Střídavý proud v energetice

Princip generátoru střídavého napětí

• Generátor střídavého proudu = alternátor
• Princip generátoru střídavého proudu spočívá v otáčení vodivé smyčky v magnetickém poli
• Alternátor používaný v elektrárnách má tyto hlavní části:
  • rotor - část, která koná rotační pohyb; u alternátoru jde o elektromagnet
  • stator - část, v níž se indukuje střídavé napětí (soustava cívek); proud se pak odvádí pevnými svorkami, což je jednodušší a vznikají menší ztráty
• Jednofázový generátor je tvořen otáčejícím se závitem v magnetickém poli (tj. mezi pólovými nástavci magnetu).
• V elektrárnách se používá trojfázový alternátor, jehož princip je na obr.
• Stator je tvořen třemi cívkami, jejichž osy svírají vzájemně úhel 120°. Mezi cívkami se otáčí magnet a v cívkách se indukují střídavá napětí

• Cívky se nachází v nestacionárním mag. poli, které vytváří otáčivý magnet
• V cívkách se indukuje střídavé napětí u1, u2, u3, mají stejnou amplitudu a frekvenci a jsou fázově posunuta o ⅔ π

u1​=U1​sinωt

u2​=U2​sin(ωt−32​π)

u3​=U3​sin(ωt−34​π)

Trojfázová soustava střídavých napětí

• Z fázorového diagramu z předtím je zřejmé, že součet okamžitých hodnot všech tří napětí je stále nulový. (i vektrorový součet)

u1​+u2​+u3​=0

• Toho se využívá k tomu, že jeden konec každé z cívek se spojuje do společného bodu – uzlu.
• Ke druhým koncům cívek jsou připojeny fázové vodiče
• S uzlem bývá spojen nulovací vodič.
• Mezi fázovými vodiči a nulovacím vodičem jsou fázová napětí u1, u2, u3 (v síti 230 V); mezi fázovými vodiči je napětí sdružené u12, u13, u23 - v síti 400 V≈230⋅√3 V
• Nulovací (nulový) vodič vznikne spojením vodiču od každé cívky
• Fázový vodič - 1., 2., 3. fáze (ty tři vodiče)
  • fázové napětí je mezi daným fázovým vodičem a nulovacím vodičem v ČR 230 V
• Sdružené napětí je napětí mezi jednotlivými fázemi u12, u13, u23 - v ČR 400 V

fázový - hnědý, černý

ochranný - žlutozelený - uzemnění

nulový - modrý

Trojfázový alternátor

• viz výše
• Některé spotřebiče jsou konstruované na vyšší výkon (např. elektromotory), jsou proto tvořeny ze tří stejných částí, které se připojují k fázovým vodičům
• Podle potřebného výkonu se zapojují
  1. do hvězdy (na napětí 220 V, není nutný tak velký výkon)
  2. do trojúhelníku (380 V, výkonnější)

Elektromotor

• Stroje, které přeměňují elektrickou energii na mechanickou
• K cívkám je připojeno střídavé napětí, v okolí vzniká nestacionární magnetické pole
• Vzniká točivé magnetické pole, vektor magnetické indukce uprostřed cívek periodicky mění svůj směr
• Mag. pole se otáčí se stejnou frekvencí jako je frekvence střídavého proudu
• Dva druhy:
  • synchronní
  • asynchronní

Synchronní elektromotor

• Rotor je tvořen magnetem nebo elektromagnetem
• Stator, na nějž je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole, je tvořem 3 cívkami s jádrem. Rotor se otáčí synchronně s točivým magnetickým polem
• Magnet umístěný v rotoru se snaží uchovat si svoji konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vyvářenému průchodem střídavého proudu ve statoru
• Synchronní motory mají řadu nevýhod - je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím, pokud pod zátěží ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se
• Využívají se např. jako pohon gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě.
• Střídavé napětí spotřebitelské sítě má frekvenci f = 50 Hz
• Točivé mag. pole, f = 50 Hz → rotor se otáčí s f = 50 Hz

Asynchronní elektromotor

• Stator jako u synchronního
• Rotor je kotva, hliníkové nebo měděné tyče spojené prstenci
• Uprostřed cívek vzniká točivé mag. pole, v kotvě vzniká indukovaný proud, na kotvu působí magnetická síla, která zvedá otáčky rotoru
• Obě magnetická pole (rotoru a statoru) pak spolu navzájem reagují a vzniká tak elektromotorická síla
• Otáčky rotoru nikdy nedosáhnou rychlosti točivého magnetického pole
• Rotor se tedy otáčí s menší frekcencí než je frekvence točivého mag. pole, tzn. je asynchronní
• Můžou nastat dva případy:
  • Nezatížená kotva
    • př. pila, která běží na prázdno - rozdíl frekvencí je nepatrný
  • Zatížená kotva
    • př. pila při řezání dřeva, točivé mag. pole se otáčí f = 50 Hz, rotor s f = 47,5-49 Hz
    • frekvence je menší o 2 - 5 %
    • otáčí se nestejně = skluz

Zhodnocení elektromotorů

• Tiché, jednoduché konstrukce - dlouhodobá životnost, velký výkon
• Využití: čerpadla, kompresory, brusky, ventilátory

Transformátor

• Slouží ke zvýšení nebo ke snížení (transformaci) napětí střídavého proudu
• Jeho princip je založen na elektromagnetické indukci

Jednofázový transformátor

• Tvoří dvě cívky, které jsou na společném jádře z měkké oceli, je uzavřené
• Primární cívka je připojena k střídavému napětí u1 a prochází jí střídavý proud i1
• Vytváří se mag. pole a v každém závitu primární nebo sekundární cívky se indukuje napětí ui
• Celkové napětí na cívkách s N1 nebo N2 závity:

ui​=−ΔtΔΦ​

C1,2 - cívky 1 a 2

u1 - vstupní napětí

u2 - výstupní napětí

N -počet závitů

J - společné jádro

u1​=−N1​⋅ΔtΔΦ​

u2​=−N2​⋅ΔtΔΦ​

• Poměr efektivních hodnot proudu vyplývá z rovnosti výkonů v primární a sekundární cívce
• Pro poměr efektivních hodnot indukovaných napětí pak vyplývá rovnice transformátoru:

U1​U2​​=N1​N2​​=I2​I1​​=k

• k je transformační poměr transformátoru
• Pro k platí:
  • k < 1 se napětí zmenšuje, transformace nahoru
  • k > 1 se napětí zvětšuje, transformace dolů
• C1 připojíme ke zdroji střídavého napětí s efektivní hodnotou U1
• V okolí C1 vzniká nestacionární mag. pole
• Pole je nejdřív zesíleno v jádře
• V C2 se indukuje napětí s efektivní hodnotou U2
• Střídavé napětí u1 a u2 mají stejnou frekvenci
• Ve skutečnosti se transformované napětí zmenší o 2 -10 %, účinnost je 90 - 98 %, z důvodu zahřívání vodiče a spotřebiče
• Pokud nezvažujeme ztráty energie:
  • Příkon P1 se rovná výkonu P2 (platí zákon zachování energie)
  • P = U . I → P1 = U1 . I1 → U1 . I1 = U2 . I2

• Použití: nabíječka mobilních telefonů, rádia, televize, transformátorová pájka ↑
• Napětí střídavého proudu se zvyšuje, aby se zamezilo ztrátám způsobeným odporem vodičů
• Proto se u dálkových vedení používají vysoká napětí a nízké proudy, při kterých je přenos el. energie nejúčinnější.
• Pro trojfázový proud se používají trojfázové transformátory, požívá se pro velké výkony, dochází k zahřívání - nutné chlazení

Elektrárna

• Elektrárna je technologické zařízení sloužící k výrobě elektrické energie
• Ta se získává přeměnou z energie vázané v nějakém zdroji. Nejčastěji je tato energie nejdříve přeměněna na energii mechanickou, kterou je následně poháněn elektrický generátor
• Z ekologického hlediska rozlišujeme zdroje na:
• Neobnovitelné:
  • Tepelné elektrárny
  • Jaderné elektrárny
• Obnovitelné:
  • Vodní elektrárny
  • Větrné elektrárny
  • Geotermální elektrárny
  • Solární elektrárny
  • Přílivové elektrárny

Přenosová soustava energie

• Elektrická přenosová soustava je systém zařízení, která zajišťují přenos elektrické energie od výrobců k odběratelům, čímž se míní přenos ve velkých měřítcích
• Distribuce od velkých zdrojů (elektráren) k velkým rozvodnám
• Přenosová soustava by se dala zhruba přirovnat k dálniční síti – tvoří páteř přenosu elektrické energie a zajišťuje přenosy na velké vzdálenosti a ve velkých objemech
• Alternátory v elektrárnách obvykle pracují se pouze několika kV
• Při výkonech stovek MW pak z alternátoru teče proud v řádu desítek tisíc ampérů.
• Na činném odporu takového vedení pak vznikají úbytky napětí, přímo úměrné protékajícímu elektrickému proudu, které by při delších vedeních představovaly podstatné ztráty přenášeného výkonu, úměrné druhé mocnině proudu
• Pro přenos na velké vzdálenosti je proto výhodnější použít vyšší napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí úměrně menší proud. Kromě omezení ztrát je pak i realizace dálkových vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější
• Napětí elektrického proudu se zvyšuje na vyšší přenosové napětí pomocí transformátorů, umístěných zpravidla přímo v areálu elektrárny
• V celé síti je nutné zajistit rovnováhu mezi okamžitou výrobou a spotřebou elektrické energie. Elektrickou energii je totiž obtížné skladovat (náhradou skladů jsou přečerpávací elektrárny případně baterie).