Skripta Elektr.přístroje část II

a Obrázek 4.8 a časová konstanta je čas, za který by
těleso dosáhlo ustáleného oteplení kdyby neexistoval odvod tepla.

Obrázek 4.8: Oteplovací křivka
22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Po dosažení ustáleného oteplení nastává tepelná rovnováha, tzn. že veškeré teplo
vznikající v proudové dráze se předává chladicím povrchem do okolí, z čehož plyne, že
ustálené oteplení je přímo úměrné ztrátám ve vodiči a nepřímo úměrné ochlazovacím
podmínkám.
S
RI
S
qV
oo
αα
∑
==Θ
2
( 4.18 )
V praxi je výpočet oteplení elektrického přístroje v ustáleném stavu poměrně složitá
záležitost a pro kontrolu základních úvah o dimenzování a návrhu proudové dráhy se provádí
ve stadiu konstrukčního návrhu přístroje. Směrodatné pro posouzení provedení přístroje jsou
následné zkoušky oteplení prováděné v rámci typové zkoušky. Oteplovací zkouška se provádí
pro ověření, zda při zatížení přístroje jmenovitým proudem nepřestoupí oteplení některé části
přístroje dovolenou hodnotu podle příslušné normy.
Oteplení se zkouší jmenovitým proudem a jmenovitým kmitočtem a to na novém
přístroji se všemi kryty. Přístroj musí být namontován v poloze odpovídající normálnímu
použití. V průběhu zkoušky musí být přístroj chráněn před nežádoucím vnějším ohříváním
nebo ochlazováním. Tato skutečnost se týká i přívodů, a proto se při zkoušce měří oteplení na
svorkách přístroje a na přívodech ve vzdálenosti 1m od přístroje. Rozdíl oteplení nesmí
překročit 5
o
C. Přístroje na trvalé zatížení se zkouší tak dlouho, dokud teplota přístroje stoupá
o více jak 1
o
C za hodinu. Přitom se měří úbytky napětí na sledovaných částech (např. spoje,
kontaktní systém), které jsou potom směrodatné při kusové zkoušce každého vyrobeného
kusu.
4.3.2 Zadání
1. Nakreslete schéma zapojení
2. Proveďte zkrácenou oteplovací zkoušku přístroje se jmenovitými parametry U
N
…V,
I
N
…A
3. Naměřené hodnoty zpracujte do tabulky a graficky vyneste oteplovací křivky
jednotlivých měřených míst
4. Pro určená místa zjistěte graficky hodnotu ustáleného oteplení
5. Porovnáním zjištěných ustálených oteplení s hodnotami danými příslušnou normou
zhodnoťte měření
4.3.3 Popis měření
Zkrácenou oteplovací zkoušku provádíme na daném přístroji v obvodu napájeném
z proudového zdroje TZPR (Obrázek 4.9 ), který má vývody odboček transformátoru 100A,
500A a 2000A. Na vývodech odboček jsou připojeny přístrojové transformátory proudu se
jmenovitým převodem na 5A, které slouží pro měření velikosti protékajícího proudu.
Zkoušku provádíme po dobu 1 hodiny a v určených intervalech zjišťujeme vhodným
měřicím přístrojem velikost oteplení v určených místech. V případě, že v těchto místech jsou
připojeny termočlánky Cu-Ko měříme termoelektrické napětí milivoltmetrem a velikost
oteplení zjišťujeme z cejchovní křivky termočlánku (Obrázek 4.10 ).Velikost ustáleného
oteplení určujeme grafickou konstrukcí podle Obrázek 4.11

Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 23

Obrázek 4.9: Proudový zdroj TZPR

Obrázek 4.10: Cejchovní křivka termočlánku měď – konstantan




24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obrázek 4.11: Grafická konstrukce ustáleného oteplení

4.3.4 Zpracování měření a závěr
Měření zpracujte do vhodně navržené tabulky podle toho, jaký, nebo jaké přístroje
k měření oteplení použijete. Výsledky zobrazte graficky a určete velikosti ustáleného oteplení.
Zjištěné hodnoty porovnejte s příslušnou normou.

Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 25
4.4 Měření na stejnosměrném elektromagnetu
4.4.1 Úvod
Během zdvihu kotvy elektromagnetu se koná práce jako důsledek přeměny elektrické energie
v mechanickou energii. Elektromagnet je proto v podstatě elektromechanickým měničem
energie a tudíž strojem podobně jako elektrické stroje točivé. Doba zdvihu kotvy je však
krátká a tedy velikost vykonané práce – na rozdíl od točivých strojů – poměrně malá.
V důsledku toho není pro technické použití elektromagnetů ani tak rozhodující velikost
energie, která se mění v užitečnou práci, jako průběh tahové síly kotvy během zdvihu.
Závislost tahové síly F na zdvihu δ zjišťovanou měřením při stojící kotvě, označujeme jako
statickou tahovou charakteristiku elektromagnetu F = f(δ). Přitom vždy jeden z elektrických
parametrů zůstává konstantní – při napájení stejnosměrným proudem se během zdvihu kotvy
nemění proud.
Statické tahové charakteristiky stejnosměrných elektromagnetů mohou mít různý průběh,
který závisí především na tvarech a rozměrech vzduchové mezery a na jejím uspořádání
vzhledem k budicímu vinutí.

4.4.2 Rozbor úlohy

Obrázek 4.12: Nákres magnetu

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 4.13: Rozptylové toky

Tah elektromagnetu je obecně dán vztahem

F =
δd
dG
F
2
1
m2
m
( 4.19 )
Kde
G
m
=
δ
S
0
µ , ( 4.20 )
F
m
- magnetomotorické napětí F
m
= N⋅I (ampérzávity)
G
m
- magnetická vodivost
δ - vzduchová mezera
Při zanedbání magnetického odporu železa je tahová síla elektromagnetu dána změnou
vodivosti vzduchové mezery

δd
dG
mv
=






δ
σ
δ
µ
S
d
d
0
= -µ
0
2
S
δ

( 4.21 )

pak síla
F =
2
m
2
0
F
2
S
δ
µ ( 4.22 )

V případě jádra o kruhovém průřezu o průměru „d“
F =
2
m
2
27
F
8
d104
⋅
δ
π⋅⋅π
−
= 5
8
10
−
⋅
2
m
dF






δ
π
( 4.23 )

Další úpravou získáme vztah
F =
0
2
2
SB
µ

( 4.24 )
Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 27
Tento vztah, který již uváděl ve svých pracích pan Maxwell a jehož jménem bývá označován,
platí jen při zanedbatelně malém magnetickém odporu železa vzhledem k odporu vzduchové
mezery a za předpokladu rovnoměrného rozložení magnetického pole ve vzduchové mezeře.
První předpoklad bývá dobře splněn při delších vzduchových mezerách, kdy sycení železa
nedosahuje do kolena magnetizační charakteristiky. Druhý předpoklad se zase blíží realitě jen
při krátkých vzduchových mezerách.Pro praktický výpočet tahu kotvy elektromagnetu
musíme proto respektovat cestou korekčních činitelů vliv zdánlivého zvětšení plochy
vzduchové mezery vyklenutím siločar a zmenšení magnetického napětí na mezeře vlivem
rozptylu a úbytků magnetického napětí v železe a sekundárních vzduchových mezerách.

4.4.3 Měření na stejnosměrném elektromagnetu.

U stejnosměrného elektromagnetu je pro konstantní elektrické napětí konstantní i proud t.j.
magnetické naětí (buzení) F
m
= N·I. Magnetický tok je (s krátkodobou výjimkou přítahu)
rovněž časově neproměnný, takže ve feromagnetickém obvodě nevznikají žádné přídavné
ztráty hysterzí ani vířivými proudy. Proto se může u tohoto typu elektromagnetu realizovat
magnetický obvod z plného materiálu. V našem případě budeme měření provádět na
elektromagnetu plášťového provedení s tupou kotvou a komole-kuželovou kotvou
(Obrázek 4.14). U tohoto provedení elektromagnetu prochází magnetický tok vedle pracovní
mezery sekundární mezerou m, případně (podle provedení) pasivními mezerami n. Část
magnetického toku, která se uzavírá mimo prostor pracovní vzduchové mezery δ, nazýváme
rozptylovým tokem. Rozlišujeme obecně dvojí druh rozptylového toku. Tok, který se uzavírá
mimo prostor pracovní vzduchové mezery, ale vstupuje do kotvy, zúčastňuje se na vytvoření
její tahové síly. Tento přídavný tah nazýváme solenoidovým tahem. U plášťového
elektromagnetu je to podle Obrázku 4.2 tok, který se uzavírá v úseku „z“ a je dán vztahem

F
s
=
2
02
m
l
z
d
D
ln
F






πµ

( 4.25 )


Obrázek 4.14: Tupá a kuželová kotva

Část rozptylového toku , která se uzavírá napříč cívkou v úseku „r“ nevstupuje do kotvy a
představuje neužitečný tok Jeho vliv zachycujeme činitelem rozptylu σ. Do tohoto činitele
28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
můžeme zahrnout i úbytky magnetického napětí v železe a na sekundární vzduchové mezeře
„m“.

σ =
m
m
F
F
δ

( 4.26 )

Magnetický tok v pracovní vzduchové mezeře se neuzavírá jen v čelním prostoru mezi
pólovým nástavcem a kotvou, ale uzavírá se i okolním prostorem, jak je naznačeno na obr. xx.
Tím se zvětšuje vodivost vzduchové mezery. „Vyklenutí siločar má stejný vliv na zvětšení
tahu elektromagnetu, jako zvětšení plochy S kotvy. S dostatečnou přesností vyjadřuje činitel
zdánlivého zvětšení plochy ε vztah


ε = 1 +
d
δ
+ 0,5
2
d




δ


( 4.27 )

Pro výsledný tah pak dostáváme vztah :

F = µ
0
π()












+
δ
ε
σ
d
D
lnl
z
8
d
F
2
2
2
2
2
m

( 4.28 )

V případě komole-kuželové kotvy je výsledný tah větší ve srovnání s tupou válcovou kotvou.
Průběh statické tahové charakteristiky se však v podstatě nemění. Zkrácená kolmá vzdálenost
δ´ mezi kuželovými plochami (δ´ = δ-cosα) je hlavní příčinou zmenšení magnetického
odporu vzduchové mezery a tím zvětšení tahové síly elektromagnetu.

4.4.4 Zadání úlohy
A - Změřte a nakreslete průběh statické tahové charakteristiky plášťového stejnosměrného
elektromagnetu s tupou válcovou kotvou č..... a komole-kuželovou kotvou č....(zadá
vyučující).
B - Vypočítejte na základě geometrických rozměrů elektromagnetu a počtu závitů cívky
alespoň jeden bod statické tahové charakteristiky pro tupou válcovou kotvu.
C - Zhodnoťte vliv tvaru vzduchové mezery na průběh statické tahové charakteristiky a
posuďte rozdíl mezi změřenou a vypočtenou velikostí tahu tupé válcové kotvy.










Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 29
4.4.5 Schéma zapojení



Obrázek 4.15: Schéma zapojení
4.4.6 Postup měření
ad A - Zkontrolujeme zapojení úlohy podle schématu zapojení zjistíme hmotnosti zadaných
kotev a misky pro závaží. Jmenovitý proud elektromagnetu (0,16A) nastavíme regulačním
transformátorem ve stole a rezistorem R. Nastavujeme a měříme vzdálenost „x“ (Obrázek
4.16) pro různá zatížení kotvy při konstantním budicím proudu.Začínáme nezatíženou kotvou.
Pomocí dvou matic posouváme opěrnou příložku kotvy nahoru až dojde k přitažení kotvy,
vypneme napájení elektromagnetu a změříme vzdálenost „x“, při které došlo k přítahu (kotva
se nachází ve výchozí poloze). Takto postupujeme i při dalších závažích a končíme přibližně
na 1000g. Vzdálenost „x“ měříme na obou stranách a bereme střední hodnotu. Příslušnou
velikost vzduchové mezery vypočítáme podle vztahu:

δ = h - a - b + x ( 4.29 )

Tabulka 4.3: Naměřené a vypočtené hodnoty
Vzdálenost x [mm]
Měření
č.
Zatížení kotvy
[g]
x
1
x
2
2
21
xx
x
+
=
vzduchová
mezera δ
[mm]
Tah kotvy
F
[N]

30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 4.16: Rozměrový náčrt

Po skončení měření obvod vypneme a vybijeme kondenzátorovou baterii. Podobně postupuje
v další části měření při zjišťování statické tahové charakteristiky s komole-kuželovou kotvou.
Naměřené hodnoty zaznamenáváme do tabulky a vynesme závislost F = f(δ).

Ad B - Pro zadanou kotvu vypočtěte alespoň jeden bod statické tahové charakteristiky a
vyznačte do grafu. Výpočet proveďte podle vzorce

F = µ
0
π()












+
δ
ε
σ
d
D
lnl
z
8
d
F
2
2
2
2
2
m

( 4.30 )

Hodnotu činitele σ zadá učitel

Ad C - Zhodnoťte naměřené a vypočtené hodnoty, případně jejich rozdíly. Vysvětlete vliv
tvaru vzduchové mezery na průběh tahu elektromagnetu.
Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 31

4.5 Měření charakteristiky tepelného relé
4.5.1 Rozbor úlohy
Nadproudové spouště a relé jsou elektrické přístroje, které chrání rozvod elektrické
energie nebo spotřebiče před účinky nadproudů (proudy přetížení a proudy zkratové). Spouště
působí mechanicky na volnoběžku nebo zámek spínacího přístroje, relé působí svými
kontakty v elektrickém ovládacím obvodu spínacího přístroje (např. tepelné stykačové relé
působí svým klidovým kontaktem v obvodu ovládací cívky stykače). Funkčním prvkem
tepelných spouští a relé jsou převážně dvojkovy.
Je-li spoušť nebo relé připojeno přímo do jištěného obvodu hovoříme o spoušti nebo
relé primárním, pokud však je spoušť nebo relé připojeno na sekundární vinutí přístrojového
transformátoru proudu, jedná se o spoušť, resp. relé sekundární.
Funkci tepelné spouště a relé popisuje vypínací charakteristika, což je závislost doby
vypnutí na násobku jmenovitého proudu spouště nebo relé t = f(n.I
N
). Je to charakteristika
časově závislá jak udává obr. 4.9
Charakteristiky tepelných spouští a relé se měří vždy buď z teplého nebo studeného
stavu. První případ znamená, že příslušný prvek je ohřátý průchodem jmenovitého proudu,
druhý případ předpokládá, že spoušť nebo relé je ochlazené na teplotu okolí. V obou
případech je nutno po změření každého bodu charakteristiky zařadit čekací dobu než bude
měřen další bod.

Obrázek 4.17:Chrakteristika tepelného relé T17I
32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.5.2 Popis zkoušeného přístroje
Měření bude prováděno na tepelném relé T17I (výrobce Elektropřístroj Praha-Modřany)
ve spojení se suvným elektromagnetickým stykačem řady C téhož výrobce. Relé je určeno
k jištění trojfázových indukčních motorů nn proti přetížení. Proti účinkům zkratových proudů
je nutno obvod jistit jističem nebo tavnými pojistkami.
Dobu působení relé udává norma ČSN EN 60947-1. Relé nesmí působit za méně než 2
hod. počínaje ze studeného stavu při 1,05 násobku proudového nařízení a musí působit za
méně než 2 hod. při následném zvýšení proudu na 1,2 násobek. Při nastavení 1,5 násobku
proudového nastavení musí působit za méně než 2 minuty, resp. 8 min. počínaje z tepelně
ustáleného stavu a při 7,2 násobku musí relé působit mezi 2 – 10 s ze studeného stavu.
Relé je teplotně kompenzováno v rozsahu teplot –30
0
C až +60
0
C, jistí proti nesymetrii
fází, je vybaveno znovuzapínacím tlačítkem s možností volby manuálního nebo
automatického znovuzapínání a testovacím tlačítkem.. Proudový rozsah relé je nastavitelný
v rozsahu
+
-
20% jmenovitého proudu relé.
4.5.3 Schéma zapojení

Obrázek 4.18: Schéma zapojení
4.5.4 Popis a postup měření
Obvod zapojíme podle schématu. Silový obvod je napájen z regulovatelného zdroje,
který je zabudován v měřicím pracovišti. Póly stykače a připojeného tepelného relé jsou
spojeny do série a pro účely nastavování následující proudové hodnoty je stykač s tepelným
Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 33
relé přemostěn paralelní větví spínané jednopólovým jističem. Napájení ovládacího obvodu
stykače musí být realizováno z nezávislého zdroje 230V/50Hz. Pro měření doby funkce relé
jsou k libovolným spínacím kontaktům stykače připojeny digitální stopky.
První proudovou hodnotu nastavíme při přemostěném stykači a krátkodobým sepnutím
stykače zkontrolujeme shodnost proudového nastavení. V případě nesouladu vyrovnáme
pomocí nastavení rezistorů v překlenovací větvi impedance obou obvodů.
Stiskem zapínacího tlačítka sepneme stykač a čekáme na jeho vybavení, které nám
současně signalizuje doutnavka zapojená v ovládacím obvodu stykače. Velikost nastaveného
proudu a čas vybavení zapisujeme do tabulky. Čekáme 3 minuty v jejichž průběhu nastavíme
další hodnotu proudu a postup opakujeme pro všechny zadané hodnoty. Výsledky měření
zpracujeme graficky a v závěru měření porovnáme naměřenou charakteristiku a
charakteristikou udanou výrobcem.

I [A]
n . I
N
[A]
t [s]

Tabulka 4.4: Tabulka naměřených a vypočtených hodnot

4.6 Měření na jističích MODEION - BD250 a BL1600
4.6.1 Úvod
Jističe patří do skupiny přístrojů nn zapínat a vypínat jmenovité i zkratové proudy podle
své vypínací schopnosti. Jistič je spínací přístroj, který je v zapnuté poloze držen
volnoběžkou. Vypnutí jističe pak může nastat buď ovládací pákou jističe nebo mechanickým
impulsem na volnoběžku jističe. První způsob je běžný a není třeba bližšího vysvětlení. Při
druhém způsobu vypnutí impuls na volnoběžku jističe realizuje spoušť jističe. Spoušť je
součástí jističe (na rozdíl od relé) a reaguje buď na veličinu proudu nebo napětí. Předmětem
měření v našich cvičeních budou spouště nadproudové a podpěťové. Nadproudové spouště
mohou být buď analogové nebo elektronické. U analogových spouští závisí jejich přesnost na
tvaru proudu ve spínaném obvodu. Nejsou vhodné pro obvody s polovodičovými měniči,
kompenzačními prvky nebo při impulzním zatížení. Pro účely jištění je třeba, aby spouště
reagovaly na skutečnou efektivní hodnotu proudu. Nadproudová spoušť bývá tepelná (na
přetížení) a zkratová (elektromagnetická). Zkratových spouští může mít jistič více – okamžitá
a zpožděná – záleží na druhu jističe. Běžné instalační jističe mají spoušť na přetížení a spoušť
zkratovou – obě jsou pevně nastavené. Podle toho při jakém násobku jmenovitého proudu
vstupuje do vypínání zkratová spoušť rozlišujeme instalační jističe s vypínací charakteristikou
B (3 – 5I
n
), C (5 – 10I
n
) a D (10 – 20I
n
). Charakteristika spouští na přetížení odpovídá
charakteristice bimetalu a je stejná pro všechny tři typy jističů. Platí zde norma EN 60898.
U vyšších typů jističů máme zpravidla možnost nastavovat jmenovité hodnoty
spouští i s jejich časovým posunutím a u zkratových spouští pak násobek proudu případně
zpoždění zkratové spouště.
34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.6.2 Jističe MODEION
Jističe této řady jsou určeny pro jištění elektrických strojů, přístrojů a vedení proti
přetížení, zkratům případně podpětí ve střídavých obvodech se jmenovitými proudy od 40 do
1600A s provozním napětím do 690V. Jističe v této řadě jsou vyráběny ve čtyřech
velikostech: BD250 s možností nastavení jmenovitých proudů v rozsahu 40 – 250A, BH630
s možností nastavení 100 – 630A, BL800 s možností nastavení 125 – 800A a největší v řadě
BL1600 s rozsahem nastavení 250 – 1600A.
Nadproudové spouště DTV3 jsou určeny pro jištění distribučních transformátorů na
sekundární straně a k jištění vedení. Spoušť MTV8 jsou svou možností nastavení především
určeny pro jištění motorů se všemi druhy rozběhu a proti výpadku jedné nebo dvou fází.
V průmyslových rozváděčích pak mohou být pro jištění použity jističe s elektronickými
spouštěmi DTV3, MTV8 M001, případně s analogovou spouští A001. Výběr spouští záleží na
charakteru jištěného zařízení. Je třeba ještě uvést, že spouště tvoří výměnnou část jističe, což
je velice výhodné pro uživatele.
4.6.3 Jistič MODEION BD250N
Technické parametry:
Jmenovité napětí…………………..690V
Jmenovité proudy spouští…………100, 160, 250A
Ztráty na pól……………………….18W/250A
Provozní vypínací schopnost………30kA/230V

Pro vlastní měření bude použita spoušť SE-BD-0100-MTV8. Jistič bude zkoušen
jednopólově. Dále bude zařazena podpěťová spoušť se jmenovitým napětím 230V.

Stopky
V
U<
I> I>
I>
135
2 4 6
0-230 V~
A1
A2
3
1
4
2
0-1000 A
A

Obrázek 4.19: Schéma zapojení

4.6.4 Zadání měření
1. Měření podpěťové spouště
2. Měření vypínací charakteristiky jističe s nadproudovou spouští MTV8
3. Měření úbytku napětí a výpočet ztrát na pólu jističe

Ad 1) Napětí na podpěťové spoušti se nastaví na jmenovité napětí (2