Striedavý prúd

Striedavý prúd
Generátor striedavého prúdu
Faradayov objav elektromagnetickej indukcie umožnil skonštruovat zariadenie, v
ktorom možno získat elektrickú energiu na energetické úcely. Tento spôsob výroby
striedavého napätia a prúdu si vysvetlíme na príklade jednoduchého generátora, v
ktorom sa otáca vodivá slucka,
príp. cievka v homogénnom magnetickom poli. Cievka tvorí rotor generátora a
permanentné magnety alebo elektromagnety, ktoré tvoria homogénne magnetické
pole, nazývame stator. Ked sa vodivá slucka otáca uhlovou rýchlostou , mení sa
magnetický indukcný tok plochou S slucky. Indukcný tok je urcený t je uhol
medzi indukcnými ciarami a normálou plochy=, kde =BS
cos vztahom S slucky. t zmeny indukcného toku
vyvolávajú/& #61508;Podla Faradayovho zákona U=- vznik
indukovaného napätia, ktoré nameriame na koncoch cievky. Kedže zmena indukcného
napätia je najväcšia v okamihu, ked sa vodice slucky pohybujú kolmo na indukcné
ciary, má v tomto okamihu indukované napätie najväcšiu hodnotu. Naopak v okamihu,
ked sa vodice pohybujú v smere indukcných ciar je zmena magnetického indukcného
toku najmenšia a indukované napätie je nulové. Závislost indukovaného napätia od
casu zobrazíme sínusoidou a pre jeho okamžitú hodnotu t.platí vztah
u=Umsin
V otácavej slucke sa indukuje harmonické napätie s amplitúdou Um. Velkost Um závisí
nielen od velkosti magnetickej indukcie B a ).(Um=BSplochy
slucky S, ale aj od uhlovej frekvencie
Pre cinnost generátora nie je dôležité, ci sa otáca cievka v magnetickom poli, alebo
naopak rotuje elektromagnet a cievka je v pokoji. Preto sa castejšie používa druhý
spôsob, ked sa striedavý prúd z generátora odvádza pevnými svorkami. Odber prúdu je
ovela jednoduchší a vznikajú menšie straty, ako keby sa prúd odoberal z rotora.
Trojfázová sústava striedavých napätí
Zdrojom striedavého napätia v elektrárnach je trojfázový alternátor. Stator alternátora
tvoria tri cievky, ktorých osi zvierajú navzájom uhly 120°. Uprostred medzi cievkami sa
otáca magnet. Indukované napätia v jednotlivých cievkach sú fázovo posunuté o 1/3
periódy.
Trojfázový alternátor má dve hlavné casti. Stator sa skladá z plášta, ktorý je pevne
priskrutkovaný na nosnú plošinu generátora, lebo musí odolávat velkému 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 ocelovej 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
spolocnej osi a nazýva sa budic. Rotory alternátorov bývajú zvycajne konštruované na
frekvenciu otácania 3000 otácok za minútu, takže alternátor je zdrojom troch napätí s
frekvenciou 50 Hz. Jednotlivé napätia sú fázovo posunuté o 120°. V elektrárnach
bývajú alternátory zväcša spojené s hriadelom hnacej turbíny. Celý agregát sa nazýva
turboalternátor. Napätie z alternátora by sme mohli rozvádzat 6-timi vodicmi. V praxi
sa využívajú sústavy - trojfázová sústava striedavých napätí, ktorú tvoria tri fázové
vodice L1, L2, L3 a jeden nulový vodic N, ktorý býva uzemnený. Obvody fázových
vodicov nazývame fázy sústavy. Keby sme napr. v case t=T/2 scítali okamžité napätia,
zistíme, že u1+u2+u3= OV. Tento poznatok umožnuje spojit jeden koniec cievok
alternátor do spolocného uzla. Fázové vodice sú pripojené k druhému koncu cievok a
nulovací vodic N je spojený s uzlom. Medzi fázovými vodicmi a nulovacím vodicom je
fázové napätie u1,u2,u3. V našej spotrebitelskej rozvodnej sieti majú fázové napätia
efektívnu hodnotu U=220V. Medzi lubovolnými fázovými vodicmi je združené napätie
u12, u13, u23. Jeho efektívna hodnota je 220 3 V = 380V. Elektrické spotrebice
pripájame najcastejšie k fázovému a nulovaciemu vodicu. Ked spotrebice pripojené k
jednotlivým fázovým vodicom majú rovnaký odpor R, bude nulovacím vodicom
prechádzat prúd iN=i1+i2+i3=(u1+u2+u3)1/R = OA, takže nulovací vodic by bolo
možné vynechat. Niektoré spotrebice, napr. elektromotory, transformátory sú
konštruované tak, že jednotlivé fázy rozvodnej siete sú rovnomerne zatažované. Ich
elektrický obvod (napr.vinutie) má tri rovnaké casti zapojené podla obrázka. Spojenie
do hviezdy a spojenie do trojuholníka. Pri spojení do hviezdy sú jednotlivé casti
spotrebica pripojené k fázovému napätiu (220V). Pri spojení do trojuholníka sú
pripojené k vyššiemu združenému napätiu (380V). Preto je výkon spotrebica pri tomto
spojení väcší. Elektromotor na trojfázový prúd
Elektromotory sa zakladajú na pohybe vodicov s prúdom v magnetickom poli, ktoré
zväcša 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
zacne otácat s rovnakou frekvenciou, ako je frekvencia striedavého prúdu.
Prícinou otácania magnetu je vznik magnetického pola, ktorého vektor magnetickej
indukcie periodicky mení smer. Je to tocivé magnetické pole. Osi cievok opät zvierajú
uhol 120° a sú pripojené k fázovým vodicom. Základnom castou trojfázového
elektromotora je stator, ktorého konštrukcia je podobná ako pri alternátore. Rotor
alebo kotva je zhotovená z ocelových plechov s drážkami, v ktorých sú uložené silné
vodice z hliníka alebo medi. V celách rotora sú vodice spojené prstencami, takže vinutie
má tvar klietky. Prierez vodicov závisí od výkonu, na aký je motor skonštruovaný.
Kedže sú vodice navzájom spojené, tento druh motora nazývame motor s kotvou
nakrátko. Tocivé magnetické pole cievok statora indukuje vo vinutí kotvy velké prúdy.
To má za následok vznik síl, ktoré kotvu roztocia v smere rotácie tocivého pola. Kotva
sa však nikdy nemôže otácat rovnakou frekvenciou, ako sa otácal magnet, t.j.
synchrónne s tocivým polom. Pri synchrónnom otácaní by totiž vinutie kotvy bolo
vzhladom na indukcné ciary relatívne v pokoji, prúd by sa v nom neindukoval a prícina
otácania by zanikla. Preto sa rotor otáca vždy s menšou frekvenciou, alebo
asynchrónne. Elektromotory tohto druhu nazývame trojfázové asynchrónne
elektromotory. Rozdiel frekvencie fp otácania tocivého pola a frekvencie fr otácania
kotvy sa vyjadruje v percentách a volá sa sklz. s=(fp-fr)/fp
Kedže kotva pri otácaní prekonáva odpor, indukcné ciary tocivého magnetického pola
pretínajú vodice rotora a vinutím prechádza indukovaný prúd. Tento prúd je tým väcší,
cím väcší je sklz a tým sa súcasne zväcšuje moment otácania motora. Transformátor
Transformátory sú zariadenia, ktorými sa premienajú (transformujú) striedavé prúdy a
napätia na iné hodnoty s rovnakou frekvenciou. Rozdelujeme ich na jednofázové a
trojfázové.(princíp-elektromagnetická indukcia). Jednofázový transformátor
- dve cievky na spolocnom uzavretom jadre z mäkkej ocele. Do primárnej cievky sa
privádza striedavý prúd, ktorý tvorí v jadre periodické premenné magnetické pole.
Vplyvom zmien magnetického indukcného toku sa v závitoch cievok indukuje
elektromagnetické napätie. Z tohto vztahu vidíme, že pri istom napätí privedenom na
primárnu cievku sa na sekundárnej cievke indukuje napätie väcšie (transformácia
nahor) alebo menšie (transformácia nadol), podla toho, aký je pomer poctu závitov.
Pomer k = N2 / N1 sa volá transformacný pomer transformátora. To znamená, že
prúdy sa transformujú približne v obrátenom pomere poctu závitov. Pri vyššom
sekundárnom napätí môžeme z transformátora odoberat 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 chladit, namocením do oleja alebo chladené vzduchom.