ELEKTRICKÉ STROJE           zpět na : Elektrárny

Mechanickou energii na energii elektrickou přeměňují generátory, elektrické točivé stroje, pracují na základě elektromagnetické indukce. Mohou být synchronní, asynchronní nebo stejnosměrné.
Generátor, který vyrábí střídavý proud, se nazývá alternátor.
Generátor na výrobu stejnosměrného proudu jest dynamo.

Synchronní alternátor

Synchronní alternátor je elektrický točivý stroj, který při využití točivého magnetického pole je zdrojem třífázového střídavého proudu. Třífázové synchronní alternátory představují hlavní zdroje elektrické energie.


Hladký rotor turboalternátoru

Základními částmi alternátoru jsou nepohyblivý stator a na hřídeli se otáčející rotor. Synchronní alternátor
má na statoru třífázové vinutí a na rotoru tzv. budicí vinutí. Turbína nebo jiný pohon otáčí rotorem a v jeho budicím vinutí prochází stejnosměrný proud, vzniká točivé magnetické pole, které v trojfázovém vinutí statoru vyvolá (indukuje) trojfázové střídavé napětí. Druhé točivé magnetické pole vyvolá střídavý proud, který začne procházet trojfázovým vinutím statoru při připojení alternátoru ke spotřebiči. Stroj se nazývá synchronní, protože se obě točivá magnetická pole otáčejí se stejnými otáčkami (tj. synchronně).
Alternátory se podle zařízení, které je pohání, dělí na turboalternátory, hydroalternátory a alternátory poháněné spalovacími motory.
Turboalternátory pracují v tepelných elektrárnách a pohánějí je parní nebo plynové turbíny.
Mají vodorovný hřídel a jsou to rychloběžné stroje s 1 500 - 3 000 ot./min.
Hydroalternátory najdeme ve vodních elektrárnách ve spojení s vodními turbínami. Jejich otáčky se pohybují od 100 do 1500 ot./min. Většinou jsou pomaluběžné a bývají postaveny se svislými hřídeli.
Alternátory poháněné spalovacími motory jsou pomaluběžné stroje s velkým průměrem a malou délkou rotoru. Rotor pracuje většinou i jako setrvačník, pro zlepšení chodu pístových motorů.

Konstrukce synchronního stroje. 1) stator, 2) rotor, 3) magnetický obvod statoru, 4) statorové vinutí, 5) rotorové vinutí, 6) póly, 7) sběrací kroužky, 8) hřídel.
Konstrukce synchronního alternátoru
Ve statoru alternátoru, který se podobá dutému válci, je magnetický obvod složený z plechů, izolovaných lakem nebo papírem. Jsou v nich vytvořeny chladicí kanály, kudy vzduch nebo voda odvádí ztrátové teplo. Na vnitřním obvodu plechů jsou drážky s měděnými vodiči, které vytvářejí trojfázové vinutí. Začátky vinutí jsou připojeny na svorky alternátoru, odkud se střídavý elektrický proud odebírá a vede do rozvodny a dále ke spotřebitelům. Konce vinutí jsou spojeny do uzlu. Podle konstrukce rotoru se synchronní stroje dělí na stroje s vyniklými póly a na stroje s hladkým rotorem. Hladký rotor se používá u turboalternátorů, protože při otáčkách 3000/min dochází ke značným odstředivým silám. Kvůli velkému magnetickému odporu vzduchu je vzduchová mezera mezi rotorem a statorem velmi malá (milimetry). Rotor je vyroben z jednoho kusu oceli a má tvar hladkého válce s podélnými drážkami po obvodu. Ty zaujímají asi dvě třetiny obvodu a jsou souměrně rozloženy. Průměr rotoru turboalternátoru je maximálně 1 m. V drážkách je uloženo budicí vinutí, které je napájeno stejnosměrným proudem. Vinutí rotoru a statoru je izolováno opředením (bavlnou, textilní páskou, papírem) a celý rotor i stator je napuštěn (impregnován) izolačním lakem (tzv. šelak). Rotor turboalternátoru je obvykle dvoupólový.

Stator turboalternátoru při montáži.

U hydroalternátoru se používá rotor s vyniklými póly. Má velký průměr a malou délku, protože hydroalternátor většinou je pomaluběžný stroj. Na hřídeli rotoru je magnetové kolo s příslušným počtem pólů (4 až 80). Na jádře každého pólu je umístěna cívka budicího vinutí, do níž se přivádí stejnosměrný proud. Budicí cívky jsou spojeny tak, aby střídavě vznikaly severní a jižní póly. Konstrukce jeho statoru se liší od turboalternátoru velkým průměrem a malou délkou. Budicí vinutí jsou připojena ke sběracím kroužkům, které jsou upevněny na hřídeli rotoru. Na kroužky dosedají kartáče, jimiž se do budicího vinutí přivádí stejnosměrný budicí proud z budiče, jenž zde vytváří stejnosměrné magnetické pole. Velké hydroalternátory mívají na rotoru ještě tlumič, který při nárazových zatíženích zamezuje tzv. kývání rotoru. Póly tlumiče jsou vždy z plechů a jeho vinutí se vyrábí z měděných nebo bronzových tyčí. Pro funkci synchronního alternátoru je nezbytný budič, který napájí budicí vinutí stejnosměrným proudem, jenž vyvolá magnetické pole rotoru.
Jako budič se používá usměrňovač nebo dynamo, umístěné na společné hřídeli s alternátorem. Chlazení je vzduchem, nebo kapalinou (většinou destilovanou vodou).

Graf  3-fáz. proudu; i - proud, t - čas
Když rotorovým vinutím prochází budicí (stejnosměrný) proud, vznikne v rotoru magnetické pole. Protože se rotor otáčí, magnetické pole rotoru protíná statorové vinutí a indukuje v něm napětí. Na svorkách alternátoru se objeví střídavé trojfázové napětí. Připojíme-li k alternátoru nějaký spotřebič, začne statorovým vinutím procházet proud a vznikne točivé magnetické pole. Alternátor má vyrábět střídavé napětí a proud s frekvencí 50 Hz. Proto rotor dvoupólového stroje udělá každou sekundu padesát otáček, za minutu má tedy 50 . 60 = 3 000 otáček.
Jestliže má rotor 4 póly, stačí 1 500 ot./min.

Protože do společné sítě dodává elektrickou energii mnoho alternátorů současně, musí se připojit k síti tak, aby nedocházelo k potížím. Musí se připojit paralelně, což znamená, že alternátor musí mít se sítí stejné napětí, stejnou frekvenci, obě napětí musejí být "ve fázi" , v každém okamžiku musejí být napětí stejné fáze sítě a alternátoru shodná a stejný sled fází (malý asynchronní trojfázový motor se po připojení na síť i k alternátoru musí otáčet ve stejném směru). V elektrické síti musí být stále konstantní napětí. Shodnost napětí sítě a alternátoru se zajistí změnou budicího proudu alternátoru. Rovnosti frekvencí se dosáhne regulací otáček. Po splnění všech podmínek lze alternátor připojit (přifázovat) k síti. Používají se dva způsoby: přesné fázování (přesná synchronizace) anebo asynchronní fázování (samosynchronizace). Při přesném fázování musí dávat alternátor stejně velké napětí, jako je napětí v síti, nesmí být mezi oběma fázový posun a kmitočet a sled fází napětí alternátoru musí odpovídat napětí sítě. Při samosynchronizaci se nenabuzený alternátor roztočí na otáčky blízké synchronním, zapne se na síť a přibudí se. Altemátor se tím sám vtáhne do synchronismu. Přifázování se provádí většinou automatickými zařízeními, která ve vhodné chvíli alternátor k síti připojí.

Zvláštní synchronní alternátory
Existují i zvláštní typy synchronních alternátorů. Například pro vyšší frekvence se používá zubový alternátor. Slouží často k napájení vysokofrekvenčních pecí. Budicí cívka je uložena ve statoru. Rotor nemá žádné vinutí a na jeho obvodu jsou zuby. Při otáčení rotoru vzniká napětí s frekvencí úměrnou počtu zubů a otáčkám.
Malé alternátory pro jízdní kola nebo mačkací ruční svítilny mají na statoru trvalý magnet tak, aby vytvářel jednotlivé póly. V rotoru je navinuta jedna cívka. Drobné alternátory s trvalými magnety nepotřebují budič. Pro větší alternátory se trvalé magnety nehodí kvůli obtížnému řízení napětí a magnetického pole.

Asynchronní alternátor
Asynchronní alternátory se používají většinou v malých vodních elektrárnách.
Stator asynchronního generátoru je složen z plechů s drážkami, ve kterých je trojfázové vinutí. Rotor asynchronního stroje nakrátko je složený z plechů a v drážkách má klecové vinutí, spojené nakrátko. Konstrukcí je shodný s 3-fázovým asynchronním motorem. Jestliže turbína zvýší rychlost otáčení rotoru

Rotor asynchronního stroje.
( klecové vinutí nakrátko )
nad synchronní otáčky, rotor předbíhá točivé magnetické pole a alternátor dodává elektrickou energii do sítě. Množství dodávané energie tak závisí na průtoku vody (výkonu turbíny). Například u výtahů pracují asynchronní motory, které se při jízdě dolů, mohou stát asynchronními generátory a vracet energii zpět do sítě. Výhodou asynchronního generátoru je jednoduchá konstrukce, spolehlivost při provozu a stálé otáčky (turbína nepotřebuje regulátor otáček).
Podle rotoru se asynchronní stroje dělí na stroje nakrátko a kroužkové. Rotor kroužkového stroje (nepoužívají se u alternátorů) se od rotoru stroje nakrátko liší trojfázovým vinutím zapojeným do hvězdy a sběracím ústrojím (kroužky a uhlíkové kartáče).

Třífázový proud. - fázové a sdružené napětí - princip vzniku - zapojení a použití.

Fázové a sdružené napětí se vyrábí v třífázovém alternátoru - generátoru.
a) malé alternátory - automobily - palubní napětí 12V nebo 24V ; mobilní elektrocentrály.
b) největší alternátory - velké elektrárny, výkony 1 - 1000 MW.
Konstrukce. - stator - tři cívky pootočené o 120°, nebo jejich násobek.
V cívkách se indukují tři samostatné střídavé proudy po sobě s pravidelným fázovým posunem 120°.
Zapojení třífázového proudu.
Obvykle jsou dva druhy:
    a) do hvězdy - domácnost + průmysl
    b) do trojúhelníku - průmysl, velké výkony,
          silné elektromotory a pece (1000 kW)

Všechny standardní 3 faz. motory mají vyvedenu svorkovnici tak, že je lze zapojit do :, tak také do D .


V naší síti 3 x 230/400V 50 Hz se magnetické pole podle zde uvedených schemat otáčí rychlostí 50 ot./s tj. 3000 ot./min. Nezatížený motor bude teoreticky mít 3000 ot./min., protože ale dochází k tzv. skluzu mezi otáčením mag. pole a rotorem (kotvou), vždy se takovýto motor na prázdno točí pomaleji ~ 2980 ot./min. Jedná se o motor asynchronní . V praxi je na štítku motoru uvedeno např: 2880 ot./min / 2,2 kW, což jsou otáčky při plném zatížení.
Motory které mají více cívek (pólových nástavců) pro každou fázi, se točí pomaleji, základní otáčky 3000 /min. lze dělit celým číslem. Otáčky mohou být: 3000 , 1500 , 1000 , 750 , 600 , 500 1/min.
pomalejší motory se používají zřídka. Skutečné otáčky motoru jsou vždy o 2 - 5 % menší.

Zapojení do hvězdy. - takto jsou zapojeny 3-faz. alternátory, transformátory a rozvod NN,
nulovým vodičem protékají vyrovnávací proudy při nerovnoměrném zatížení jednotlivých fází.


U motoru se nulový vodič nezapojuje do středu cívek, ale pouze na kostru, jako ochrana.
(při rovnoměrném zatížení jednotlivých fází je v bodě spojení cívek (zátěží) nulový potenciál)

Šipky naznačují směr otáčení el.mag. pole (motoru), pro změnu směru otáčení stačí
přehodit přívody 2 fází, např. R - T na T - R (fáze bývají označeny R S T nebo X Y Z ).

Zapojení do trojúhelníku. - motory na plný výkon.

Velké motory je nutné spouštět nejdříve "do hvězdy" pro omezení náběhové špičky.

Třífázové zapojení umožňuje:
  kvalitní svařování, použití u nejsilnějších elektromotorů, použití u výkonných pecí

  Alternátor má, ve srovnání s dynamem, větší účinnost i při malých otáčkách.


  První dynama byla vskutku
  impozantních rozměrů.
 
Dynamo
Stejnosměrné stroje jsou nejstarším druhem elektrických strojů .
V roce 1831 britský fyzik Michael Faraday (1791-1867) předvedl na přednášce Královské společnosti v Londýně první princip dynama v historii. O půl století později roku 1881 ohromil elektrotechnický svět na výstavě v Paříži americký vynálezce Thomas Alva Edison (1847-1931) svým dynamem, které nazval "Jumbo". Edisonovo dynamo dodávalo proud pro 2 000 žárovek a ve své době bylo největší na světě. I s parním strojem, který dynamo poháněl, vážilo 27 t. Za dalších 50 let hmotnost dynam o odpovídajícím výkonu klesla na 5 t. Dynamo je název pro stejnosměrný generátor. Každý stejnosměrný stroj může pracovat jako dynamo nebo jako motor. Proto se dynama používají v průmyslových pohonech a v dopravě, například u dieselelektrických lokomotiv, kde napájejí trakční motory. Už se nepoužívají u automobilů pro dobíjení akumulátoru a jejich využití jako budičů také klesá.

Princip činnosti a konstrukce dynama
Činnost dynama je rovněž založena na elektromagnetické indukci. Budicí proud ve statorovém vinutí vyvolá ve statoru magnetický tok. Ve vinutí rotoru se při jeho otáčení v magnetickém poli indukuje střídavé napětí, které se komutátorem, upevněným na hřídeli rotoru, mění na napětí stejnosměrné. Z komutátoru se stejnosměrné napětí odvádí kartáči na svorkovnici stroje, odkud se odebírá potřebný elektrický proud.

Generátor střídavého proudu.
Stator dynama bývá složen z elektrotechnických plechů. Ke statoru se upevňují hlavní a pomocné póly a většinou i sběrací ústrojí. Moderní stroje mají hlavní i pomocné póly složeny z plechů. Na jádrech hlavních pólů jsou nasazeny cívky budicího vinutí, které jsou napájeny stejnosměrným proudem. Polarity hlavních pólů se po obvodu statoru střídají, takže za severním pólem následuje vždy pól jižní, pak severní, jižní atd.
Rotor se vyrábí z elektrotechnických izolovaných plechů tloušťky 0,5 mm. Má tvar drážkovaného válce a na svém hřídeli má umístěn komutátor. Vývody cívek rotorového vinutí, které je uloženo v drážkách rotoru, jsou připájeny k lamelám komutátoru. Komutátor je zařízení, které slouží k přepojení vodiče z jednoho kartáče na jiný a má funkci usměrňovače, protože střídavé napětí indukované v rotorovém vinutí mění na stejnosměrné napětí. Skládá se z několika vzájemně izolovaných měděných lamel. Ke každé lamele vedou vodiče dvou různých cívek. Celé vinutí rotoru je přes komutátor propojeno. Čím více lamel komutátor má, tím je výstupní stejnosměrné napětí stabilnější (tím je méně zvlněné). Sběrací ústrojí převádí proud mezi vnějším obvodem a vinutím rotoru. Uhlíkové kartáče dosedají na lamely komutátoru. Jsou upevněny v držácích, které umožňují nastavení správné polohy. Kartáčů je tolik, kolik má dynamo hlavních pólů.



Princip činnosti komutátoru dynama
 


Dynamo z počátku století. Svými parametry (stejnosměrný proud asi 10A o napětí 50V) bylo určeno pro využití v domácnosti.
Druhy dynam
První dynama kolem roku 1850 používala trvalé magnety ve tvaru podkovy. Moderní dynama mají elektromagnety. Podle druhu a zapojení budicího vinutí se rozlišují dynama s cizím buzením a s vlastním (paralelním, sériovým a smíšeným) buzením. Vlastní buzení dynam, kdy je proud do vinutí statoru přiváděn z vlastních svorek stroje, umožňuje zbytkový (remanentní) magnetismus, jenž vyvolá malé indukované napětí potřebné ke vzniku proudu.
Budicí vinutí hlavních pólů dynama s cizím buzením se napájí z cizího zdroje (baterie, jiné dynamo, usměrňovač). Dynamo s cizím buzením je zdroj, který umožňuje řídit napětí v širokém rozsahu, výhodou je i malý pokles napětí při zatížení. Potřebuje pomocný zdroj napětí. Používá se například v řídicích obvodech, k napájení velkých motorů u těžních nebo válcovacích zařízení.
Dynamo s paralelním buzením má budicí vinutí připojené paralelně k rotorovému vinutí. Nepotřebuje cizí zdroj napětí, snadno se řídí jeho napětí a je odolné proti zkratu. Proto se tato dynama používají nejčastěji.
Budicí vinutí dynama se sériovým buzením má všechna vinutí spojena do série. Jako vlastní zdroj se nepoužívá, ale vyskytuje se v elektrické trakci (např. tramvaje), kde při brzdění stejnosměrné motory pracují jako dynama se sériovým buzením a při jízdě ze svahu může energii vracet zpět do sítě (troleje). U dynama se smíšeným buzením se kombinuje sériové buzení s paralelním nebo cizím buzením. Používá se jako samostatný zdroj stejnosměrného napětí, jako svařovací dynamo pro obloukové svařování, nebo pro speciální účely.
Zvláštním druhem dynama je tachodynamo, které slouží k měření otáček. Je to malé dynamo ke kterému je připojený voltmetr kalibrovaný (nastavený) na měření otáček.

^ top ^    


2004 Jzed & energyweb