21) Výroba a přenos elektrické energie

Generátory jednofázového a třífázového proudu

Generátor střídavého proudu

= zařízení měnící mechanickou energii na elektrickou

princip činnosti: otáčení vodivé smyčky v magnetickém poli

v praxi :

otáčivý pohyb vykonává elektromagnet - ROTOR

střídavé napětí se indukuje v soustavě cívek - STATOR

v elektrárnách se využívá trojfázový alternátor (zdroj střídavého napětí)

stator = tři cívky, jejichž osy svírají navzájem úhly 120°

rotor = magnet nebo silný elektromagnet, uložený na ocelové ose ve středu alternátoru

v cívkách se indukují střídavá napětí, která mají stejnou amplitudu a jsou navzájem posunuta o 1/3 periody

proto potom platí rovnice

Časový a fázorový diagram těchto napětí :

frekvence rotoru alternátoru = 3000 ot/min

potom frekvence střídavého napětí = 50 Hz

z časového diagramu pro jednotlivá napětí plyne :

+ u

= 0

(součet okamžitých hodnot střídavých napětí indukovaných v cívkách alternátoru je stále nulový)

Trojfázová soustava střídavých napětí

vznikající napětí bychom mohli rozvádět do spotřebitelské sítě 6 vodiči (3 cívky x 2 vodiče)

s využitím předchozího poznatku o součtu okamžitých hodnot vznikajících napětí lze tato napětí rozvádět

čtyřmi vodiči - ZAPOJENÍ DO HVĚZDY (obr. a)

N ... nulovací vodič

... fázové vodiče

, u

... fázová napětí (230 V)

(napětí mezi fázovým vodičem a nulákem)

, u

... sdružená napětí (400 V)

(napětí mezi libovolnými fázovými vodiči)

označení spotřebitelské sítě ... 3 x 400V/230V

třemi vodiči - ZAPOJENÍ DO TROJÚHELNÍKU (obr. b)

chybí nulák

pouze sdružená napětí u

, u

označení spotřebitelské sítě ... 3 x 400V

Poznámka :

při zapojení spotřebiče do trojúhelníku jsou jednotlivé jeho části připojeny k vyššímu napětí (sdruženému), a proto je výkon tohoto spotřebiče při tomto

spojení větší

Generátor střídavého proudu

Princip generátoru střídavého proudu spočívá v otáčení vodivé smyčky v magnetickém poli. Alternátor používaný v elektrárnách má tyto hlavní části:

1. rotor - část, která koná rotační pohyb; u alternátoru jde o elektromagnet

2. 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. 156. Stator je tvořen třemi cívkami, jejichž osy svírají vzájemně úhel .

Mezi cívkami se otáčí magnet a v cívkách se indukují střídavá napětí.

Obr. 156

Tato napětí jsou vzájemně posunuta o periody a matematicky je můžeme popsat rovnicemi: , a

. Jejich časový diagram je na obr. 157.

Vzájemný posun fází jednotlivých napětí o třetinu periody vyplývá z natočení a polohy cívek.

Obr. 157

Trojfázové generátory používané v energetice jsou konstruovány na velký výkon, proto mají mohutnou konstrukci.

Stator je tvořen pláštěm, který je pevně přišroubován k nosné plošině generátoru. Musí totiž odolávat velkému momentu síly. Jádro statoru je

složeno z tenkých izolovaných plechů a v jeho drážkách je uloženo vinutí fázových cívek. Konce cívek jsou vyvedeny na svorkovnici alternátoru.

Rotor je v podstatě silný elektromagnet uložený na ocelové ose ve středu alternátoru. Na obvodu rotoru jsou vyfrézovány drážky, do nichž je vloženo

budící vinutí. Tímto vinutím prochází proud z generátoru stejnosměrného napětí (dynama), který je umístěn na společné ose a nazývá se budič.

Rotory jsou obvykle konstruovány na frekvenci otáčení 3000 otáček za minutu, čemuž odpovídá frekvence . V elektrárnách je alternátor

obvykle spojen s hřídelí hnací turbíny. Celé soustrojí se nazývá turboalternátor.

Trojfázová soustava střídavého napětí

Tři fázově posunutá napětí z alternátoru lze rozvádět šesti vodiči. V energetice se používá ale rozvodná síť, v níž jsou vodiče vzájemně vhodným

způsobem propojeny a k rozvodu elektrické energie stačí menší počet vodičů. Nejčastěji se používá trojfázová soustava střídavých napětí, která je

založená na poznatku, že součet okamžitých hodnot střídavých napětí indukovaných v cívkách alternátoru je stále nulový: .

Důkaz lze provést buď grafickým sečtením fázorů příslušných napětí nebo pomocí součtových vzorců goniometrických funkcí.

Na základě tohoto poznatku je možné spojit jeden konec každé z cívek do společného bodu - uzlu

(viz obr. 158). Ke druhému konci cívek jsou

připojeny fázové vodiče a s uzlem spojíme střední vodič (dříve nulovací vodič nebo též „nulák“). Mezi fázovými vodiči a středním vodičem jsou fázová

napětí , a . Napětí , a jsou napětí sdružená.

Obr. 158 Obr. 159

Efektivní hodnoty sdružených napětí jsou stejné. Např. při výpočtu efektivní hodnoty je možné postupovat podle obr. 159. Platí

a tedy efektivní hodnotu lze určit např. pomocí kosinové věty: . Vzhledem k tomu, že , lze psát

. Odtud .

Spotřebitelská síť je provedena tak, že jednotlivé fázové vodiče jsou zatíženy připojenými spotřebiči přibližně rovnoměrně. V tom případě prochází

středním vodičem proud . V praxi není tento proud nulový, ale má vždy menší hodnotu než proud ve fázovém vodiči. Proto bývá střední

vodič tvořen vodičem s menším průměrem, čímž se dosahuje úspor.

Řada spotřebičů konstruovaných na větší výkon (elektromotory, …) se připojuje současně ke všem fázovým vodičům. Jejich elektrický obvod (např.

vinutí elektromotoru) má tři stejné části, zapojené buď do hvězdy (obr. 160a) nebo do trojúhelníka (obr. 160b). Při spojení do hvězdy jsou jednotlivé

spotřebiče připojeny k fázovému napětí ( ) a při spojení do trojúhelníka jsou připojeny k napětí sdruženému ( ). Proto je výkon spotřebiče při

tomto zapojení větší.

Soustava využívající tři cívky je nejoptimálnější. Při použití dvou cívek by se mohl rotor elektromotoru zastavit v tzv. „mrtvé poloze“; tj. v takové

poloze, z níž by se nebyl schopen bez zásahu zvenčí dostat. V této poloze se síly působící na rotor navzájem kompenzují a nejsou schopné jej uvést do

pohybu.

Při použití čtyř, pěti, … by byl chod elektromotorů sice pravidelnější, ale vzrostly by náklady na provoz elektrorozvodné sítě (místo čtyř vodičů by

bylo nutné mít 5, 6, …) vodičů.

Obr. 160

Synchronní a asynchronní elektromotor

Elektromotor

= zařízení měnící elektrickou energii na mechanickou

složení :

STATOR - tři cívky, jejichž osy svírají navzájem úhel 120° (obdoba alternátoru)

ROTOR (kotva) - válec zhotovený z ocelových plechů s drážkami, v nichž je uloženo vinutí

proud procházející cívkami vytváří v prostoru mezi nimi magnetické pole, které se otáčí se stejnou frekvencí jako má přivádějící střídavý proud

(vektor B daného mag. pole mění směr)

vzniká TOČIVÉ MAGNETICKÉ POLE

klecové vinutí

klecové vinutí - motor s kotvou nakrátko

(točivé magnetické pole indukuje ve vinutí velké proudy - malý odpor kotvy)

kotva se roztočí s jinou frekvencí než je frekvence točivého mag. pole (změna mag. induk. toku musí být různá od nuly, aby se v cívce indukovalo napětí)

trojfázový asynchronní elektromotor

veličina skluz

jednotka: %

... frekvence otáčení točivého mag. pole

... frekvence otáčení rotoru

v praxi: skluz 2-5%

Elektromotor na trojfázový proud

Velký praktický význam trojfázových proudů je dán možností konstruovat jednoduché a výkonné elektromotory, které mění energii elektrickou na

energii mechanickou. Jsou založeny na pohybu vodičů, kterými prochází elektrický proud, v magnetickém poli, které je buzeno proudem ve vinutí statoru.

Uvažme situaci na obr. 165. tři cívky, jejichž osy svírají vzájemně úhel a jejichž vinutí jsou spojena do hvězdy. Tyto cívky připojíme

k trojfázovému napětí z jiného zdroje. Proud procházející cívkami vytváří v prostoru mezi nimi magnetické pole. Umístíme-li do tohoto pole magnetku

(magnet) začne se otáčet s frekvencí stejnou, jako má střídavý proud. Magnetka se tedy otáčí synchronně s magnetickým polem. Příčinou otáčení

magnetky je magnetické pole, jehož vektor magnetické indukce mění periodicky směr. Vzniká zde točivé magnetické pole.

Koncový bod vektoru magnetické indukce se pohybuje po kružnici.

Na obr. 166 je znázorněn v horní části časový diagram proudu na cívkách a v dolní části je pak naznačen vznik točivého magnetického pole.

V okamžiku je proud ve vinutí fáze

nulový, vinutím fází

prochází stejně velký proud opačného směru. Indukční čáry směřují od vinutí fáze

k vinutí fáze

. Analogicky je možné najít směr indukčních čar v dalších časových okamžicích (na obrázku je znázorněna situace ještě pro čas ).

Zjistíme, že vektor mg. indukce se otáčí s periodou

ve směru šipky.

Trojfázový elektromotor má dvě základní části:

1. stator - má obdobnou konstrukci jako stator alternátoru

2. rotor (kotva) - válec zhotovený z ocelových plechů s drážkami, v nichž je uloženo vinutí

Obr. 166

Používá se tzv. klecového vinutí, které se vytváří např. tak, že se do drážek nalije roztavený hliník. Jeho ztuhnutím vznikne vodivá klec ze silných

hliníkových tyčí, které jsou v čelech rotoru vodivě spojeny hliníkovými prstenci. Vinutí kotvy má zanedbatelný odpor a motor s tímto typem rotoru se

označuje jako motor s kotvou nakrátko. K rotoru nevedou žádné přívodní vodiče.

Tento typ rotoru vypadá stejně jako klec na

Ježka v kleci

- hlavolamu, který se objevuje v knihách Jaroslava Foglara.

Vzhledem k malému odporu kotvy indukuje točivé magnetické pole ve vinutí velké proudy. To má za následek vznik velké magnetické síly, která

uvede rotor do otáčivého pohybu. Kotva se ale neroztočí s frekvencí točivého magnetického pole. Kdyby tomu tak bylo, nedocházelo by ke změně

magnetického indukčního toku vinutím, zanikl by indukovaný proud a tím i příčina otáčení.

Je nutné, aby se kotva vůči točivému magnetickému poli pohybovala - tj. aby „cítila“ nestacionární magnetické pole. Pokud by se otáčela

synchronně (se stejnou frekvencí jako točivé magnetické pole) „cítila“ by stacionární pole.

Použije-li se jako rotor magnet, dojde k synchronnímu otáčení a vznikne synchronní elektromotor (gramofon, šicí stroj, …).

Na rozdíl od synchronního otáčení magnetu se kotva trojfázového elektromotoru otáčí vždy s menší frekvencí, tzv. asynchronně. Tyto elektromotory

se označují jako trojfázové asynchronní elektromotory (motor vodárny, ...). Veličina charakterizující chod asynchronního elektromotoru se nazývá

skluz

a je definována vztahem , kde je frekvence otáčení točivého mg. pole a je frekvence otáčení rotoru. Skluz je možné vyjádřit

v procentech.

Nepřekonává-li kotva při otáčení žádný odpor, tj. když jde zařízení motorem pohánění naprázdno (např. okružní pila), je skluz nepatrný a vinutím

kotvy prochází malý proud. Při zatížení motoru (okružní pila řeže dřevo, …) skluz roste, ve vinutí se indukuje větší proud a otáčení rotoru je udrženo větší

magnetickou silou. V praxi bývá skluz při plném zatížení elektromotoru 2 % až 5 %.

Asynchronní elektromotory mají ve srovnání s jinými elektromotory řadu předností: jednoduchá konstrukce a obsluha, dlouhá životnost, neznečišťují

ovzduší, … Proto mají rozsáhlé uplatnění v praxi, hlavně tam, kde není nutno měnit frekvenci otáčení (pohon strojů, čerpadel, …).

Transformátor

= zařízení měnící v rozvodné síti elektrické napětí

princip: elektromagnetická indukce

rozdělení:

JEDNOFÁZOVÉ TRANSFORMÁTORY

složení: dvě cívky (primární a sekundární) umístěné na společném ocelovém jádře z měkké oceli

a) nákres, b) schéma zapojení

- primární cívka C

připojena ke zdroji střídavého napětí (primární okruh)

- cívkou prochází střídavý proud I

- v dutině primární cívky o N

závitech se indukuje napětí

- cívky spojeny za sebou

- v dutině sekundární cívky o N

závitech se indukuje napětí

potom pro poměr efektivních hodnot indukovaných napětí platí :

ROVNICE TRANSFORMÁTORU

k ... transformační poměr transformátoru

k > 1 ... transformace nahoru (N

> N

)

k < 1 ... transformace dolů (N

< N

)

Poznámky :

Účinnost transformátoru

vlivem zahřívání vodičů, vířivými proudy a periodickým magnetováním jádra je sekundární napětí zatíženého transformátoru o 2 % až 10 %

menší než odpovídá transformačnímu poměru

proto účinnost malých transformátorů je přes 90 %

Proudy se transformují v obráceném poměru počtu závitů

/ U

= I

/ I

tento poznatek vyplývá ze ZZE

= P

(příkon v primární části je roven výkonu v sekundární části obvodu)

TŘÍFÁZOVÉ TRANSFORMÁTORY

složení: tři cívky primárního a sekundárního vinutí (spojené do hvězdy nebo trojúhelníku) umístěné na třech magnetických větvích

při velké zátěži se transformátory značně zahřívají - chlazení (ponoření do speciálních nádob s olejem)

Transformátor

Přenos elektrické energie se neobejde bez zařízení, která by umožňovala zvyšovat resp. snižovat v rozvodné síti elektrické napětí. Takové zařízení se

nazývá transformátor.

Transformátory jsou obsažené jak ve velkých elektrorozvodných stanicích, tak na principu transformátoru pracuje např. adaptér pro notebook nebo

nabíječka mobilního telefonu.

Princip transformátoru je založen na elektromagnetické indukci. Podle jejich konstrukce rozlišujeme jednofázové transformátory a trojfázové

transformátory.

Jednofázové transformátory

Jednofázový transformátor je tvořen dvěma cívkami - primární a sekundární, které jsou umístěny na společném ocelovém jádře z měkké oceli. Jedná

se o jádro listové, které je tvořeno navzájem izolovanými plechy, aby se zabránilo vzniku vířivých proudů, které by zvětšovaly ztráty.

Primární cívka je připojena ke zdroji střídavého napětí a prochází jí střídavý proud . Ten vytváří v jádře transformátoru proměnné

magnetické pole a v libovolném závitu primární nebo sekundární cívky se indukuje napětí . Závity cívek jsou spojeny za sebou, takže napětí na

jednotlivých závitech se sčítají. Celkové napětí na primární cívce s závity je , na sekundární cívce s závity bude napětí .

Má-li primární cívka zanedbatelný odpor, má indukované napětí stejnou hodnotu jako napětí připojeného zdroje, ale má opačnou fázi. Pro poměr

efektivních hodnot indukovaných napětí odtud vyplývá rovnice transformátoru: . Veličina se nazývá transformační poměr

transformátoru.

Obr. 167

Pro k mohou nastat tyto případy:

1. - transformace nahoru

Dochází k ní v elektrárnách, v nichž se vyrobené napětí transformuje před přenosem na vysoké.

2. - transformace dolů

Používá se v městských rozvodnách, v adaptérech mobilních telefonů, …

Rovnice transformátoru byla odvozena za zjednodušených podmínek - neuvažovali jsme ztráty vznikající přeměnou elektrické energie na vnitřní

energii vinutí a jádra transformátoru, … Transformátor pracoval bez zatížení, naprázdno - sekundárním vinutím neprocházel žádný proud ( =0).

Odebíráme-li ze sekundárního vinutí proud, zvětšuje se také proud primárního vinutí. Přestože jsou odpory cívek malé, vznikají ve vinutí ztráty, a proto

bývá sekundární napětí zatíženého transformátoru o 2 % až 10 % menší, než odpovídá transformačnímu poměru. V transformátorech vznikají ztráty

zahříváním vodičů cívek, vířivými proudy a periodickým magnetováním jádra. Účinnost malých transformátorů proto bývá 90 % až 95 %, velkých až 98

V souladu se zákonem zachování energie musí být výkon v primárním vinutí transformátoru (tzv. příkon) při zanedbatelných ztrátách roven jeho

výkonu v sekundární části (za předpokladu, že je transformátor plně zatížen a zátěž má jen rezistanci). Pro činné výkony tedy platí: . Po

dosazení dostáváme . Za uvedených podmínek jsou hodnoty a malé (a proto ) a tedy platí .

Jednofázové transformátory se používají tam, kde je nutno měnit hodnotu proudů nebo napětí (rozhlasové přijímače, televizory, měřící přístroje, …).

Trojfázové transformátory

Trojfázové transformátory se používají k transformaci trojfázového proudu. Jejich konstrukce je obdobná jako u jednofázových transformátorů. Jejich

jádro má tři magnetické větve. Každá fáze má vlastní primární vinutí a sekundární vinutí. Cívky primárního vinutí resp. cívky sekundárního vinutí jsou

v zapojení do hvězdy nebo v zapojení do trojúhelníka.

Transformátory pro velké výkony se značně zahřívají a proto je třeba je chladit. Větší transformátory bývají ponořeny ve speciální nádobě s olejem,

který odvádí teplo a chladí se přes stěny nádoby vzduchem.

Přenos na dálku

Přenos elektrické energie

OBECNÉ SCHÉMA PŘENOSU

ELEKTRÁRNY

Tepelná elektrárna1.

Potřebná energie se získává spalováním uhlí nebo jiných paliv

Turbína, která je poháněna párou, je mechanicky spojena s rotorem alternátoru, kde se mechanická energie mění na elektrickou

Jaderná elektrárna2.

Je tepelná elektrárna, v níž se energie potřebná na výrobu páry získává přeměnou jaderné energie

Jaderný reaktor, štěpení uranu 235, primární a sekundární okruh

Vodní elektrárna3.

Využívá se energie vodního toku

Alternátor poháněn vodní turbínou

Přečerpávací, spádové

Sluneční elektrárna4.

Tepelná elektrárna, v níž se využívá přímo energie slunečního záření

Vnitřní energie pracovní látky se adiabatickou expanzí mění na mechanickou energii turboagregátu

Turbína, sluneční kotel, tepelný akumulátor, chladící věž

Přenos elektrické energie

Rozvod elektrické energie je po celém území státu uskutečňován složitou přenosovou soustavou, v níž je střídavé napětí transformováno na různou

hodnotu. Dálkový přenos (často přesahující i hranice státu) se uskutečňuje při vysokém napětí ( , nebo ).

Vlivem ztrát se přenášený výkon snižuje o hodnotu (neboť práce se mění ve vodiči v Joulovo teplo), kde

je proud ve vodičích

vedení a

jejich odpor. Chceme-li docílit minimálních ztrát, musí být tedy Joulovo teplo také minimální. Toho je možné dosáhnout menším proudem ve

vedení (při daném odporu vedení) a tedy větším napětím. Proto se elektrická energie přenáší vysokým napětím.

Na menší vzdálenosti (blízký přenos) se elektrická energie přenáší menším napětím ( ), které se získává transformací v rozvodnách

napojených na dálkový přenos. Přenosovou soustavu pak ukončují transformační stanice, v nichž se získává trojfázové napětí , které se

rozvádí převážně pomocí kabelů k jednotlivým spotřebitelům.

Hlavním článkem přenosové soustavy jsou elektrárny, v nichž se elektrická energie získává přeměnou z jiných forem energie:

1. uhelné elektrárny (tepelné elektrárny) - alternátory jsou poháněny parními turbínami. Potřebná energie se získává spalováním uhlí, oleje, plynu,

… Spalování probíhá v kotli se soustavou trubek, kterými proudí voda a mění se v páru o vysokém tlaku ( ) a teplotě ( ). U nás se

z nich získává elektrické energie.

2. jaderné elektrárny - jedná se v podstatě o tepelnou elektrárnu, v níž se energie potřebná pro výrobu páry získává přeměnou jaderné energie.

Základem této elektrárny je jaderný reaktor, v němž probíhá proces štěpení jader paliva. Při tom se uvolňuje značná energie, která se přenáší

nejčastěji vodou do výměníku tepla. Ten zajišťuje, že radioaktivní látky z reaktoru neproniknou do páry, která pohání turbínu. Podíl na produkci

energie v ČR je .

3. vodní elektrárny (hydroelektrárny) - jsou založeny na využití energie vodního toku. Alternátor je poháněn vodní turbínou a soustrojí

turboalternátoru má zpravidla svislou osu. Frekvence otáčení je zde menší než u parních turbín. Proto se používají alternátory, jejichž rotor tvoří

elektromagnet s více póly, nebo se mezi turbínu a alternátor zařazuje mechanický převod, který upravuje frekvenci otáčení rotoru alternátoru.

Produkují přibližně elektrické energie.

Největším producentem u nás je elektrárenská společnost ČEZ, a. s., která zajišťuje zhruba elektrické energie v 51 elektrárnách (11 uhelných,

35 vodních, 2 jaderné, 2 větrná a 1 sluneční).

Největší množství škodlivin produkují uhelné elektrárny. Proto se pracuje na řadě projektů odsíření jejich spalin, snížení emisí , CO a prachu.

Další jejich výstavba se neplánuje - nároky na elektrickou energii bude možné krýt provozem jaderných elektráren. Ty představují, při dodržení

bezpečnostních hledisek, zdroj energie, který nenarušuje životní prostředí. Jedná se ale o nákladné a technologicky komplikované stavby vyžadující velké

investice.

Jaderná elektrárna Dukovany byla dokončena v roce 1988 a jejím základem jsou čtyři tlakovodní jaderné reaktory typu VVER 440, z nichž každému

přísluší dva turbogenerátory o elektrickém výkonu . Celkový výkon elektrárny je tedy . Od roku 2002 je největší jadernou elektrárnou

u nás Jaderná elektrárna Temelín, jejímž základem jsou dva výrobní bloky o výkonu .

Vzhledem k technologické náročnosti i negativním dopadům produkce elektrické energie je důležitým společenským požadavkem snižování spotřeby.

Týká se to zejména náhrady zastaralých výrobních postupů postupy novými, které nejsou na elektrickou energii tak náročné. Současně se hledají

i alternativní zdroje elektrické energie. Nejdále je tento výzkum u větrných elektráren, které pracují i u nás s výkonem od do (Mladoňov

u Šumperka, …). Dalším zdrojem jsou tzv. fotovoltaické zdroje založené na přímé přeměně sluneční energie na energii elektrickou.