PHYSICS

Výroba a přenos elektrické energie

May 24 2020 [Edit]

• Generátor
  • Základní typy generátorů:
  • Alternátor
    • Trojfázový alternátor
      • Trojfázová soustava střídavých napětí
    • Jednofázový alternátor
  • Dynamo
• Elektromotor
• Transformátor
  • Jednofázový transformátor
  • Trojfázový transformátor
  • Reálný transformátor
• Přenosová soustava
• Pojistky a jističe

---

Generátor

• Přeměňuje různé druhy energie na elektrickou energii
• Indukuje se v něm napětí - zákon elektromagnetické indukce (pokud se $\Phi$ mění v čase pak $\Delta\Phi$ je nenulové a napětí se indukuje, ale pokud $\Phi$ zůstává v čase konstantní pak $\Delta\Phi$ se rovná nule a napětí se neindukuje)
• Využívá se v tepelných, jaderných, větrných a vodních elektrárnách

$$U_{i} = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$$

• $\Phi$ - Magnetický indukční tok

$$\Phi = B.S\cos\alpha$$

• $B$ - Magnetická indukce
• $S$ - Plocha, která je v indukovaném prostředí
• $\alpha$ - Úhel, který svírají indukční čáry s normálovým vektorem roviny tvořené indukovaným drátem

Základní typy generátorů:

• Alternátor
• Dynamo

Alternátor

• Synonymum pro rotační generátor
• Generátor střídavého proudu

Skládá se z:

• Rotor
  • Rotující část alternátoru
  • Silný elektromagnet otáčející se kolem své osy
  • Rotor bývá přímo spojen s tělesem, které roztáčíme (např. turbína v elektrárně)
• Stator
  • Soustava cívek, na kterých se indukuje napětí

Trojfázový alternátor

• Generátor střídavého proudu
• Stator je složen ze tří cívek posunutých o $\frac{1}{3}$ periody (120°)

• Rovnice pro napětí na jednotlivých cívkách:

$$\begin{aligned} u_{1} &= U_{m}\sin\left(\omega .t\right) \\ u_{2} &= U_{m}\sin\left(\omega .t - \frac{2}{3}\pi\right) \\ u_{3} &= U_{m}\sin\left(\omega .t - \frac{4}{3}\pi\right) \end{aligned}$$

Trojfázová soustava střídavých napětí

Součet všech tří napětí se vždy rovná nule:

$$u_{1} + u_{2} + u_{3} = 0$$

• Zapojení do trojúhelníku (obr. 1)
  • Spojení tří fázových vodičů (chybí nulovací vodič)
  • Pouze sdružené napětí $u_{s}$ (400V) - napětí mezi dvěma libovolnými fázovými vodiči
• Zapojení do hvězdy (obr. 2)
  • Nulovací vodič - N - spojení všech fázových vodičů
  • Fázové napětí - $u_{f}$ (230V) - napětí mezi fázovým a nulovým vodičem
  • Sdružené napětí - $u_{s}$ (400V) - napětí mezi dvěma libovolnými fázovými vodiči

$$\begin{aligned} u_{s} &= u_{f} . \sqrt{3} \\ u_{f} &= 230V \\ u_{s} &= 400V \end{aligned}$$

Jednofázový alternátor

• Tvořen jednou cívkou otáčející se v magnetickém poli
• Generátor střídavého napětí

Dynamo

Typ generátoru, který vyrábí stejnosměrný proud

Skládá se z:

• Komutátor - zařízení na hřídeli dynama, které usměrňuje napětí na stejnosměrné
• Rotor - indukční cívky ve tvaru obdélníku nebo kotvy
• Stator - elektromagnet

---

Elektromotor

• Mění elektrickou energii na mechanickou.
• Funguje opačně než generátor (využívá elektromagnetické indukce)
• Skládá se z rotoru a statoru

Dělí se na:

• Stejnosměrné - Mají podobnou konstrukci jako dynamo
• Střídavé - Ty se dále dělí na:
  • Jednofázové
  • Trojfázové

Transformátor

• Používá se pro změnu střídavého napětí, při zachování stejné frekvence
• Funguje díky zákonu elektromagnetické indukce.
• Skládá se ze dvou cívek s různým počtem závitů a jádra cívky
• Účinnost se pohybuje mezi 90-98%

Transformátory se dále dělí na:

• Jednofázové
• Trojfázové

Jednofázový transformátor

Je tvořen dvěma cívkami na společném jádře, z nichž jedna je připojena ke zdroji napětí

$$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = k$$

• $U$ - Napětí
• $N$ - Počet závitů
• $k$ - Transformační poměr

• $k<1$ - Nastává transformace dolů (na nižší hodnotu napětí)
• $k>1$ - Nastává transformace nahoru (na vyšší hodnotu napětí)

Trojfázový transformátor

Jádro transformátoru tvoří 3 větve (na každé je primární a sekundární cívka). Ty jsou spojeny do hvězdy nebo do trojúhelníku. Trojfázové transformátory, se používají pro velká napětí a velmi se zahřívají. To může snížit účinnost a tak musí být chlazeny (např. olejem).

Reálný transformátor

Dochází ke ztrátám

$$\eta = \frac{P_{2}}{P_{1}}$$ $$U_{1}.I_{1}.\eta = U_{2}.I_{2}$$

---

Přenosová soustava

Rozvodová soustava: - Elektrárny produkují napětí o velikosti kolem 10kV. - Před přenosem se pro vyšší účinnost zvýší na 200 - 400 kV. - V místě určení (např. města) se napětí transformuje na 22kV pro lokální síť. - Nakonec se transformuje na fázové napětí - 230V.

Běžné zásuvky v domácnostech jsou určeny pro fázové napětí - 230V, ale pro spotřebiče s velkým výkonem se používají zásuvky na sdružené napětí - 400V (např. trouba, cirkulová pila).

Pojistky a jističe

• Mechanická ochrana proti přepětí v elektrické síti
• Pojistka tvoří nejslabší místo obvodu a při přepětí se vodič v ní spálí, nebo rozpojí
• Jističe dokáží obvod rozpojit při zahřátí vodiče nad určitou teplotu (tepelné vypínání) nebo při náhlém nárůstu elektrického proudu (elektromagnetické vypínání)