Zdroje elektrického napätia
Obsah:

Úvod
1.     Charakteristika zdroja

Jadro
2.     Čo je to alternátor
2.1   Princíp funkčnosti
2.2   Použitie a stavba alternátora
2.3   Práca

Záver
3.     Napätia a výroba alternátora

1.     Charakteristika zdroja
Zdroj je zariadenie, ktoré slúži na premenu jednej energie na energiu druhú, elektrickú energiu. Poznáme mnoho typov zdrojov. V rozličných zdrojoch vznikajú rôzne druhy elektrostatických síl. Napríklad:

a) elektrochemický zdroj – vznikajú neelektrostat. sily chemickou reakciou elektród s elektrolytom (akumulátor, galvanický článok)
b) fotoelektrický zdroj – napätie vzniká vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch alebo polovodičoch. Príkladom je fotočlánok.
c) Termoelektrický zdroj – napätie vzniká na vzájomnom spoji dvoch rozličných kovov, zdroj sa nazýva termočlánok
d) Elektrodynamický zdroj – napätie vzniká pohybom vodiča v elektromagnetickom poli. Patria sem dynamo a alternátor
e) Medzi zdroje zaraďujeme aj mechanické zdroje, ako je napríklad van de Graaffov generátor, v ktorom sa náboje oddeľujú trením pásu a prenášajú sa jeho pohybom 

2.     Čo je to alternátor
Alternátor je generátor, ktorý vyrába elektrický prúd. Ako alternátor, aj dynamo, patria do skupiny elektrodynamických zdrojov. V generátoroch sa premieňa energia kinetická na energiu elektrickú. Faradayov objav elektromagnetickej indukcie umožnil skonštruovať zariadenie, v ktorom možno získať elektrickú energiu na energetické účely. Tento spôsob výroby striedavého napätia a prúdu si vysvetlíme na príklade jednoduchého alternátora(obr.1), v ktorom sa otáča vodivá slučka, prípadne cievka v homogénnom magnetickom poli.
Cievka, alebo kotva, tvorí rotor generátora a permanentné magnety alebo elektromagnety, ktoré tvoria homogénne magnetické pole, nazývame stator.

2.1   Princíp funkčnosti
Keď sa vodivá slučka otáca uhlovou rýchlosťou, mení sa magnetický indukčný tok plochou S slučky. Indukčný tok je určený vzťahom .
Podľa Faradayovho zákona; je indukované napätie rovné zmene magnetického indukčného toku delené zmenou času. Zmeny indukčného toku vyvolávajú vznik indukovaného napätia, ktoré nameriame na koncoch cievky. Keďže zmena indukčného napätia je najvačšia v okamihu, keď sa vodiče slučky pohybujú kolmo na indukčné čiary, má v tomto okamihu indukované napätie najvačšiu hodnotu. Naopak v okamihu, keď sa vodiče pohybujú v smere indukčných čiar je zmena magnetického indukčného toku najmenšia a indukované napätie je nulové. Závislosť indukovaného napätia od času zobrazíme sínusoidou a pre jeho
okamžitú hodnotu platí vzťah U=Um.sin ω. t. Keď sa slučka otočí o 180 stupňov, elektróny sa začnú pohybovať opačným smerom, lebo aj zmena je už opačná a keď sa znova dostane do pôvodnej polohy, celý proces sa opakuje stále dokola. Z toho jednoducho vyplýva, že frekvencia sa rovná počtu otáčok za sekundu.
Závislosť indukovaného napätia od času zobrazíme sínusoidou.V otáčavej slučke sa indukuje harmonické napätie s amplitúdou Um. Um zavísi nielen od veľkosti mag.  indukcie B a plochy slučky S, ale aj od uhlovej frekvencie ω(Um=B.S.ω).
2.2   Použitie a stavba alternátora
V energetike sa používa na výrobu elektrickej energie trojfázový alternátor(obr.2). Trojfázové alternátory nachádzame vo väčšine elektrární. V elektrárňach bývajú alternátory zvačša spojené s hriadeľom hnacej turbiny. Celý agregát sa nazýva turboalternátor. Podľa druhu hnacej turbíny môžu byť turboalternátory vodorovné (v tepelných turbínach) alebo zvislé (väčšinou vo vodných turbínach). V atómových elektrárňach para, ktorá je zohriata teplom reaktora, putuje ku lopatkám turboalternátora a roztáča ho. Na tento istý princíp pracuje generátor aj v tepelných elektrárňach. Pri výrobe elektrickej energie sa využíva vnútorná energia pary.

Vo vodných elektrárňach roztáča voda lopatky hydrogenerátora, ktorý poháňa alternátor. Pretože nemôžme zaručiť, že sa alternátor bude točiť rovnomerne, tak bol skonštruovaný asynchrónny alternátor. Pretože frekvencia otáčania alternátora by mohla klesnúť pod 50 Hz(to by zapríčinilo veľké straty na sieti), pri točení mu pomáha mechanický prevod, alebo elektromotor, ktorý vykrýva tieto straty spôsobené nestálou rýchlosťou vody dopadajúcej na lopatky hydrogenerátora. Vo veterných elektrárňach sa alternátor nachádza vo veži veternej turbíny, ktorá je poháňaná energiou vetra. 

Trojfázový alternátor má dve hlavné časti. Stator je zložený z od seba navzájom izolovaných plechov, ktoré sú upevnené v kotve a majú tvar dutého valca, v drážkach sú uložené cievky pospájané tak, aby vzniklo trojfázové vinutie. Cievky sú vyrábané z medeného vodiča vysokej čistoty.

Rotor:
1. rotor s vyjadrenými pólmi - skladá sa z magnetov, uložených v magn. kolese, vinutia magnetov sú na jadrách a tvoria budiace cievky prepojené tak, aby
vznikol striedavo severný a južný pól, cievky su napájane cez dva krúžky.

2. hladky rotor - valec z 1 kusa špeciálnej ocele, do ktorého sú vyfrézované drážky, približne po 2/3 obvodu a vytvárajú dvojpólový rotor, v drážkach je sústredné vinutie z plochých pásikov oddelených izoláciou, drážku uztvára klin, pričom z druhej strany je vetrací kanálik. Budič je dynamo, ktoré tvorí s alternátorom konštrukčný celok. Stator sa skladá z plastu, ktorý je pevne priskrutkovaný na nosnú plošinu generátora, lebo musí odolávat veľkému momentu sily pri točení.
Rotory alternátorov bývajú zvyčajne konštruované na frekvenciu otáčania 3000 otáčok za minútu, takže alternátor je zdrojom troch napäti s frekvenciou 50 Hz.
Osi cievok alternátora zvierajú medzi sebou uhol 120° a preto sú jednotlivé napätia fázovo posunuté o 120°.

2.3   Práca
Pre činnosť alternátora nie je dôležité, či sa otáča cievka v magnetickom poli, alebo naopak rotuje elektromagnet a cievka je v pokoji. Preto sa častejšie používa druhý spôsob, keď sa striedavý prúd z generátora odvádza pevnými svorkami. Odber prúdu je oveľa jednoduchší a vznikajú menšie straty, ako keby sa prúd odoberal z rotora. Keby sa prúd odoberal z rotota, vznikali by tepelné straty, ale aj straty iskrením vo vodivom spojωení rotora so zbernými vodičmi. Najčastejšie vznikajú takéto straty na pohyblivých svorkách,zberných krúžkoch. 

Pri chode synchrónneho alternátora musíme rozoznávať niekoľko dôležitých pojmov:
Chod alternátora pri zatažení: na svorky statora pripojíme spotrebič, cez stator preteká trojfázový prúd, čo vyvolá otáčavé magn. pole, ktorému hovoríme reakcia kotvy. 
Chod nakrátko: 
spojíme všetky svorky statorového vinutia nakrátko, alternátor roztočíme a pomaly nabudzujeme, môžeme odčítať tzv. ustálený prúd nakrátko a skratový prúd - v prvom okamihu je veľmi veľký, postupne sa ustáli na hodnotu prúdu nakrátko

Regulácia napätia:
- svorkové napätie je menšie ako indukované, veľkosť svorkového napätia závisí na zaťažení, napätie sa udržuje budiacim prúdom v rotore, musí byť stále(aby neprišlo k poklesu napätia v sieti), čo sa dosiahne zmenou budenia:
- priamou zmenou - regul. odpor je zaradený priamo do obvodu, vhodné pre malé výkony, pri veľkých výkonoch je regulácia nehospodárna, vznikajú veľké straty
-nepriamou  zmenou - ovládanie svorkového napätia budiča, rotorovým vinutím preteká vačší prúd, na svorkách sa zvýši napätie, používajú sa samočinné regulátory napätia, rýchloregulátory
samostatne pracujúci alternátor - sám napája celú sieť, spúšťa sa pohan. motorom pri vypnutom budení, potom sa regulátorom vybudí menovité napätie, hl. vypínačom sa pripojí na sieť,

záťažové charakteristiky - závislosť svorkového napätia na zaťaženom prúde I1, paralelný chod alternátorov - dvoch alebo viacerých, ktorí dodávajú prúd do jednej siete.  Pre ich dobrú súčinnosť sú určité podmienky spolupráce:  rovnaké menovité napätie, rovnaká frekvencia, rovnaký sled fáz, ďalej musíme sledovať okamih pripojenia na sieť - synchronizovanie alebo sfázovanie 

3.     Napätia a výroba alternátora
Alternátory pre Slovenskú republiku ale aj pre Českú republiku sú vyrábane v závodoch ČKD Škoda Plzeň a ČKD Praha. Napätie z alternátora by sme mohli rozvádzať šiestimi vodičmi. V praxi sa využíva trojfázová sústava striedavých napätí, ktorú tvoria tri fázové vodiče L1, L2, L3 a jeden nulový vodič N, ktorý býva uzemnený. Obvody fázových vodičov nazývame fázy sústavy. Keby sme napríklad v čase t=T/2 sčítali okamžité napätia, zistíme, že U1+U2+U3= OV. Tento poznatok umožňuje spojiť jeden koniec cievok alternátoru do spoločného uzla. Fázové vodiče sú pripojené k druhému koncu cievok a nulovací vodič N je spojený s uzlom. Medzi fázovými vodičmi a nulovacím vodičom je fázové napätie U1, U2, U3. V našej spotrebiteľskej rozvodnej sieti majú fázove napätia efektívnu hodnotu U=230V. Medzi ľubovolnými fázovými vodičmi je združené napätie U12, U13, U23. Ich efektívna hodnota je 230 krát odmocnina z 3 = 397V.

Indukované napätia v jednotlivých cievkach sú fázovo posunuté o 1/3 periódy a platia pre ne rovnice:

 u1 =Um.sin ω.t

 u2 =Um.sin (ω.t - 2/3 π)

 u3 =Um.sin (ω.t - 4/3 π)

 Elektrické spotrebiče pripájame najčastejšie k fázovému a nulovaciemu vodiču. Keď spotrebiče pripojené k jednotlivým fázovým vodičom majú rovnaký odpor R, bude nulovacím vodičom prechádzať prúd IN=I1+I2+I3=(U1+U2+U3)/R = OA, takže nulovací vodič by bolo možné vynechať. Alternátor vyrába napätie 10-15 kV, podľa veľkosti generátora. Ešte v objekte elektrárne sa prúd transformuje na veľmi vysoké napätie. U väčšiny elektrární na 400 kV. Potom sa rozvádza vedením do rozvodnej siete. Z pôvodných dvoch koncepcií – rozvod striedavého prúdu a rozvod jednosmerného prúdu, sa ukázala ako jednoznačne výhodnejšia koncepcia prvá. Striedavý prúd je totiž možné vďaka transformácii rozvádzať pri veľmi vysokom napätí, čo v konečnom dôsledku znamená, že straty spôsobené odporom vodiča výrazne klesnú. Aby to bolo možné, musia tisícky malých transformačných staníc znižovať vysoké napätie na nízke napätie v trojfázovej sústave 3x397/230 V(v minulosti 3x380/220 V), ktoré odoberáme do našich spotrebičov. Fázové napätie je v bežnej domácej zásuvke, združené napätie využívajú spotrebiče s väčším výkonom(elektromotory,čerpadlá, píly), ktoré pripájame ku všetkým fázovým vodičom.