Elektromos berendezések [306663]

Elektromos berendezések

Bevezetés

A villamos készülékek sem villamos energia termelésére, sem elosztására, sem mérésére nem szolgálnak. Az energia felhasználására szolgáló berendezések közül nem tekintjük készüléknek a motorokat és a világítótesteket. E negatív definícióval megadható villamos berendezések igen széles körét leszűkítve csak a szakirány számára legfontosabb villamos kapcsolókészülékekkel foglalkozhatunk.

A villamos kapcsolókészülékek fő [anonimizat] több áramkör be- és/vagy kikapcsolása, illetve bekapcsolt állapotban az áram vezetése. A kapcsolókészülékek leginkább a háromfázisú, f=50 vagy 60 Hz frekvencájú

villamos energiarendszerben jutnak igen fontos szerephez. Fontosságukat nemcsak azért hangsúlyozzuk, mert nélkülük az energia szállítása és villamos jelek továbbítása nem volna lehetséges, hanem azé[anonimizat]ásodásuk esetén saját értékük sokszorosa lehet a kár, amely az energiaellátás szünetelése és nagy értékű berendezések tönkremenetele vagy üzemképtelensége miatt bekövetkezhet. A villamos kapcsolókészülékeknek

tehát üzembiztosaknak kell lenniük, de egyúttal a lehető legkisebb költségráfordítással gyárthatóknak is. Az energiaelosztó hálózat – a gazdaságos energiaszállítás érdekében – különböző feszültségű. A hálózat névleges

feszültsége (U n=0,4; 10; 20; 35; 120; 220; 400; 750 kV), a szállítandó teljesítmény és a távolság növekedésével nő. Ennél nyilvánvalóan nagyobbnak kell lennie a hálózatban alkalmazott villamos kapcsolókészülékek

névleges feszültségeinek, tehát az 1 kV-nál nagyobb névleges feszültségű hálózatokban rendre 12, 24, 40,5, 145, 245, 420 és 787 kV a nagyfeszültségű kapcsolókészülékek névleges feszültsége.

Kapcsolókészülékek névleges feszültségei

A villamos kapcsolókészülékeket nemcsak a névleges feszültségük alapján kell az energiaelosztó hálózathoz "igazítani", hanem funkciójuk és konkrét feladatuk szerint is. Ezzel összefüggésben először is meg kell vizsgálnunk normál és hibás üzemállapotokban a hálózatban folyó állandósult üzemi, névleges, túlterhelési és zárlati áramokat. Ezeket az üzemállapotokat szándékosan kapcsolókészülé[anonimizat]ásával lehet létrehozni és megszüntetni, de hibák (zárlat vagy szakadás) is eredményezhetnek (nem szándékos) kapcsolásokat.

Kapcsoló jelképe

A következőkben a szimmetrikus háromfázisú rendszer egyfázisú modelljei alapján mutatjuk be az egyes üzemállapotokra jellemző áramokat.

Normál üzemállapot

A normál üzemállapot helyettesítő kapcsolási rajza az előbbi ábrán látható. A fázisonként L induktivitású és R hatásos ellenállású háromfázisú induktív jellegű üzemi terhelés reaktanciája és impedanciája:

Ahol az f frekvencia:

A K kapcsolókészülék és az Uf fázisfeszültségű generátor közötti hálózat soros elemeit fázisonként Lm induktivitással és Rm hatásos ellenállással leképezve, a mögöttes hálózat reaktanciáját és impedancáját:

A fogyasztók gazdaságos energiaellátása érdekében a mögöttes hálózat és a terhelés elemeinek olyan arányát szüksé[anonimizat] áramkör Ze eredő impedanciája igen jó közelítéssel megegyezzen a terhelésével:

a terhelésen és a mögöttes soros elemeken átfolyó üzemi áram értéke, pedig

Az üzemi áram legfeljebb In névleges áramot é[anonimizat]átlan ideig a mögö[anonimizat] káros felmelegedése nélkül.

Kapcsolókészülékek osztályozása

1. A nagy- közép- és kisfeszültségű megszakító olyan mechanikus (érintkezők zárásával és nyitásával működő) kapcsolókészülék, amely üzemszerű és üzemszerűtől eltérő áramköri viszonyoknál (például zárlatok esetén is) az áram bekapcsolására, vezetésére (üzemszerű viszonyoknál tartósan, egyébként csak megszabott ideig) és megszakítására alkalmas.

2. A közép-és kisfeszültségű olvadó biztosító olyan kapcsolókészülék, amely az áramkörbe beiktatott olvadóelemének (egy vagy több párhuzamosan kapcsolt olvadószálának) megolvadásával és az azt követő ív oltásával automatikusan megszakítja az áramkört, ha az áramerősség egy meghatározott értéket meghatározott ideig meghalad. A biztosító kis keresztmetszetű olvadó-eleme a hálózati vezető egy szándékosan meggyengített szakaszaként is felfogható. Feladata kettős: elsősorban a zárlatok elleni védelem (a túlterhelések elleni védelem korlátozott), de a névleges, vagy annál kisebb áramokat korlátlan ideig vezetnie kell. Az olvadó biztosító tehát a megszakítóhoz hasonló kapcsolókészülék, de csak a zárlati áram egyszeri automatikus megszakítására szolgál. A hálózat soros elemeként védelmi szerepet lát el, normal üzemi állapotban is működik és ilyenkor is van feladata: a névleges, vagy annál kisebb áramok vezetése.

A közép feszültségű olvadó biztosító

3. A nagy-, közép- és kisfeszültségű szakaszoló olyan mechanikus kapcsolókészülék, amelynek nyitott érintkezői között – az előírt követelményeknek megfelelő – szigetelési távolság, az ú.n. szakaszolási távolság

van. Fő feladata, hogy nyitott érintkezői között az előírt villamos követelményeknek tartósan és üzembiztosan eleget tegyen, ezáltal a hálózati részeket üzembiztosan és láthatóan szétválassza. Az áramkörök nyitása-zárása csak akkor követelhető meg, ha a szakaszolón elhanyagolhatóan kis áram folyik át, vagy ha a szakaszoló kapcsai között a feszültségkülönbség jelentéktelen (a szakaszoló valamilyen zárt kapcsolókészülékkel van párhuzamosan kapcsolva). Zárt helyzetben a szakaszoló a névleges áramot korlátlan ideig vezesse, és álljon ellen a zárlati áram termikus és dinamikus hatásának. Kiegészítő feladata az áram útjának előkészítése (pl. kettős gyűjtősínek esetén, ahol a szakaszolóval kijelöljük az energia útját az egyik gyűjtősín felé). A szakaszolót gyakran földelőkapcsolóval vagy földelőkéssel is kiegészítik.

Középfeszültségü szakaszoló

4. A közép- és kisfeszültségű (mechanikus és félvezetős) kapcsoló feladata üzemszerű áramköri viszonyok esetén, amelybe meghatározott túlterhelési viszonyok is beletartoznak, az áram bekapcsolása, vezetése és kikapcsolása, valamint az üzemszerűtől eltérő viszonyok (pl. zárlatok) esetén az áram vezetése a védelem működéséig. A mechanikus kontaktor szerkezeti felépítése és saját (általában) elektromágneses működtetése alapján speciális feladatokat lát el, és a kapcsolók külön csoportját alkotja. Félvezetős kapcsolónak nevezzük az olyan kapcsolóáramkört, amelyben az áramkör be- és kikapcsolását félvezető elem(ek)

vezetőképességének (vezérléssel történő) változtatásával lehet végrehajtani. A félvezetős kapcsolóval a kontaktorokra érvényes speciális feladatok is elláthatók.

5. Két-három alapkészülék feladatát ellátó, főként közép- és kisfeszültségű, készülékkombinációkat kis helyigényük és egyszerű beépíthetőségük, valamint kedvező áruk miatt alkalmazzák elsősorban a belső téri tokozott kapcsoló-berendezésekben.

Közép-/kisfeszültségű transzformátorállomás

A villamos hálózatban, a vezetékek csatlakozási pontjain a közcélú hálózat alállomásai, és fogyasztói traszformátorállomások találhatók, ahol a bejövő és elmenő vezetékek gyűjtősínre csatlakoznak. Itt vannak a
kapcsolókészülékek és a transzformátorok. A továbbiakban egy közép/kisfeszültségű fogyasztói ipari transzformátorállomás részletét – néhány jellegzetességre történő utalással – mutatjuk be egyvonalas, csak a kapcsolókészülékeket és a transzformátort feltüntető, egyszerűsített kapcsolási rajz alapján (femti ábra). Az egygyűjtősínes fémtokozott kapcsolóberendezést födkábel látja el energiával az FSZ földelőkéses szakaszolón keresztül. A kábel zárlatvédelmét a tápponti alállomás megszakítója látja el. A középfeszültségű
motorleágazások közül az egyikben kocsira szerelt M megszakító végzi el valamennyi kapcsolási feladatot, a másikban pedig kocsira szerelt BK biztosítós kapcsoló. A középfeszültségű kapcsolóberendezés egy megszakítós kábeles leágazáson kívül tartalmazza a közép/ kisfeszültségű transzformátor táplálására szolgáló leágazást is, amelybe szakaszolót és olvadó biztosítót építettek be. A transzformátor szekunder oldala megszakítón keresztül van összekötve a kisfeszültségű gyűjtősínnel. Ennek első leágazása egy motor energiaellátására készült, B olvadó biztosítón és Mv motorvédő kapcsolón (pl. kontaktor és hőrelé
kombinációján) keresztül. A második leágazás pl. világítási hálózatot láthat el olvadó biztosítón és K kapcsolón keresztül. A harmadik leágazásba a SZB szakaszolóbiztosítót és kapcsolót építették be, a negyedikbe pedig a
KB kapcsolóbiztosítót.

Egy hálózat alapstruktúrája

Villamos fényforrások

Szűkebb értelemben fényforrásnak nevezünk minden eszközt, ami látható fény előállítására szolgál. Tágabb értelemben ideértjük az ultraibolya és infravörös fényt kibocsátó tárgyat is. Ez alapján megkülönböztethetők elsődleges fényforrások, amik a sugárzás kibocsátói, illetve másodlagos fényforrások, amik más fényforrások fényét tükrözik, szórják. Működési elv szerint léteznek természetes (égitestek), kémiai (fluoreszcencii), égés alapú (fáklya), elektromos és egyéb fényforrások (hőmérsékleti sugárzás).

Az villamos fényforrások felsorolása szinte lehetetlen. Haza iparunk egyik jelentős résztvevője a General Electric Hungária Kft. (régebben Tungsram Rt.) Consumer & Industrial világítástechnikai divíziója megközelítőleg 6000 különböző típusú fényforrást gyárt és értékesít a kereskedelmi, ipari és fogyasztói piacokon. Az elektromos fényforrások az ábrán látható fő csoportokba sorolhatóak. Az elektromos fényforrásokat az alábbi adatokkal szokták jellemezni:

Színhőmérséklet; jele: F; mértékegysége: kelvin (jele: K)

Színvisszaadás; jele: Ra

Egységteljesítmény; jele: P1; mértékegysége: watt (jele: W)

Egységfényáram; jele: F1; mértékegysége: lumen (jele: lm)

Fényhasznosítás; jele: h*; mértékegysége: lm/W

Élettartam; jele: T; mértékegysége: óra (jele: h)

Felfutási és újragyújtási időtartam; mértékegysége: min (jele: tf, ill. tu)

Fényenergia; jele Q; mértékegysége: lumenóra (jele: lmh)

Térfogategység-fényáram; jele: jv; mértékegysége:

lumen/köbcentiméter (jele: lm/cm3) Szűkebb értelemben fényforrásnak nevezünk minden eszközt, ami látható fény előállítására szolgál. Tágabb értelemben ideértjük az ultraibolya és infravörös fényt kibocsátó tárgyat is. Ez alapján megkülönböztethetők elsődleges fényforrások, amik a sugárzás kibocsátói, illetve másodlagos fényforrások, amik más fényforrások fényét
tükrözik, szórják. Működési elv szerint léteznek természetes (égitestek), kémiai
(fluoreszcencii), égés alapú (fáklya), elektromos és egyéb fényforrások (hőmérsékleti sugárzás).
Az villamos fényforrások felsorolása szinte lehetetlen. Haza iparunk egyik jelentős résztvevője a General Electric Hungária Kft. (régebben Tungsram Rt.) Consumer & Industrial világítástechnikai divíziója megközelítőleg 6000 különböző típusú fényforrást gyárt és értékesít a kereskedelmi, ipari és fogyasztói piacokon. Az elektromos fényforrások az ábrán látható fő csoportokba sorolhatóak.

Fényforrások csoportosítása

Hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák)

Az izzólámpa az egyik legrégebbi elektromos fényforrásunk. Fényét elektromos áram által felizzított volfrámszál adja, az izzószálat az üvegburában lévő semleges gáz vagy vákuum óvja meg a levegő oxidáló hatásától. Az izzólámpát gyakran égőnek, vagyvillanykörtének is nevezik. Az izzólámpákat számos méretben, teljesítményben és névleges feszültségre gyártják.
Az izzólámpák – a foglalaton és kapcsolón kívül – nem igényelnek egyéb külső
elektromos működtető szerelvényeket, ezért az izzós világítás olcsón kiépíthető. Az izzók színvisszaadása elfogadott, megszokott (video-, illetve filmfelvételekhez alkalmatlanul vörösbe hajló…) színhőmérsékletük pedig kellemes, meleg fényű 2700 K. Az izzók fényárama lényegében bekapcsolás pillanatában eléri a maximális értékét, ami élettartama során csak kis mértékben csökken. Az általános célú izzók élettartama 1000 óra. A tömeggyártásnak köszönhetően nagyon olcsók. A fenti előnyös tulajdonságai miatt
a háztartásokban az izzólámpa a legelterjedtebb fényforrás. Az izzók legnagyobb hátránya a kis fényhasznosítás, azaz a kis hatásfok, hiszen a belevezetett energia mindössze 2–5%-át hasznosítják fényként, a többi hőként kárba vész.

Wolfrámizzó
Elektromos áram hatására a wolfrámszál felizzik, fényt bocsájt ki (nincs szükség
elektromos segédberendezésre működtetéséhez).

Jellemzői:
T = 2500–3300 K (meleg)
Ra= 100% (kitűnő)
η= 6–20 lm/W (rossz)
1000–2000 óra élettartam
25–150 W teljesítmény

Wolfrámizzó fényét egy vákuumban, vagy semleges gázban izzó, spirál alakú wolfrámszál adja. Főleg az infravörös tartományban sugároz, a látható fény csak a kibocsátott elektromágneses hullámok kis hányadát teszi ki, így hatásfoka igen alacsony. Spektruma Planck-törvényből adódóan folytonos. Kiváló színvisszaadása és alacsony ára miatt a legelterjedtebb elektromos fényforrás. Tipikus fényhasznosítás: 6–20 lm/W. Alkalmazása egyre csökken az alacsony fényhasznosítás valamint az energiatakarékossági intézkedések miatt.

Normál izzó TU/15W E14 230V TU CANDLE CL MIH1/10/100

Halogénizzó

Jellemzői:
A halogénlámpa is izzólámpa, a hagyományos izzótól annyiban tér el, hogy az izzószálat kisméretű – többnyire – kvarcüvegből készült bura veszi körül, amelyben valamilyen semleges gáz és kis mennyiségű halogén elem (jód, bróm) található.
T = 2500–3300 K (meleg)
Ra= 100% (kitűnő)
η= 13–25 lm/W (rossz)
2000–3000 óra élettartam
10–150 W teljesítmény

Halogénizzó U/18W HALO S/CL/E14 240V GE TWBX 2/16TR

Az izzólámpák speciális fajtája, amelynek burájában valamilyen halogéntöltést, általában jódot vagy brómot alkalmaznak. Hatásfoka lényegesen jobb a hagyományos izzólámpákénál. A halogén izzólámpa működésének mechanizmusa nagy vonalakban a következő:
Az izzószálról elpárolgó volfrám a bura hőmérsékletének közelében (néhány száz fok Celsius) volfrámhalidot alkot, ezzel megakadályozva a bura feketedését. A volfrámhalid a magasabb hőmérsékletű izzószál felé diffundál, ahol elbomlik, s a volfrám lecsapódik az izzószál egyes részeire (kutatók azon dolgoznak, hogy ez a lecsapódás a legmelegebb pontokon jöjjön létre, s ott növelje az izzószál vastagságát, csökkentve a kiégési veszélyt).
A halogén körfolyamat létrejöttéhez a bura hőmérsékletének el kell érnie a több száz °Cot. Ezért a halogén izzólámpa buráját kvarcból vagy magas olvadáspontú úgynevezett keményüvegből készítik. Ez ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a burát a hagyományos izzólámpákhoz képest kisebbre válasszák. Ennek előnye, hogy a gáznyomást meg lehet növelni s ezzel a volfrámpárolgást csökkenteni. Így a halogén izzólámpa izzószálát magasabb hőmérsékleten, közelebb az olvadásponthoz lehet üzemeltetni, s ezzel a fényhasznosítást lehet növelni. Halogén izzólámpáknál fényhasznosítása 20–30 lm/W közt fekszik.
A halogén izzólámpa kisméretű burája azonban kényes, azt még hideg állapotban sem szabad megérinteni, mert a következő felfűtéskor az ujjunkról rárakódó izzadság és zsírnyomok beégnek a kvarcba, azt egyrészt elhomályosítják, másrészt törékennyé is tehetik. Mivel a halogén izzólámpa belső nyomása üzem közben több tíz atmoszféra is lehet, ez a lámpa felrobbanásához vezethet. Alkalmazása egyre csökken az alacsony fényhasznosítás valamint az energiatakarékossági intézkedések miatt.

Kisnyomású kisüléses lámpák

Kisnyomású nemesgáz illetve higanygőz-gerjesztéssel állítják elő a sugárzást, rendszerint ultraibolya sugárzást, amit a burafalra felvitt fénypor segítségével látható fénnyé alakítanak.

Gázkisülés vizsgálatának kapcsolási rajza

Az ábrán látható kapcsolás szerint a külső áramforrás (Ube) árama áthalad a változtatható ellenálláson (R). Az U, I feszültséggel és árammal jellemzett elektromos gerjesztés az E1 és E2 elektródákkal rendelkező gázkisülő térben hozza létre a gázkisülést. A levegőben mindig van jelen néhány szabad elektron és pozitív ion (kozmikus és radioaktív gerjesztés). Az U feszültség hatására megindul a csövön át az áram. A töltéshordozók ütközések közötti ún. szabad úthossza függ a kisülő csőben uralkodó nyomástól. A nyomást csökkentve a szabad úthossz nő. Adott kis nyomás esetén viszonylag kis feszültségnél elérjük azt, hogy a gáztérben lévő töltéshordozók eljussanak az elektródákhoz.
Az első szakaszban a feszültséget lassan növelve, kis áram folyik a gáztérben. Ezt a mindig jelen lévő kozmikus és radioaktív sugárzás által létrehozott töltéshordozók teszik lehetővé. Növekvő feszültséggel az áram is nő.
A második szakaszban az áramerősség növekedése telítésbe megy, ugyanis itt a villamos térerősség az összes töltéshordozót a megfelelő elektródhoz juttatja, még mielőtt azok a rekombináció során semleges atomokká alakulhatnának.
A harmadik szakaszban megkezdődik az ionozás, ugyanis az elektronok a
villamos térerősség hatására akkora mozgási energiára tesznek szert, mely nagyobb, mint a semleges atomok ionozási energiája. Az így keletkezett töltéshordozók felgyorsulva további elektronokat és ionokat hoznak létre.
A negyedik szakaszt Townsend-kisülésnek nevezzük. Itt a kisülés önfenntartó állapotba kerül, ugyanis változatlan feszültség mellett is növekszik az áramerősség (bár még mindig csak 10–9 A nagyságrendű. A villamos térerősség a pozitív és negatív töltéshordozók egyenletes eloszlása miatt mindenhol azonos.

Különböző színhőmérsékletű fekete sugárzók színe

Az ötödik szakaszban megszűnik a térerősség homogenitása, és kialakul a
kisülő csőre jellemző töltés-struktúra. Ezt a pozitív és negatív töltéshordozók eltérő tehetetlensége okozza (az elektronok jóval gyorsabban mozognak, mint az ionok, így míg az előbbiek elérik az anódot, az utóbbiak még a katód előtti térben vannak, megnövelve a lokális térerősséget). Ennek során kialakul a katódesés tartománya.
A hatodik szakaszban az áram további növelésével a feszültség nem változik, a katód egyre nagyobb felületét ún. parázsfény borítja be. Ez alapján ezt a szakaszt a (normális) parázsfénykisülés (más néven glimmkisülés) tartományának nevezzük. Az előbbi folyamat mindaddig tart, míg a katód teljes felületét beborítja a glimmfény. Ezt követően hirtelen el kezd növekedni a csőben az áramsűrűség, valamint a feszültség (hetedik szakasz).

A nyolcadik szakaszban a katódba csapódó pozitív ionok azt annyira fel tudják melegíteni, hogy a katód elektronjai a kilépési munkánál nagyobb energiára tesznek szert, így el tudják hagyni a katódot. Ezt a jelenséget hívjuk termikus emissziónak, és a hozzá tartozó kisüléstípust ívkisülésnek nevezzük. Ahogy láttuk, itt a töltéshordozók már nem csak ionizáció során jönnek létre, hanem – jelentősebb mértékben – a katódból kilépve is. Az ívkisülés negatív ellenállás-karakterisztikával rendelkezik, tehát növekvő áramhoz csökkenő feszültség tartozik. Ezen tulajdonságuk miatt az ívkisülés elven működő fényforrások áramát egy, a kisülőcsővel sorba kötött áramkorlátozó elemmel
(előtéttel) állítjuk be.

Az elektromágneses hullám spektruma

Gázkisülés sematikus áram–feszültség ábrája

Fénycsövek

Jellemzői:
Ionizált gáztérben elektromos kisülés (kiegészítő elektronika kell működtetéséhez „előtét”).
T = 2700–6500 K (semleges–hideg)
Ra = 65–85% (közepes–jó)
η = 75–80 lm/W
10–80 W teljesítmény
10 000–15 000 óra élettartam.

Fénycsövek FT5/14W/840/GE/WM/SL1/30, OT FC22W/T5/827 HB 1/10

A fénycsövek tulajdonképpen kisnyomású higanygőz lámpák. A fénycsőben a higanygőz kisülés által létrehozott csekély látható sugárzás mellett nagyon erős UV-sugárzás is képződik. Az UV-sugarak a fényporréteget elérve fénnyé alakulnak. A fényporréteget sugárzás-átalakítónak tekinthetjük: átalakítja a rövidhullámú, nem látható UV-sugárzást hosszabb hullámú sugárzássá: fénnyé. A fénycső fénye a gáztöltet színképsugárzásának fényéből és a fénypor által leadott fényből áll. A világítóberendezések tervezéséhez ki kell választani a helyes fényszínt. A fényporokat úgy választják ki, hogy a fényátalakítás optimális legyen. A fénycső kiválasztásával a fény színe befolyásolható. Ha a lámpa váltakozó feszültségen üzemel, nagyon fontos tényező a fénypor utánvilágítása, mert ezzel csökkenthető a villogás. A fénycső fényhasznosítása függ a környezeti hőmérséklettől. Ha a környezeti hőmérséklet 20˚C fölé emelkedik, vagy a lámpa hőmérséklete a környezetet erősen felmelegíti, a fénycső fényárama jelentősen csökken. Ezért inkább nyitott vagy jól szellőző világítótesteket használjunk. Kis hőmérsékleten is számolni kell fényáram-veszteséggel. A fénycső fényhasznosítása függ a környezeti hőmérséklettől. Legnagyobb a fényhasznosítás a 20…25 ˚C közötti környezeti hőmérsékleten.
A fénycső a hossztengelyére merőlegesen minden irányban egyenletesen sugározza a fényt, a fényerősség minden irányban egyenlő. Tehát célszerű fényvisszaverő reflektorokat alkalmazni, ha egy irányban kívánunk fényt kisugározni. Az új, 26 mm csőátmérőjű fénycsöveknek a korábban használt 38 mm-es fénycsövekhez képest 10%-kal kisebb a teljesítményfelvételük. A gyújtókapcsolásokba ezeket a fénycsöveket is be lehet helyezni az előtétek és a soros ellenállások megváltoztatása nélkül.
Minden fénycsőhöz csak a hozzá tervezett fojtótekercs használható, mert az előtéteket a fénycső üzemi tulajdonságainak megfelelően méretezik, és azoknak meg kell felelniük a fénycsőgyártók minimális követelményeinek. Ellenkező esetben a fényáramot és az élettartamot semmi nem garantálja.
A kisülés megindulása után az áram minden határon túl nőne. Ha nem korlátoznánk valamilyen módon az áram növekedését, a fényforrás pillanatokon belül tönkretenné saját magát.
Az áramkorlátozás legelterjedtebb módja a fojtótekercs rendszerű előtétek alkalmazása (ezeket szokták induktív vagy mágneses előtéteknek is nevezni). Ezek az előtétek olyan vasmagos tekercsek, amelyek impedanciáját úgy állítják be, hogy a megfelelő lámpával összekapcsolva a lámpán a névleges áram folyjon keresztül. Ezt a névleges áramértéket minden előtéten feltüntetik. Megtalálható az előtéteken azoknak a lámpáknak a típus szerinti felsorolása is, amelyek az adott előtéttel működtethetők.

A LED

Light Emitting Diode = fényemittáló dióda, működésükhöz kiegészítő
elektronika „előtét” szükséges.
T = meleg, semleges, hideg
Ra = 65–80% (jó)
η* = 80–150 lm/W (nagyon jó)
50–100 ezer óra élettartam
1–5 W teljesítmény

LED izzó

Félvezető kristályt akceptor és donor atomokkal szennyezve egy p és egy n típusú réteget alakítanak ki. Ha az így kialakult p-n átmenetre nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, az n rétegből elektronok vándorolnak a p rétegbe, ahol lyukakkal rekombinálódnak. A rekombináció eredményeként energia szabadul fel, amely (az anyag szerkezetétől függő) meghatározott hullámhosszúságú fény formájában sugárzódik ki. Tipikus fényhasznosítás: 30–60 lm/W, azonban van olyan fehér LED, amelynek a fényhasznosítása eléri a 150 lm/W értéket is. Jelenleg még elsősorban jelzőlámpa funkciójukat használják, nagy megbízhatóságuk és a viszonylag hideg fény-előállítás
miatt. A fénykibocsátó dióda vagy LED neve az angol Light Emitting Diode rövidítéséből származik. A dióda által kibocsátott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki. A fény spektruma az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet.
A fénykibocsátás úgy keletkezik, hogy a diódára adott áramforrás a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, amitől azok nagyobb energiaszintű elektronpályára lépnek, majd ezek, miközben visszatérnek eredeti helyükre, fotonokat bocsátanak ki. Nyitóirányú áram esetén a PN átmeneten az elektronok a N rétegből a P-be, a lyukak a P rétegből az N-be diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamat indul meg, melynek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. Nagyobb feszültség hatására nagyobb a kisugárzott fotonok
mennyisége, egészen egy bizonyos nyitóirányú áramértékig, ahonnan már nem
számottevő a változás.

Világítási berendezések felülvizsgálata

A világítási berendezés különböző paramétereit időszakonként ellenőrizni kell. (MSZ EN 12464:2012). A mesterséges világítási berendezések ellenőrzésének mikéntjét a szabványok írják elő. A mérést mindig az érvényben lévő szabvány szerint, az ott meghatározott helyeken kell elvégezni, de kiértékelésnél a létesítéskor érvényben volt szabványt is figyelembe lehet venni, tekintettel arra, hogy a létesítési szabványok visszamenőlegesen általában nem érvényesek. A kiértékelést azonban csak egyazon szabvány alapján szabad végezni. A mérés kiterjed a világítás mennyiségi és minőségi jellemzőire (színvisszaadási fokozat, káprázás korlátozás, színhőmérséklet).
A zárttéri és szabadtéri munkahelyek mesterséges megvilágításának követelményeit jelenleg a munkahelyek munkavédelmi követelményeinek minimális szintjéről szóló 3/2002. (II. 8.) SzCsM–EüM együttes rendelet szabályozza: az állandó munkavégzésre szolgáló munkahelyeken a munkavégzés jellegének és körülményeinek, a helyiség rendeltetésének és az ott végzett tevékenységnek megfelelő világítást kell biztosítani,a belső téri mesterséges világítás világítástechnikai jellemzőinek megfelelőségét rendszeresen ellenőrizni kell,valamint biztonsági világítást kell biztosítani olyan
munkahelyeken, ahol a mesterséges megvilágítás váratlan megszűnése veszélyeztetheti a munkavállalókat.
A jogszabályi és szabványi követelményrendszer alapján a világítási követelmények megvalósítása a munkaegészségügyi és munkabiztonsági szempontok figyelembe vételével megfelelően tervezhető. A világítástechnikai jellemzők megfelelőségének időszakos ellenőrzése biztosíthatja, hogy a követelmények – a berendezések elhasználódása, avulása valamint karbantartása figyelembevételével – hosszú távon megfelelő legyen. Ez utóbbira azonban a munkáltatók sok esetben nem fordítanak kellő figyelmet, a világítástechnikai jellemzők romlásának megítélése műszeres mérések nélkül, szubjektív alapon történik, a karbantartás döntően a hibaelhárítás és a fényforrások cseréjére korlátozódik.
Szabadtéri munkahelyek mesterséges megvilágítását a munkahelyek munkavédelmi követelményeinek minimális szintjéről szóló 3/2002. (II. 8.) SzCsM–EüM együttes rendelet 4. számú melléklete a szabadtéri munkahelyek és közlekedési utak megvilágítására 12, a szabadban történő szerelési munkákra – a látási igény figyelembe vételével – 3 névleges megvilágítási értéket határoz meg. A jogszabály kimondja, hogy a fel nem sorolt munkahelyeken legalább 50 lux közepes megvilágítást kell biztosítani.

Mindezeket a látási igényeket – a megvilágításon túlmenően – az alábbi világítástechnikai jellemzőkkel lehet kezelni:
a megvilágítás egyenletességével,
a világítási és nézési irány értelmezésével, figyelembevételével,
a vertikális megvilágítás alkalmazásával,
az árnyékhatás figyelembevételével,
a fénysűrűséggel és kontraszthatással,
a káprázás korlátozásával,
megfelelő fényszín és színvisszaadás biztosításával.
A munkatéri mesterséges megvilágítás minőségi és mennyiségi jellemzőinek felmérését és értékelését célszerű akkreditált laboratóriummal végeztetni, de a mindennapos ellenőrzésre számos gyártó kézi műszere is megfelelő.

Az ellenőrzés előkészítése során a következőket kell elvégezni, illetve figyelembe venni:

rögzíteni kell a helyiség(ek) világítási szempontból lényeges jellemzőit, többek között a helyiség rendeltetését és a benne végzett tevékenység(ek) főbb
jellemzőit;
a helyiségben használt eszközöket, azok főbb jellemzőit, illetve veszélyeit (pl. a gépi mozgásokat a stroboszkóphatás szempontjából);
az általános jellemzőket (általános állapot, szennyezettség stb.);
le kell mérni a szerkezeti méreteket (hosszúságot, szélességet, magasságot), majd el kell készíteni az alaprajzot – amennyiben ismert, akkor a berendezési tárgyakkal – és az esetleg szükséges jellemző metszeteket;
a határoló felületek jellemzőit (tagoltság, a jellegzetes részek méretei, színe, felületi érdessége stb.);
rögzíteni kell a világítási berendezés lényeges jellemzőit, többek között – a rendeltetését és a rendszerét;
a lámpatestek jellemzőit (gyártó, típusjel, fényelosztás jellege, fénytechnikai hatásfok, ernyőzési szög, illetve ernyőzési tartomány, érintésvédelmi osztály, védettségi fokozat stb.);
a lámpatestek elrendezését (alaprajzon);
a fényforrások jellemzőit (gyártó, fajta, típusjel, névleges fényáram stb.);
a fényforrások táplálásának jellemzőit (táphálózat fázisainak száma, a fázisok közötti elosztás helyiségen és lámpatesten belül stb.);
a kapcsolás módját, a kapcsolási fokozatok számát és az egyes fokozatok elosztását;
a világítás módját és az ennek megfelelő világítási magasságot,
a létesítés időpontját;
a berendezés általános jellemzőit (általános állapot, szennyezettség stb.),
az alkalmazott mérőeszközök közül a fénytechnikai műszerek (a megvilágítás- és a fénysűrűségmérő) hibája legfeljebb az alkalmazott méréshatár 5%-a lehet;
a feszültségmérő 1,0 pontossági osztályú vagy ennél pontosabb legyen;

Általában minden paramétert ellenőrizni kell, amire a szabvány tételes előírást tartalmaz.
A mesterséges világítás akkor jó, ha a munkahelyet a természetes világításhoz hasonlóan világítja meg. Ez az igény több – néha csak kölcsönös engedményekkel összeegyeztethető – követelmény vizsgálatát teszi szükségessé.

Vilagitás analízise

Villamos gépek

Transzformátorok

A transzformátór az az álló villamos gép, amely képes átalakítani a villamos energia fő paramétereit, anélkül hogy a frekvenciát módisítaná.

Az erőátviteli transzformátorok – alapvetően csak ilyenekkel foglalkozunk – adott áramú és feszültségű teljesítményt más áramú és feszültségű teljesítménnyé
alakítanak. Közben a frekvencia – és a fázisszám – nem változik.
Alkalmazásuk azért szükséges, mert a villamos energia előállítása, szállítása
és felhasználása más-más feszültségen – több lépcsőben – célszerű ill.
gazdaságos.
Nagy generátorok 15-20(25)kV feszültségen állítják elő az energiát. A
joule-veszteség az áram négyzetével arányos ezért a szállítás – és elosztás – minél
kisebb árammal, azaz minél nagyobb feszültséggel (nálunk 750, 400, 220, 120,
35, (3) kV) célszerű. A fogyasztók különböző kisebb feszültségeken – a
kommunális fogyasztók 400/231V-al, az ipariak többnyire néhány kV-al
működnek.

Egyfázisú transzformátorok. Működési elv és helyettesítő kapcsolás

A transzformátor vasmagos kölcsönös induktivitás. A cél a két tekercs
minél tökéletesebb csatolása azaz a minél nagyobb kölcsönös fluxus (az un.
főfluxus) és a legkisebb a csatolásban részt nem vevő fluxusok (az un. szórt
fluxusok) kialakítása. Ezt a vasmaggal és azzal érjük el, hogy a két tekercs
egymást körülveszi. Az alábbi ábra láncszem típusú transzformátorának vasmagja és tekercsei mint a lánc két szeme kapcsolódnak egymásba.

Gépeink így a transzformátor is bonyolult háromdimenziós térbeli elrendezések. Ezért modelezzük azokat, azaz vizsgálatainknak megfelelő elhanyagolásokkal, közelítésekkel kialakított áramkörré egyszerüsítjük őket és abban gondolkodunk.

A transzformátor felépítése

A transzformátor vastestből és tekercsekből áll. Ehhez járulnak még a hűtésre szolgáló szerkezeti részek és más külső szerelvények.

Villamos transzformátor

A vastest

A váltakozó áramú fluxust mennél kisebb veszteséggel kell vezetnie, ezért szilíciummal ötvözött lemezekből készül. Az egyfázisú transzformátorok vasteste lehet láncszem, mag vagy köpeny típusú. A láncszem típusú vasmag és a tekercsek úgy kapcsolódnak egymáshoz, mint egy lánc két szeme.
A mag típusú vasmag két oszlopára fele-fele arányban osztják el a primer és szekunder tekercseket.
A köpeny típusnál a két járom úgy veszi körül az oszlopon elhelyezkedő tekercseket, mint a köpeny.

Egyfázisú vasmagtípusok

A tekercsek

Anyaguk réz vagy alumínium. A huzalkeresztmetszet 5mm2-ig kör, felette téglalap. A huzalok szigetelése lehet zománclakk, rácsévélt papírszalag és ez esetleg rögzíthető pamuttal fonva vagy szőve.
A tekercselés elrendezése lehet hengeres vagy tárcsás. A legegyszerűbb hengeres tekercs az egy vagy több rétegű spirális.

Egyfázisú transzformátor rajzjele

A transzformátor működési elve és üresjárása

A transzformátor jól mágnesezhető anyagból készült lemezelt, zárt vasmagból és tekercsekből áll. A vasmagnak az a része, amelyen a tekercsek vannak, az oszlop, a többi részének az elnevezése: járom. Egy ilyen transzformátor látható a következő ábrán.

Transzformátor vasmagja

Az N1 menetszámú primer tekercs a hálózatból teljesítményt vesz fel, az N2 menetszámú szekunder tekercs teljesítményt szolgáltat. A két tekercs felcserélhető, ezért sok esetben a tekercseket feszültségeik szerint különböztetjük meg: beszélünk nagyobb és kisebb feszültségű tekercsről.

A transzformátor üresjárása

Kapcsoljunk a primer tekercsre f frekvenciájú U1 feszültséget és a szekunder tekercset hagyjuk nyitottan. Az U1 feszültség hatására Ig gerjesztő áram folyik a primer tekercsben. Ennek a gerjesztése a vasmagban szinuszosan váltakozó fluxust létesít, maximális értéke Φm, ahol elektromos indukció/fluxussűrűség (jele D {\displaystyle {\boldsymbol {D}}}, mértékegysége As/m2{\displaystyle {\frac {As}{m^{2}}}})

Amikor váltófeszültséget kapcsolunk egy transzformátor primer tekercsére (ez a transzformátor bemenete), akkor a vasmagban változó mágneses mező jön létre. Ez a változó mágneses mező elektromos mezőt indukál a szekunder tekercs helyén (ez a transzformátor kimenete), ami annak mindegyik menetében mozgatja a töltéseket. Így a szekunder tekercs kivezetésein olyan váltófeszültség jelenik meg, melynek frekvenciája megegyezik a primer tekercsre, vagyis a transzformátor bemenetére kapcsolt váltófeszültség frekvenciájával. A kimeneten megjelenő feszültség nagysága a nyugalmi indukcióról tanultak alapján arányos a vasmagban bekövetkező mágneses mező változásával és arányos a szekunder tekercs menetszámával, hiszen minden menetben ugyanakkora feszültség indukálódik.

A primer tekercs bemeneti feszültsége ugyanilyen kapcsolatban van a mágneses mező megváltozásával.

A feszültségek és a menetszámok között egyszerű összefüggés áll fenn:

Ezt szokás transzformátoregyenletnek is nevezni. Eszerint a szekunder tekercs feszültsége úgy aránylik a primer tekercs feszültségéhez, mint a szekunder tekercs menetszáma a primer tekercs menetszámához. A transzformátoregyenlet fennáll az effektív feszültségek között és a csúcsfeszültségek között is.

Ha a szekunder tekercs menetszáma nagyobb, mint a primer tekercsé, akkor feltranszformálásról beszélünk. Ilyenkor a szekunder tekercs feszültsége nagyobb, mint a primer oldali feszültség. Például, ha a szekunder oldali menetszám háromszorosa a primer oldalinak, akkor a kimeneti feszültség is háromszorosa a bemenetinek. Ha a szekunder tekercs menetszáma kisebb, mint a primer tekercsé, akkor letranszformálásról van szó.

Bár a váltóáramú feszültséget transzformátor segítségével megnövelhetjük, vagy lecsökkenthetjük, energiát nem nyerhetünk még transzformátorral sem. Az energiamegmaradás törvénye azt mondja ki számunkra, hogy a kimeneti teljesítmény nem lehet nagyobb a bemeneti teljesítménynél. Az energiaveszteségek miatt a kimeneti teljesítmény lehet kisebb a bemenetinél, de mivel egy jól megtervezett transzformátornál a veszteségek 1% alá szoríthatók, úgy tekinthetjük, hogy a kimeneti teljesítmény lényegében megegyezik a bemenetivel.

Korábban tanultuk, hogy az elektromos teljesítmény P=U·I alakban adható meg, tehát egy veszteségmentes transzformátor esetén a bemeneti és a kimeneti teljesítmények egyenlőségét így írhatjuk:

Eszerint (például feltranszformáláskor) ahányszor nagyobb a szekunder tekercs menetszáma, annyiszor kisebb a szekunder tekercs árama a primer oldalinál.

Fontos észrevennünk, hogy a transzformátorok egyenáramokkal nem működnek, váltóáramokkal viszont igen, hiszen működésük az elektromágneses indukción alapszik. Egyenáramok nem hoznak létre mágnesesmező-változást a primer oldalon, és ezért nincs indukció a szekunder tekercsben.

Transzfomrátor lemezei

A villamos motor

Az egyenáramú gépek felépítése

Az alábbi ábra bemutatja az egyenáramú gép elvi felépítését. A tömör acélból készült 1 állórész koszorún helyezkednek el a 2 pólusok, melyek nagyteljesítményű gépeknél két részből állnak: a pólustörzs tömör kovácsolt acél, a pólussaru lemezelt vas. Kis és közepes teljesítményű gépeknél az egész pólus lemezelt. A pólustörzseken elhelyezett tekercsekben Ig gerjesztőáram létesíti a gép Φp pólusfluxusát, mely a pólusokon, az álló- és forgórész koszorún át záródik az ábrán látható módon.

Az egyenáramú gépek elvi felépítése

Az egyenáramú gép működése

A következő ábrán az egyenáramú gépet egyszerűsítve ábrázoltuk. Olyan ez az ábrázolási mód, mintha a kefék az armatúra felületén csúsznának. A bal oldali ábrán a generátort, a jobb oldali ábrán a motort ábrázoltuk. A gép armatúráját úgy kapcsoltuk egy külső egyenáramú energiaforrásra, hogy az armatura áram ellentétes irányba folyjon mint generátoros üzemben. Az armatúra vezetőiben folyó áramok és a Φp pólusfluxus kölcsönhatásaként az északi és a déli pólus alatt ellentétes irányú erők jönnek létre. Ezek nyomatéka a motort a generátorral megegyező irányban forgatja.

Az egyenáramú generátor és motor egyszerűsített ábrázolása

Az egyenáramú gépek indukált feszültsége

Az egyenáramú gép forgása közben vezetői B mágneses indukciójú térben mozdulnak el. Az indukált feszültség az armatúra egy vezetőjében:

ahol l a vezető hatásos hossza, azaz a pólus hossza az armatúra palástjának alkotója mentén, v pedig az armatúra kerületi sebessége.
A gépben indukált feszültség:

ahol cυ a gépre jellemző állandó a gép tekercselési adataitól függ, a a pólusfluxus, az n a gép fordulatszáma.

A gépben indukál feszültség arányos a gép fluxusával és a fordulatszámával. Az indukált feszültség iránya megváltoztatható a Φ agy az n irányának megváltoztatásával. Az indukált feszültség nemcsak a generátorban, hanem a motorokban is létrejön. Generátor esetén ez a feszültség hajtja az áramot a generátor belső ellenállásán és a fogyasztón keresztül, míg motorok esetében egyensúlyt tart a rákapcsolt feszültséggel.

Az egyenáramú gépek nyomatéka

A forgatónyomaték(röviden: nyomaték) egy adott erőhatás adott középpontra való forgatóképességét megadó fizikai mennyiség. Mértékegysége Nm.

Az egyenáramú gép armatúra árama és a mágneses tér kölcsönhatása következtében a kialakuló erőpár nyomatékot hoz létre. Ez a nyomaték arányos a a gép fluxusával, az armatúra árammal és a gépre jellemző állandóval:

Ez a nyomaték motorban és generátorban egyaránt létrejön. Motoros üzemben hajtó nyomaték, amely legyőzi a motor súrlódási nyomatékát és hajtja a munkagépet.
Generátoros üzemben fékező nyomaték, amelyet le kell győznie a generátort hajtó erőgépnek.

Egyenáramu motor szakasza

Egyenáramu motor alkata

Az aszinkron motor

Az elektromos motorok felépítését -a működési elvből adódó funkcionális elemek beépítési kötelezettsége és a villamos paraméterek (névleges feszültség, névleges teljesítmény, fordulatszám, fázisszám) mellett- befolyásoló legfontosabb tényezők:

– védettség (szilárd testek és a víz behatolása ellen);

– építési alak (talpas vagy peremes);

– üzemi helyzet (a beépített gép tengelye függőleges vagy vízszintes helyzetű);

– hűtési rendszer (a beépítési környezettől függően lehet átszellőző vagy felületi); Az aszinkron motor villamosan aktív részei (fő részei) az állórész vagy sztator és a forgórész vagy rotor. A forgórész kialakításától függően megkülönböztetünk kalickás vagy rövidre zárt forgórészű és csúszógyűrűs motorokat.

Kalickás forgórész

A hegesztett acéllemezházzal összefogott állórészen lemezelt vastest hornyaiban helyezkedik el a többfázisú (legelterjedtebb a háromfázisú) tekercselés. A fázistekercsek mindkét végét kivezetik kapocstáblához. A vastest lemezelés célja az örvényáram-veszteség csökkentése. Az állórész-házat két oldalról pajzsok zárják le. A forgórész tengelyre felvitt lemezkötegből és hornyokba helyezett alumínium vagy réz vezetőrudakból áll. A kalickaszerűen elhelyezkedő rudakat a lemeztest mindkét végén rövidre záró gyűrűk kötik össze.

Aszinkron motor összetevői

Az állórész szerkezete azonos a kalickás motoréval. A lemezelt forgórész csillagkapcsolású tekercselésének kialakítása az állórész tekercseléshez hasonlít. A csillagkapcsolás három végét egymástól és a tengelytől elszigetelt csúszógyűrűkhöz vezetik, a csúszógyűrűkhöz kefékkel csatlakoztatják az indító, illetve fordulatszám változtató ellenállásokat. Az állandó súrlódásból adódó veszteségek és a kopás elkerülése végett a nagyobb gépeket ellátják kefeemelő – rövidre záró szerkezettel is. Háromfázisú hálózatról táplált kalickás vagy csúszógyűrűs forgórészű motort háromfázisú aszinkron motornak nevezzük. Az aszinkron jelző azt jelenti, hogy a rotor fordulatszáma nem azonos az állórész-tekercsek mágnes mezejének szinkron fordulatszámával. A forgórész tengelyre felvitt lemezköteg hornyaiban kalickaszerűen helyezkednek el az alumínium vagy réz vezetőrudak. Ezt a forgórészt kalickás forgórésznek nevezzük. A rudakat a lemeztest mindkét végén rövidre záró gyűrűk kötik össze. A csúszógyűrűs motor egy váltakozó áramú aszinkronmotor. Elnevezése abból adódik, hogy a rotor-tekercselés kivezetéseit a tengellyel együtt forgó csúszógyűrűkhöz csatlakoztatják.

Az aszinkron motor működési elve

A működtető hálózatra kapcsolt motor állórész tekercseiben U1 feszültség hatására kialakuló I1 fázisáramok forgó mágneses mezőt létesítenek. A mező n0 fordulatszáma (az ún. szinkron fordulatszám) a táphálózat f1 frekvenciájától és a motor p póluspár számától függ:

A forgómező indukcióvonal metszéssel feszültséget indukál az állórész (Uj1) és a forgórész (Uj2). tekercsben. Ha zárt a forgórész-tekercs, Uj2 indukált feszültség I2 áramot indít a rotorban. Az I1 áram mágneses mezeje az áram által átjárt forgórész vezetőkre erőt fejt ki, a kialakuló nyomaték hatására a rotor forgásba jön. Az aszinkron gép motorként működik. A mágnesmezővel azonos forgásirány Lenz törvényével magyarázható. A rotor a mezővel azonos irányba forog, mert ebben az esetben csökken az indukált feszültséget kiváltó hatás, az időegység alatti erővonal metszések száma. Ha külső hatás következtében a rotor fordulatszáma eléri a mágnesmező szinkron fordulatszámát, megszűnik az erővonalmetszés, a forgórész-tekercsben nem indukálódik feszültség, nem jön létre forgatónyomaték. A külső hatás megszűnése után légellenállás és a csapágysúrlódás lassítja a terheletlen gép forgórészét, ismét lesz erővonalmetszés, keletkezik hajtónyomaték. Előzőek miatt a rotor fordulatszáma, az ún. aszinkron fordulatszám üzemszerű körülmények között mindig kisebb a mágnesmező szinkron fordulatánál. Az eltérést a szlip (s) fogalommal jellemezhetjük:

A mechanikai terhelés nélküli (üresen járó) aszinkron motorok fordulatszáma megközelíti a szinkron fordulatszámot, a névlegesen terhelt motorok szlip tartománya 3 ÷ 8 %. A legjellemzőbb katalógusadat s = 4 %.

Villamos védőkészülékek