Striedavý prúd v energetike

Generátor striedavého prúdu

Faradayov objav elektromagnetickej indukcie umožnil skonštruovať zariadenie, v ktorom možno získať elektrickú energiu na energetické účely.

Tento spôsob výroby striedavého napätia a prúdu si vysvetlíme na príklade jednoduchého generátora, v ktorom sa otáča vodivá slučka,

príp. cievka v homogénnom magnetickom poli.

Cievka tvorí rotor generátora a permanentné magnety alebo elektromagnety, ktoré tvoria homogénne magnetické pole, nazývame stator. Keď sa vodivá slučka otáča uhlovou rýchlosťou w, mení sa magnetický indukčný tok plochou S slučky. Indukčný tok je určený vzťahom f=BS cos a, kde a=wt je uhol medzi indukčnými čiarami a normálou plochy S slučky.

Podľa Faradayovho zákona U=-Df/Dt zmeny indukčného toku vyvolávajú vznik indukovaného napätia, ktoré nameriame na koncoch cievky. Keďže zmena indukčného napätia je najväčšia v okamihu, keď sa vodiče slučky pohybujú kolmo na indukčné čiary, má v tomto okamihu indukované napätie najväčšiu hodnotu. Naopak v okamihu, keď sa vodiče pohybujú v smere indukčných čiar je zmena magnetického indukčného toku najmenšia a indukované napätie je nulové. Závislosť indukovaného napätia od času zobrazíme sínusoidou a pre jeho okamžitú hodnotu platí vzťah u=U_msin wt.

V otáčavej slučke sa indukuje harmonické napätie s amplitúdou U_m. Veľkosť U_m závisí nielen od veľkosti magnetickej indukcie B a plochy slučky S, ale aj od uhlovej frekvencie w(U_m=BSw).

Pre činnosť generátora nie je dôležité, či sa otáča cievka v magnetickom poli, alebo naopak rotuje elektromagnet a cievka je v pokoji. Preto sa častejšie používa druhý spôsob, keď sa striedavý prúd z generátora odvádza pevnými svorkami. Odber prúdu je oveľa jednoduchší a vznikajú menšie straty, ako keby sa prúd odoberal z rotora.

Trojfázová sústava striedavých napätí

Zdrojom striedavého napätia v elektrárňach je trojfázový alternátor. Stator alternátora tvoria tri cievky, ktorých osi zvierajú navzájom uhly 120°. Uprostred medzi cievkami sa otáča magnet. Indukované napätia v jednotlivých cievkach sú fázovo posunuté o 1/3 periódy a platia pre ne rovnice

u₁ =U₁ sin wt

u₂ =U₂ sin (wt-2/3p)

u₃ =U₃ sin (wt-4/3p)

Časový diagram týchto napätí je na obrázku:

Trojfázový alternátor má dve hlavné časti. Stator sa skladá z plášťa, ktorý je pevne priskrutkovaný na nosnú plošinu generátora, lebo musí odolávať veľkému momentu sily. Jadro statora je zložené z tenkých izolovaných plechov a v jeho drážkach je uložené vinutie fázových cievok.

Rotor alternátora je vlastne silný elektromagnet uložený na oceľovej osi v strede alternátora. Na obvode sú vyfrézované drážky, do ktorých je vložené budiace vinutie. Týmto vinutím prechádza jednosmerný prúd z dynama, ktoré je umiestnené na spoločnej osi a nazýva sa budič.

Rotory alternátorov bývajú zvyčajne konštruované na frekvenciu otáčania 3000 otáčok za minútu, takže alternátor je zdrojom troch napätí s frekvenciou 50 Hz. Jednotlivé napätia sú fázovo posunuté o 120°. V elektrárňach bývajú alternátory zväčša spojené s hriadeľom hnacej turbíny. Celý agregát sa nazýva turboalternátor.

Napätie z alternátora by sme mohli rozvádzať 6-timi vodičmi.

V praxi sa využívajú sústavy - trojfázová sústava striedavých napätí, ktorú tvoria tri fázové vodiče L₁, L₂, L₃ a jeden nulový vodič N, ktorý býva uzemnený. Obvody fázových vodičov nazývame fázy sústavy.

Keby sme napr. v čase t=T/2 sčítali okamžité napätia, zistíme, že u₁+u₂+u₃= OV. Tento poznatok umožňuje spojiť jeden koniec cievok alternátor do spoločného uzla. Fázové vodiče sú pripojené k druhému koncu cievok a nulovací vodič N je spojený s uzlom. Medzi fázovými vodičmi a nulovacím vodičom je fázové napätie u₁,u₂,u₃. V našej spotrebiteľskej rozvodnej sieti majú fázové napätia efektívnu hodnotu U=220V. Medzi ľubovoľnými fázovými vodičmi je združené napätie u₁₂, u₁₃, u₂₃. Jeho efektívna hodnota je 220 3 V = 380V.

Elektrické spotrebiče pripájame najčastejšie k fázovému a nulovaciemu vodiču. Keď spotrebiče pripojené k jednotlivým fázovým vodičom majú rovnaký odpor R, bude nulovacím vodičom prechádzať prúd i_N=i₁+i₂+i₃=(u₁+u₂+u₃)1/R = OA, takže nulovací vodič by bolo možné vynechať.

Niektoré spotrebiče, napr. elektromotory, transformátory sú konštruované tak, že jednotlivé fázy rozvodnej siete sú rovnomerne zaťažované. Ich elektrický obvod (napr.vinutie) má tri rovnaké časti zapojené podľa obrázka.

Spojenie do hviezdy a spojenie do trojuholníka. Pri spojení do hviezdy sú jednotlivé časti spotrebiča pripojené k fázovému napätiu (220V). Pri spojení do trojuholníka sú pripojené k vyššiemu združenému napätiu (380V). Preto je výkon spotrebiča pri tomto spojení väčší.

Elektromotor na trojfázový prúd

Elektromotory sa zakladajú na pohybe vodičov s prúdom v magnetickom poli, ktoré zväčša býva budené prúdom vo vinutí statora.

Pripojíme cievky k trojfázovému napätiu zo zdroja. Prúd v cievkach utvára magnetické pole, ktoré pôsobí na magnet. Magnet sa začne otáčať s rovnakou frekvenciou, ako je frekvencia striedavého prúdu.

Príčinou otáčania magnetu je vznik magnetického poľa, ktorého vektor magnetickej indukcie periodicky mení smer. Je to točivé magnetické pole. Osi cievok opäť zvierajú uhol 120° a sú pripojené k fázovým vodičom.

Základnom časťou trojfázového elektromotora je stator, ktorého konštrukcia je podobná ako pri alternátore. Rotor alebo kotva je zhotovená z oceľových plechov s drážkami, v ktorých sú uložené silné vodiče z hliníka alebo medi. V čelách rotora sú vodiče spojené prstencami, takže vinutie má tvar klietky. Prierez vodičov závisí od výkonu, na aký je motor skonštruovaný. Keďže sú vodiče navzájom spojené, tento druh motora nazývame motor s kotvou nakrátko.

Točivé magnetické pole cievok statora indukuje vo vinutí kotvy veľké prúdy. To má za následok vznik síl, ktoré kotvu roztočia v smere rotácie točivého poľa. Kotva sa však nikdy nemôže otáčať rovnakou frekvenciou, ako sa otáčal magnet, t.j. synchrónne s točivým poľom. Pri synchrónnom otáčaní by totiž vinutie kotvy bolo vzhľadom na indukčné čiary relatívne v pokoji, prúd by sa v ňom neindukoval a príčina otáčania by zanikla. Preto sa rotor otáča vždy s menšou frekvenciou, alebo asynchrónne. Elektromotory tohto druhu nazývame trojfázové asynchrónne elektromotory.

Rozdiel frekvencie f_p otáčania točivého poľa a frekvencie f_r otáčania kotvy sa vyjadruje v percentách a volá sa sklz. s=(f_p-f_r)/f_p

Keďže kotva pri otáčaní prekonáva odpor, indukčné čiary točivého magnetického poľa pretínajú vodiče rotora a vinutím prechádza indukovaný prúd. Tento prúd je tým väčší, čím väčší je sklz a tým sa súčasne zväčšuje moment otáčania motora.

Transformátor

Transformátory sú zariadenia, ktorými sa premieňajú (transformujú) striedavé prúdy a napätia na iné hodnoty s rovnakou frekvenciou. Rozdeľujeme ich na jednofázové a trojfázové.(princíp-elektromagnetická indukcia).

Jednofázový transformátor

- dve cievky na spoločnom uzavretom jadre z mäkkej ocele. Do primárnej cievky sa privádza striedavý prúd, ktorý tvorí v jadre periodické premenné magnetické pole. Vplyvom zmien magnetického indukčného toku sa v závitoch cievok indukuje elektromagnetické napätie. V cievke s N závitmi sa pri zmene magnetického indukčného toku Df za dobu Dt indukuje elektromagnetické napätie U = -N Df / Dt.

Pre pomer indukovaných napätí platí rovnica transformátora

U₁ N₁

-- = -- = k

U₂ N₂

Z tohto vzťahu vidíme, že pri istom napätí privedenom na primárnu cievku sa na sekundárnej cievke indukuje napätie väčšie (transformácia nahor) alebo menšie (transformácia nadol), podľa toho, aký je pomer počtu závitov. Pomer k = N₂ / N₁ sa volá transformačný pomer transformátora.

V súlade so zákonom zachovania energie musí sa príkon P₁ transformátora pri zanedbateľných stratách rovnať jeho výkonu P₂ v sekundárnej časti P₁=P₂ alebo U₁I₁=U₂I₂ čiže

U₁ I₂

-- = --

U₂ I₁

To znamená, že prúdy sa transformujú približne v obrátenom pomere počtu závitov. Pri vyššom sekundárnom napätí môžeme z transformátora odoberať menší prúd a naopak.

Jednofázové transformátory - rádio, TV, meracie prístroje.

Na transformáciu trojfázového prúdu v energetike sa používajú trojfázové transformátory. Jadro má tri magnetické vetvy. Každá fáza má vlastné primárne a sekundárne vinutie.

Cievky primárneho, príp. sekundárneho vinutia sú navzájom spojené do hviezdy alebo trojuholníka. Musia sa chladiť, namočením do oleja alebo chladené vzduchom

Elektráreň

Hlavný zdroj elektrickej energie. Rozdelenie: tepelný, jadrový a vodný (hydroelektráreň).

V tepelných elektrárňach sa energia získava spaľovaním uhlia alebo iných palív (napr. oleja, plynu). Uhlie sa melie a potom sa spaľuje v kotloch so sústavou rúrok. Rúrkami prúdi voda a mení sa na paru s vysokou teplotou a tlakom. Napríklad v turbogenerátore s výkonom 200MW z.n.p. Škoda sa používa para so vstupnou teplotou 535°C a tlakom 13MPa.

Vnútorná energia pary sa mení na mechanickú energiu rotora turbíny, ktorý má veľkú frekvenciu otáčania. Turbína je mechanicky spojená s rotorom alternátora, v ktorom sa mechanická energia mení na elektrickú. Hriadeľ agregátu turboalternátora je vodorovný. Pri chode, ale najmä pri zapnutí turboalternátora je dôležité, aby celá sústava bola správne nafázovaná. (kotol = účinnosť 87%, prenos vnútornej energie pary na mechanickú energiu -35%, výsledná 30%).

Jadrová elektráreň je v podstate tepelná elektráreň, v ktorej sa energia potrebná na výrobu pary získava premenou jadrovej energie. Jaslovské Bohunice-440 MW, Dukovany-440 MW, Mochovce 4x440 MW).

Vo vodných elektrárňach sa energia vodného toku v rieke mení na elektrickú energiu. Na pohon alternátora sa používa vodná turbína. Celý agregát býva najčastejšie v zvislej polohe. Frekvencia otáčania vodných turbín je menšia ako pri parných turbínach. Preto sa používajú alternátory, ktorých rotor tvorí elektromagnet s viac pólmi, alebo sa medzi turbínu a alternátor zaraďuje mechanický prevod, ktorý upravuje frekvenciu otáčania rotora alternátora.

Výkon závisí od rozdielu výšok hladín vodného toku v mieste elektrárne (spád) a od objemu vody, ktorý turbínou preteká za jednotku času (prietok).