pracy urządzeń energoelektrycznych ...29
1.8. Warunki pracy urządzeń energoelektrycznych ...37
2. TRANSFORMATORY I MASZYNY ELEKTRYCZNE ... 42
2.1. Przenoszenie energii za pośrednictwem pola magnetycznego ... 42
2.2. Transformator jednofazowy ...48
2.3. Transformatory trójfazowe ... 54
2.4. Elektromechaniczne przetworniki energii o polu magnetycznym ...61
2.5. Pola magnetyczne i uzwojenia w maszynach elektrycznych ... 72
2.6. Maszyny indukcyjne trójfazowe ... 81
2.7. Silniki indukcyjne jednofazowe ... 99
2.8. Maszyny synchroniczne trójfazowe ... 105
2.9. Maszyny prądu stałego ... 111
2.10. Silniki komutatorowe jednofazowe ... 122
2.11. Układy wielomaszynowe ... 125
3. ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA ... 127
3.1. Wiadomości ogólne o źródłach światła ... 127
3.2. Żarówki ... 130
3.3. Lampy wyładowcze ... 131
3.4. Diody luminescencyjne ... 136
4. OGNIWA GALWANICZNE ... 138
4.1. Wiadomości ogólne o ogniwach galwanicznych ... 138
4.2. Procesy elektrochemiczne w ogniwach galwanicznych ... 140
4.3. Pierwsze ogniwa galwaniczne ... 141
4.4. Współczesne ogniwa galwaniczne ... 144
5.2. Sieci elektroenergetyczne ... 150
5.3. Jakość energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom ... 153
5.4. Spadki napięcia, straty mocy i rozpływy prądów w sieciach prądu stałego i przemiennego .. 158
5.5. Zagadnienia współczynnika mocy, kompensacji mocy biernej i regulacji napięcia w sieci zasilającej prądu przemiennego ... 164
5.6. Układy zasilania z przekształtnikami ... 167
5.7. Zasilanie rezerwowe i autonomiczne układy zasilania energią elektryczną ... 171
5.8. Przekaźnikowo-stycznikowe układy sterowania energoelektrycznych urządzeń odbiorczych niskiego napięcia ... 174
6. NADPRĄDOWA, PODNAPIĘCIOWA l NADNAPIĘCIOWAOCHRONA URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH ... 178
6.1. Elektryczny łuk łączeniowy ... 178
6.2. Zwarcia w obwodach energoelektrycznych ... 191
6.3. Parametry zwarciowe aparatów energoelektrycznych ... 196
6.4. Zabezpieczenia przeciążeniowe, zwarciowe i zanikowe w obwodach odbiorczych niskiego napięcia ... 198
6.5. Napięcie znamionowe i napięcie robocze, przepięcia, ochrona przepięciowa i odgromowa .. 203
7. OCHRONA PRZECIWPORAŻENIOWA ... 215
7.1. Pojęcia i wielkości związane z niebezpieczeństwem porażenia prądem elektrycznym ... 215
7.2. Zakresy napięciowe i układy sieciowe instalacji elektrycznych ... 221
7.3. Sposoby i środki ochrony przeciwporażeniowej w obiektach budowlanych ... 225
7.4. Skuteczność ochrony przeciwporażeniowej w obiektach budowlanych ... 227
7.5. Ochrona przeciwporażeniowa przy urządzeniach elektrycznych o napięciu wyższym od 1 kV ... 234
7.6. Problemy ochrony przeciwporażeniowej w pobliżu zelektryfikowanych linii kolejowych .... 235
LITERATURA ... 238
SKOROWIDZ ... 239
DODATEK ... 243
Zasady energoelektryki 5
PRZEDMOWA
W programie studiów na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej znajdują się przedmioty: „Podstawy elektrotechniki”, „Elektrotechnika” i „Laboratorium elektrotechniki”
(na roboczo: „Elektrotechnika I”, „Elektrotechnika II” i „Elektrotechnika III”), w ramach których studenci, odpowiednio: drugiego, trzeciego i czwartego semestru, zdobywają podstawową wiedzę i niezbędne umiejętności w dziedzinie elektrotechniki.
Wykłady z przedmiotu „Podstawy elektrotechniki” obejmują podstawowe pojęcia elektryczne i magnetyczne, analizę obwodów prądu stałego i sinusoidalnego oraz analizę obwodów magnetycznych strumienia stałego. Materiały do wykładów z przedmiotu
„Podstawy elektrotechniki” znajdują się w podręczniku Elektrotechnika podstawowa (wykłady I-XV).
Program ćwiczeń rachunkowych z przedmiotu „Podstawy elektrotechniki” zawiera analizę obwodów prądu stałego i strumienia stałego. Materiały do ćwiczeń z przedmiotu „Podstawy elektrotechniki” znajdują się w podręczniku Elektrotechnika podstawowa (zadania 1-7).
Wykłady z przedmiotu „Elektrotechnika” są poświęcone: obwodom prądu sinusoidalnego o różnej konfiguracji (blok I obejmujący 3 wykłady), wiedzy ogólnej dotyczącej pracy urządzeń energoelektrycznych, zasadom elektromechanicznego przetwarzania energii, zasadom działania i właściwościom użytkowym maszyn elektrycznych, układom zasilania odbiorników energią elektryczną oraz ochronie urządzeń energoelektrycznych i ochronie przeciwporażeniowej. (blok II obejmujący 12 wykładów). Materiały do wykładów z przedmiotu „Elektrotechnika” znajdują się w podręcznikach: Elektrotechnika podstawowa (wykłady XVI-XVIII) i Zasady energoelektryki (całość).
Program ćwiczeń rachunkowych z przedmiotu „Elektrotechnika” obejmuje obliczanie parametrów przebiegów okresowych prądu i napięcia oraz analizę jednofazowych i trójfazowych obwodów prądu sinusoidalnego. Materiały do ćwiczeń z przedmiotu
„Elektrotechnika” znajdują się w podręczniku Elektrotechnika podstawowa (zadania 8-13).
Wiedza teoretyczna przydatna na zajęciach z przedmiotu „Laboratorium elektrotechniki”
znajduje się w podręcznikach: Elektrotechnika podstawowa i Zasady energoelektryki.
Podręcznik Zasady energoelektryki stanowi kompendium wiedzy inżynierskiej z zakresu elektrotechniki stosowanej. Niniejsze wydanie podręcznika Zasady energoelektryki różni się znacznie od wydania poprzedniego, trzeciego. Zmienił się układ treści, „zniknął” podrozdział o prądach trójfazowych (przeniesiony w nieco rozszerzonej wersji do podręcznika Elektrotechnika podstawowa), pojawiły się dwa nowe rozdziały i fragmenty tekstu pochodzące z wydań wcześniejszych, objaśniono szerzej kilka zagadnień.
Elektrotechnika podstawowa. Może warto przytoczyć w tym miejscu fragment podanego tam uzasadnienia.
«Przyczyny obecnych trudności z wydawaniem podręczników akademickich są znane i oczywiste. Wydawnictwa muszą wypracowywać zysk, a ten pochodzi ze sprzedanych książek. Studenci wolą jednak kserować i fotografować niż kupować, co czyni wydanie każdego nowego podręcznika przedsięwzięciem mocno ryzykownym. W efekcie skryptów i podręczników brakuje, bo nie ma wydawców oraz kupujących, chociaż chętni do czytania oczywiście są.
Studenci nie mają często świadomości, że to oni są współsprawcami powstałej sytuacji.
Domagają się podręczników, lecz nie zamierzają ich kupować. Kserują fragmenty książek oraz ściągają materiały z Internetu, co jest czasochłonne i nie w pełni legalne. Autor nie chce oceniać tego od strony moralnej, pragnie jednak zauważyć, że koszt wydania książki jest - przy odpowiednim nakładzie - zdecydowanie niższy niż koszt jej powielenia lub indywidualnego „wydrukowania z Internetu”.»
Zasady energoelektryki 7
WSTĘP
Elektrotechnika jest działem wiedzy obejmującym zagadnienia związane z zastosowaniami elektryczności w technice. Biorąc pod uwagę rodzaj tych zastosowań, tradycyjnie wyróżnia się energoelektrykę (elektrotechnikę „silnoprądową”) i teleelektrykę (elektrotechnikę
„słaboprądową”).
Przedmiotem zainteresowania energoelektryki są zjawiska elektryczne i magnetyczne - związane z procesami przemiany, wymiany i przenoszenia energii - w urządzeniach, układach i systemach „silnoprądowych” oraz różnego rodzaju efekty towarzyszące tym procesom.
Teleelektryka dotyczy zastosowań elektryczności w telekomunikacji, która zajmuje się przekazywaniem wiadomości za pośrednictwem sygnałów.
Inne zastosowania elektryczności, np. w medycynie, mają charakter interdyscyplinarny.
Występujących tam problemów technicznych nie można rozpatrywać w oderwaniu od zjawisk innej, pozatechnicznej natury. Przykładem takiego podejścia może być podrozdz. 7.1, przedstawiający podstawowe pojęcia i wielkości, związane z niebezpieczeństwem porażenia prądem elektrycznym.
Do najważniejszych urządzeń energoelektrycznych zalicza się: transformatory i maszyny elektryczne, aparaty energoelektryczne, przekształtniki energoelektroniczne, linie zasilające i instalacje, ogniwa galwaniczne i paliwowe, źródła światła, urządzenia grzejne. Do tej grupy natomiast nie należą np. przekaźniki, przyrządy pomiarowe i sterujące, tzn. takie urządzenia elektryczne, których istoty działania nie stanowi przetwarzanie energii, tylko przetwarzanie sygnałów (jest to domena automatyki i teleelektryki). Tego rodzaju przyrządy i urządzenia mogą jednak pełnić ważne funkcje kontrolne i sterownicze w układach energoelektrycznych.
Z punktu widzenia energoelektryki liczy się wtedy efekt ich działania, natomiast sposób fizycznej realizacji zadania nie jest w zasadzie istotny.
Wiele urządzeń energoelektrycznych pracuje w układach elektroenergetycznych (elektroenergetyka zajmuje się uzyskiwaniem, przetwarzaniem, przesyłaniem i wykorzystaniem energii elektrycznej na dużą skalę) i jest z tej racji nazywanych urządzeniami elektroenergetycznymi. Problemy, związane z ich pracą są problemami tak energoelektryki, jak i elektroenergetyki, co jednak nie oznacza, że można te dwa pojęcia utożsamiać. Nie wszystkie problemy energoelektryki odnoszą się do elektroenergetyki i na odwrót.
Przede wszystkim trzeba pamiętać, że elektroenergetyka to nie tylko dział wiedzy, ale również dział gospodarki (podobnie jak transport). Szczególne cechy elektroenergetyki wynikają z pracy urządzeń w złożonym (wielkim) systemie, nazywanym systemem elektroenergetycznym.
oba przydomki: elektroenergetyczne - ze względu na miejsce zainstalowania, a energoelektryczne - ze względu na charakter zjawisk. Podobnie jest z urządzeniami elektrycznymi dużych mocy, wchodzącymi w skład autonomicznych, np. okrętowych, systemów elektroenergetycznych. Natomiast elektroenergetycznych przyrządów pomocniczych (pomiarowych, zabezpieczeniowych, sygnalizacyjnych i sterowniczych), z wyjaśnionych wyżej powodów, nie należy nazywać urządzeniami energoelektrycznymi.
Urządzeń elektrycznych przetwarzających i przesyłających energię w samochodzie - nie można z kolei nazwać urządzeniami elektroenergetycznymi, bowiem układ elektryczny w samochodzie nie jest ani na tyle rozległy, ani złożony, by zasługiwał na miano systemu elektroenergetycznego. Urządzeń trakcji elektrycznej sieciowej również nie zaliczamy do urządzeń elektroenergetycznych. Stanowią one, co prawda, obciążenie systemu elektroenergetycznego, lecz pobierają energię w postaci przetworzonej.
Energoelektryka jest dziedziną rozległą tematycznie. Uporządkowanie powyższych pojęć było konieczne do wyjaśnienia dokonanego wyboru treści podręcznika. Pominięto w nim zagadnienia specjalistyczne, związane wyłącznie z pracą systemu elektroenergetycznego (m.in. zagadnienia stabilności systemu, elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, ochrony przeciwprzepięciowej, dyspozycji mocy) lub układu zasilania trakcji elektrycznej sieciowej (np. analizy obciążeń podstacji, czy wyłączania zwarć „dalekich”), koncentrując uwagę na problemach bliższych użytkownikowi energoelektrycznych urządzeń odbiorczych.
