21. Výroba, rozvod a užití elektrické energie Alternátor: Dynamo:

21. Výroba, rozvod a užití elektrické energie
V energetice se používají jako zdroje proudu generátory, což jsou stroje m nící mechanickou
energii na energii elektrickou.
Princip jejich innosti: indukce st ídavého nap tí p i otá ivém pohybu cívky v magnetickém
poli.
Základní typy generátor :
alternátory (vyráb jí st ídavý proud – cívky v klidu, rotuje
elektromagnet)
dynama (vyráb jí stejnosm rný proud – elektromagnet v klidu,
rotuje cívka)
Výroba st ídavého proudu:
Alternátor:
- stator je soustava induk ních cívek (jedna pro
alternátor, t i pro
alternátor)
- rotor je silný elektromagnet (2, 4, 8,…-pólový), frekvence 50Hz
Sou et okamžitých hodnot st ídavých nap tí indukovaných na cívkách alternátoru je nulovýjejich spojením získáme nulovací vodi .
Používáme spojení do hv zdy (jeden konec každé cívky vedeme do spole ného bodu (0),
k druhému konci jsou p ipojeny
L1
L1
fázové vodi e. Mezi fázovými vodi i L
L2
2
a nulovacím vodi em jsou fázová
L3
L3
nap tí u1, u2, u3. Nap tí mezi dv ma
N
N
fázovými vodi i se nazývá sdružené
nap tí. Efektivní hodnota sdruženého
nap tí je 3 krát v tší než efektivní
hodnota fázového nap tí) nebo do
do hv zdy
do trojúhelníku
trojúhelníku.
Spot ebitelská elektrická rozvodná sí
– zásobována elektrickým proudem z t ífázových alternátor :
U nás je ve spot ebitelské síti fázové nap tí 220 V (230 V) a sdružené 380 V (400 V).
Spot ebitelská sí je provedena tak, že jednotlivé fázové vodi e jsou zat žovány tém
rovnom rn . i n = i1 + i2 + i3 = 0 V praxi proud in není nulový, ale má mnohem menší hodnotu
než proud ve fázových vodi ích.
Pokud pot ebujeme v tší výkon (nap . elektromotory), p ipojíme spot ebi sou asn ke všem
fázovým vodi m.
Výroba stejnosm rného proudu:
Dynamo:
- stator je elektromagnet
- rotor je kotva válcovitého tvaru s induk ními cívkami
- komutátor je za ízení umíst né na h ídeli dynama, sloužící k p epojení vodi e z
jednoho kartá e na jiný a tím plní vlastn funkci usm r ova e, protože st ídavé nap tí
indukované v rotorovém vinutí dynama m ní na stejnosm rné elektrické nap tí.
Skládá se z n kolika vzájemn izolovaných m d ných lamel. Ke každé lamele vedou
vodi e dvou r zných cívek. Celé vinutí rotoru je p es komutátor propojeno. ím více
lamel komutátor má, tím je výstupní stejnosm rné nap tí stabiln jší (tj. mén zvln né).
Elektrárny:
• tepelné: Spalováním paliva (uhlí) vzniká horká pára o vysokém tlaku a teplot . Její
energie se m ní na mechanickou energii rotoru turbíny, který je spojen s rotorem
alternátoru, kde se mechanická energie m ní na elektrickou.
• jaderné: Prrincip je v podstat obdobný jako princip tepelné elektrárny, pouze teplo
pot ebné na p em nu vody na páru se získává jaderným št pením v jaderném reaktoru.
• vodní(pr to né,akumula ní, p e erpávací): Alternátor je pohán n vodní
turbínou(vrtulí v trné elektrárny). Frekvence otá ení vodní turbínou je menší než
frekvence pot ebná pro výrobu proudu 50 Hz, proto se používá mechanický p evod
mezi turbínou a alternátorem nebo rotor je elektromagnet s více póly.
• ostatní
- v trné (na našem území instalováno p es 50 v trných elektráren)
- solární (produkují elektrickou energii p em nou slune ního zá ení)
- plynové (zemní plyn, bioplyn)
- p ílivové, p íbojové, …(nad jný energetický zdroj pro budoucnost –
zatím pom rn malé využití zejména vzhledem k nevýhodám
(„pracovní doba“ nesouhlasí s energetickou špi kou, místa vhodná pro
výstavbu elektráren jsou asto vzdálena od míst spot eby))
- geotermální (problémy: 1)horká voda z nitra Zem je vysoce
mineralizovaná – zanášení potrubí, 2) tepelný spád bývá spojen
s geologickou nestabilitou oblasti – vysoké nároky na konstrukci
elektrárny (odolnost proti zem t esením)). Využití- nap . na Islandu. U
nás – v Ústí nad Labem (nap . od kv tna 2006 – vytáp ní ZOO)
Transformace st ídavého proudu
Transformátor: -za ízení pro zvyšování nebo snižování nap tí a proudu na jiné hodnoty nap tí
a proudu p i zachování p vodní frekvence.
• Jednofázový transformátor: Tvo í ho dv cívky na spole ném jád e. Jedna je
p ipojena ke zdroji nap tí. V jád e vzniká prom nné magnetické pole, v závitech cívek
∆
∆
se indukuje nap tí u i = −
. Celkové nap tí na každé cívce bude U = − N ⋅
.
∆t
∆t
Pokud má primární cívka zanedbatelný odpor, pak indukované nap tí je stejn velké
U
N
jako nap tí zdroje, ale s opa nou fází. 2 = 2 = k , kde k je transforma ní pom r.
U 1 N1
Pokud je v tší než jedna, jedná se o transformaci nahoru, jinak jde o transformaci dol
(na nižší nap tí). V praxi bývá sekundární nap tí zatíženého transformátoru vlivem
ztrát o 2–10% menší než odpovídá transforma nímu pom ru.Proudy se p i malých
I
ztrátách transformují v opa ném pom ru než nap tí ( k = 1 ).Používají se
I2
v elektrospot ebi ích.
• Trojfázový transformátor Jádro transformátoru má 3 magnetické v tve, každá má
vlastní primární a sekundární vinutí. Cívky vinutí jsou spojeny do hv zdy nebo do
trojúhelníka. Transformátory pro velké nap tí se zna n zah ívají a musí se proto
chladit.Využití v energetice.
: -využívá transformací dol . Sekundární cívkou (pájecí smy kou)
procházejí silné proudy, což má za následek vysoké zah ívání této smy ky.
P enosová soustava energetiky: Dálkový p enos se uskute uje p i nap tí 110 kV, 220 kV
nebo 400 kV. Vysoké nap tí je nutné pro snížení ztrát elektrické energie vedením.
P = UI = RI 2 P i vysokém nap tí prochází nižší proud a ztráty jsou menší. P enosovou
soustavu zakon ují transforma ní stanice, ve kterých se získává trojfázové nap tí, které se
dále rozvádí ke spot ebitel m v tšinou pomocí kabel .
Elektromotory – stroje, které m ní energii elektrickou na energii mechanickou.
Založeny na pohybu vodi s proudem v magnetickém poli, které se vytvá í ve vinutí statoru.
Rozd lení elektromotor :
1. stejnosm rné
a) s permanentním magnetem
b) sériové
c) deriva ní
2. st ídavé a) jednofázové
b) t ífázové 1) asynchronní
2) synchronní
Stejnosm rné elektromotory:
- konstrukce obdobná jako u dynama
stator – elektromagnet (permanentní magnet)
rotor – kotva s cívkami + komutátor
1a) Motor s permanentním magnetem: Nejjednodušší motor na stejnosm rný proud má
stator tvo ený permanentním magnetem a rotující kotvu ve form elektromagnetu s dv ma
póly. Rota ní p epína zvaný komutátor m ní sm r elektrického proudu procházejícího
kotvou dvakrát b hem každé otá ky. Tím zajistí, že síla p sobící na póly rotoru má stále
stejný sm r. V okamžiku p epnutí polarity udržuje b h tohoto motoru ve správném sm ru
setrva nost.
Motory s permanentním magnetem se dodnes využívají nap íklad v modelá ství. Jen kotva je
obvykle minimáln t ípólová, aby nevznikl problém s mrtvým úhlem motoru. Výhodou
motoru s permanentním magnetem je možnost snadno m nit sm r otá ení polaritou vstupního
nap tí.
Komutátor zajistí, že se v cívce zm ní sm r proudu + a - (- a +) po každém pooto ení o 180°
(u dvoupólového motoru). Takto dochází ke zm n sm ru induk ních silo ar v cívce.
1b) Sériový elektromotor:
Místo permanentního magnetu se pro statory b žných v tších motor využívá
elektromagnetu. Pokud je vinutí statoru (budicí vinutí) spojeno s vinutím rotoru do série,
mluvíme o sériovém elektromotoru. Tento typ elektromotoru má to ivý moment nep ímo
úm rný otá kám. To znamená, že stojící elektromotor má obrovský to ivý moment. Využívá
se proto p edevším u dopravních stroj a v elektrické trakci (vlaky, metro, tramvaje). Ve
spojení s generátorem je schopen ideáln nahradit mechanickou p evodovku. Dostupn jší
sériový elektromotor (narozdíl od AC) proto asto nalezneme také v levn jších p estavbách
elektromobil .
1c) Deriva ní elektromotor: Vinutí statoru je spojeno s vinutím rotoru paraleln . Tyto
motory se používají tam, kde se požaduje pokud možno stálá rychlost i p i zm n zatížení –
obráb cí stroje, textilní stroje, soustruhy,…
St ídavé elektromotory:
2a) Jednofázový motor – používá se ve všech domácích elektrických spot ebi ích.
Ve statoru je a) základní vinutí vytvá ející kmitavé magnetické pole
b) pomocné vinutí (rozb hové) s kondenzátorem nebo induk ním
závitem, v n mž se po spušt ní indukuje fázov posunutý proud.
Rotorem je magnet nebo elektromagnet.
2b1) Trojfázový asynchronní elektromotor: - skládá se ze statoru a rotoru
• Stator: podobná konstrukce jako stator alternátoru (t i masivní navinuté cívky)
• Rotor: válec z ocelových plech s drážkami, v nichž je uloženo klecové vinutí, které
má zanedbatelný odpor
Po p ivedení trojfázového nap tí na cívky statoru vzniká uvnit elektromotoru to ivé
magnetické pole, které indukuje silné proudy ve vinutí rotoru. Podle Lenzova zákona tyto
proudy vytvá ejí mag. pole, které p sobí proti otá ení mag. pole statoru a rotor se rozto í.
Otá í se však vždy s menší frekvencí, než s jakou se to í mag. pole mezi cívkami statoru,
jinak by se proudy ve vinutí rotoru neindukovaly. ím je zatížení elektromotoru v tší, tím se
f p − fr
, kde s je tzv. skluz (udává se v
rotor otá í pomaleji. Proto je definován vzorec s =
fp
%), fp je frekvence otá ení mag. pole a fr je frekvence otá ení rotoru.
Výhodou t chto motor je jejich jednoduchá konstrukce, nevýhodou pak nemožnost regulace
otá ek. Proto se využívají tam, kde to není pot eba (nap .: erpadlo)
2b2) Trojfázový synchronní elektromotor: - v principu obrácený generátor st ídavého
proudu.
• Stator: p iveden st ídavý proud, vytvá í pulzní nebo ast ji rotující magnetické pole
• Rotor: tvo en magnetem nebo elektromagnetem, snaží se udržet polohu souhlasící s
tímto polem
Synchronní motory mají adu nevýhod - je t eba je rozto it na pracovní otá ky jiným strojem
nebo pomocným asynchronním rozb hovým vinutím, pokud pod zát ží ztratí synchronizaci s
rotujícím polem, skokov klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou využívány jen ve
speciálních p ípadech, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otá ek o
celo íselném násobku frekvence elektrické sít .