ELEKTRICK╔ STROJE

Mechanickou energii na energii elektrickou p°em∞≥ujφ elektrickΘ generßtory. Generßtory jsou elektrickΘ toΦivΘ stroje, kterΘ pracujφ na zßklad∞ elektromagnetickΘ indukce. Mohou b²t synchronnφ, asynchronnφ nebo stejnosm∞rnΘ. Generßtor, kter² vyrßbφ st°φdav² proud, se naz²vß alternßtor. Generßtor na v²robu stejnosm∞rnΘho proudu se jmenuje dynamo.

Synchronnφ alternßtor

Synchronnφ alternßtor je elektrick² toΦiv² stroj, kter² m∞nφ mechanickou energii v energii elektrickou p°i vyu₧itφ toΦivΘho magnetickΘho pole. Je zdrojem st°φdavΘho proudu. Dnes trojfßzovΘ synchronnφ alternßtory p°edstavujφ hlavnφ zdroje elektrickΘ energie v elektrßrnßch.

Hladk² rotor turboalternßtoru

Zßkladnφmi Φßstmi alternßtoru jsou nepohybliv² stator a na h°φdeli se otßΦejφcφ rotor. Synchronnφ alternßtor mß na statoru trojfßzovΘ vinutφ a na rotoru tzv. budicφ vinutφ. Jestli₧e turbφna nebo jin² pohon otßΦφ rotorem a v jeho budicφm vinutφ prochßzφ stejnosm∞rn² proud, vznikß toΦivΘ magnetickΘ pole, kterΘ v trojfßzovΘm vinutφ statoru vyvolß (indukuje) trojfßzovΘ st°φdavΘ nap∞tφ. DruhΘ toΦivΘ magnetickΘ pole vyvolß st°φdav² proud, kter² zaΦne prochßzet trojfßzov²m vinutφm statoru p°i p°ipojenφ alternßtoru ke spot°ebiΦi. Stroj se naz²vß synchronnφ, proto₧e se ob∞ toΦivß magnetickß pole otßΦejφ se stejn²mi otßΦkami (tj. synchronn∞).
Alternßtory se podle za°φzenφ, kterΘ je pohßnφ, d∞lφ na turboalternßtory, hydroalternßtory a alternßtory pohßn∞nΘ spalovacφmi motory.
Turboalternßtory pracujφ v tepeln²ch elektrßrnßch a pohßn∞jφ je parnφ nebo plynovΘ turbφny. Majφ vodorovn² h°φdel a jsou to rychlob∞₧nΘ stroje s otßΦkami 3 000/min.
Hydroalternßtory najdeme ve vodnφch elektrßrnßch ve spojenφ s vodnφmi turbφnami. Jejich otßΦky se pohybujφ od stovek do tisφc∙ otßΦek za minutu. V²kon hydroalternßtor∙ zßle₧φ na mno₧stvφ vody a v²Üce vodnφho spßdu. V∞tÜinou b²vajφ postaveny se svisl²mi h°φdeli.
Alternßtory pohßn∞nΘ spalovacφmi motory jsou pomalub∞₧nΘ stroje s velk²m pr∙m∞rem a malou dΘlkou rotoru. Rotor pracuje v∞tÜinou i jako setrvaΦnφk, aby vyrovnßval nerovnom∞rnosti zp∙sobenΘ chodem pφstov²ch motor∙.

Konstrukce synchronnφho stroje. 1) stator, 2) rotor, 3) magnetick² obvod statoru, 4) statorovΘ vinutφ, 5) rotorovΘ vinutφ, 6) p≤ly, 7) sb∞racφ krou₧ky, 8) h°φdel.

Konstrukce synchronnφho alternßtoru
Ve statoru alternßtoru, kter² se podobß dutΘmu vßlci, je magnetick² obvod slo₧en² z plech∙. Plechy se izolujφ lakem nebo zvlßÜtnφm druhem papφru. Jsou v nich vytvo°eny chladicφ kanßly, kudy vzduch nebo jin² plyn odvßdφ z magnetickΘho obvodu teplo. Na vnit°nφm obvodu plech∙ jsou drß₧ky s m∞d∞n²mi vodiΦi, kterΘ vytvß°ejφ trojfßzovΘ vinutφ. ZaΦßtky vinutφ jsou p°ipojeny na svorky alternßtoru, odkud se st°φdav² elektrick² proud odebφrß a vede se do rozvodny a dßle ke spot°ebitel∙m. Konce vinutφ jsou spojeny do uzlu. JednotlivΘ vodiΦe jsou izolovßny.
Podle konstrukce rotoru se synchronnφ stroje d∞lφ na stroje s vynikl²mi p≤ly a na stroje s hladk²m rotorem.
Hladk² rotor se pou₧φvß u turboalternßtor∙, proto₧e p°i otßΦkßch 3 000/min dochßzφ ke znaΦn²m odst°ediv²m silßm. Kv∙li velkΘmu magnetickΘmu odporu vzduchu je vzduchovß mezera mezi rotorem a statorem velmi malß (milimetry). Rotor je vyroben z jednoho kusu oceli a mß tvar hladkΘho vßlce s podΘln²mi drß₧kami po obvodu. Ty zaujφmajφ asi dv∞ t°etiny obvodu a jsou soum∞rn∞ rozlo₧eny. Pr∙m∞r rotoru turboalternßtoru je maximßln∞ 1 m. V drß₧kßch je ulo₧eno budicφ vinutφ, kterΘ je napßjeno stejnosm∞rn²m proudem. Rotor turboalternßtoru je obvykle dvoup≤lov².

Stator turboalternßtoru p°i montß₧i.

U hydroalternßtor∙ se pou₧φvß rotor s vynikl²mi p≤ly. Proti rotoru turboalternßtoru mß velk² pr∙m∞r a malou dΘlku, proto₧e hydroalternßtor je pomalub∞₧n² stroj. Na h°φdeli rotoru je p°ipevn∞no magnetovΘ kolo s p°φsluÜn²m poΦtem p≤l∙ (4 a₧ 80), kterΘ se Φasto sklßdajφ z plech∙. Na jßd°e ka₧dΘho p≤lu je umφst∞na cφvka budicφho vinutφ, do nφ₧ se p°ivßdφ stejnosm∞rn² proud. Budicφ cφvky jsou spojeny tak, aby st°φdav∞ vznikaly severnφ a ji₧nφ p≤ly. Konstrukce jeho statoru se liÜφ od turboalternßtoru pouze velk²m pr∙m∞rem a malou dΘlkou.
Budicφ vinutφ jsou p°ipojena ke sb∞racφm krou₧k∙m, kterΘ jsou upevn∞ny na h°φdeli rotoru. Na krou₧ky dosedajφ kartßΦe, jimi₧ se do budicφho vinutφ p°ivßdφ stejnosm∞rn² budicφ proud z budiΦe, jen₧ zde vytvß°φ stejnosm∞rnΘ magnetickΘ pole.
VelkΘ hydroalternßtory mφvajφ na rotoru jeÜt∞ tlumiΦ, kter² p°i nßrazov²ch zatφ₧enφch alternßtor zamezuje tzv. k²vßnφ rotoru. P≤ly tlumiΦe jsou v₧dy z plech∙ a jeho vinutφ se vyrßbφ z m∞d∞n²ch nebo bronzov²ch tyΦφ.
Pro funkci synchronnφho alternßtoru je nezbytn² budiΦ, kter² napßjφ budicφ vinutφ stejnosm∞rn²m proudem, jen₧ vyvolß magnetickΘ pole rotoru. Jako budiΦ se pou₧φvß polovodiΦov² usm∞r≥ovaΦ nebo dynamo, Φasto umφst∞nΘ na h°φdeli alternßtoru.
P°i chodu alternßtoru vznikß teplo. Chlazenφ stroje zlepÜuje spolehlivost, zvyÜuje ₧ivotnost a umo₧≥uje menÜφ rozm∞ry stroje. U menÜφch alternßtor∙ se pou₧φvß chlazenφ vzduchem, u v∞tÜφch kapalinou (v∞tÜinou destilovanou vodou).

Graf t°φfßzovΘho proudu; i - proud, t - Φas

Kdy₧ rotorov²m vinutφm prochßzφ budicφ (stejnosm∞rn²) proud, vznikne v rotoru magnetickΘ pole. Proto₧e se rotor pohßn∞n² turbφnou otßΦφ, magnetickΘ pole rotoru protφnß statorovΘ vinutφ a indukuje v n∞m nap∞tφ. Na svorkßch alternßtoru se objevφ st°φdavΘ trojfßzovΘ nap∞tφ. Statorov²m vinutφm neprochßzφ proud a alternßtor pracuje naprßzdno. P°ipojφme-li k alternßtoru n∞jak² spot°ebiΦ, zaΦne statorov²m vinutφm prochßzet proud a vznikne toΦivΘ magnetickΘ pole. Alternßtor pracuje p°i zatφ₧enφ.
Alternßtor mß vyrßb∞t st°φdavΘ nap∞tφ a proud s frekvencφ 50 Hz. Proto rotor dvoup≤lovΘho stroje ud∞lß ka₧dou sekundu padesßt otßΦek, za minutu mß tedy 50. 60 = 3 000 otßΦek. Jestli₧e mß rotor 4 p≤ly, staΦφ polovina otßΦek.

Proto₧e do spoleΦnΘ elektrickΘ sφt∞ dodßvß elektrickou energii n∞kolik elektrßren souΦasn∞, je t°eba alternßtory t∞chto elektrßren p°ipojit k sφti tak, aby nedochßzelo k potφ₧φm. Musφ se p°ipojit paraleln∞, co₧ znamenß, ₧e alternßtor musφ mφt se sφtφ stejnΘ nap∞tφ, stejnou frekvenci, ob∞ nap∞tφ musejφ b²t "ve fßzi" (v ka₧dΘm okam₧iku musejφ b²t nap∞tφ stejnΘ fßze sφt∞ a alternßtoru shodnß, aby nedochßzelo k proudovΘmu nßrazu p°i p°ipojenφ alternßtoru k sφti) a stejn² sled fßzφ (mal² asynchronnφ trojfßzov² motor se po p°ipojenφ na sφ¥ i k alternßtoru musφ otßΦet ve stejnΘm sm∞ru). V elektrickΘ sφti musφ b²t stßle konstantnφ nap∞tφ. Shodnost nap∞tφ sφt∞ a alternßtoru se zajistφ zm∞nou budicφho proudu alternßtoru. Rovnosti frekvencφ se dosßhne regulacφ p°φvodu mechanickΘ energie k turbφn∞, proto₧e frekvence alternßtoru zßvisφ na jeho otßΦkßch.
Po spln∞nφ vÜech podmφnek lze alternßtor p°ipojit ("p°ifßzovat") k sφti. P°ifßzovßnφ se provßdφ automatick²mi za°φzenφmi, kterß ve vhodnΘ chvφli sama alternßtor k sφti p°ipojφ. P°ifßzovan² alternßtor b∞₧φ naprßzdno. To znamenß, ₧e do sφt∞ nedodßvß ₧ßdn² v²kon, jeho statorov²m vinutφm neprochßzφ proud. Teprve zv∞tÜφme-li mno₧stvφ p°ivßd∞nΘ mechanickΘ energie do turbφny, alternßtor zaΦne dodßvat do sφt∞ po₧adovanou elektrickou energii. P°i zv²Üenφ budicφho proudu alternßtor dodßvß do sφt∞ tzv. jalov² v²kon, kter² zlepÜuje kvalitu a stabilitu sφt∞.

ZvlßÜtnφ synchronnφ alternßtory
Existujφ i zvlßÜtnφ typy synchronnφch alternßtor∙. Nap°φklad pro vyÜÜφ frekvence se pou₧φvß zubov² alternßtor. Slou₧φ Φasto k napßjenφ vysokofrekvenΦnφch pecφ. Budicφ cφvka je ulo₧ena ve statoru. Rotor nemß ₧ßdnΘ vinutφ a na jeho obvodu jsou zuby. P°i otßΦenφ rotoru vznikß nap∞tφ s frekvencφ ·m∞rnou poΦtu zub∙ a otßΦkßm.
MalΘ alternßtory pro jφzdnφ kola nebo maΦkacφ ruΦnφ svφtilny majφ na statoru magnetick² materißl trvale zmagnetovan² tak, aby vytvß°el jednotlivΘ p≤ly. V rotoru je navinuta jen jedna cφvka. DrobnΘ alternßtory s trval²mi magnety nepot°ebujφ budiΦ. Pro v∞tÜφ alternßtory se trvalΘ magnety nehodφ kv∙li obtφ₧nΘmu °φzenφ svorkovΘho nap∞tφ a magnetickΘho pole.

Asynchronnφ alternßtor

Pro v²robu elektrickΘ energie se dnes asynchronnφ alternßtory pou₧φvajφ pouze v²jimeΦn∞ v mal²ch automatizovan²ch vodnφch elektrßrnßch.

Vinutφ rotoru asynchronnφho stroje nakrßtko (n∞kdy se naz²vß klecovΘ vinutφ)

Stator asynchronnφho generßtoru je slo₧en z plech∙ s drß₧kami, ve kter²ch je trojfßzovΘ vinutφ. Podle rotoru se asynchronnφ stroje d∞lφ na stroje nakrßtko a krou₧kovΘ. Rotor asynchronnφho stroje nakrßtko je slo₧en² z plech∙ a v drß₧kßch mß klecovΘ vinutφ, spojenΘ prßv∞ nakrßtko. Rotor krou₧kovΘho stroje (nepou₧φvajφ se u alternßtor∙) se od rotoru stroje nakrßtko liÜφ trojfßzov²m vinutφm zapojen²m do hv∞zdy a sb∞racφm ·strojφm (krou₧ky a uhlφkovΘ kartßΦe).
Jestli₧e turbφna zv²Üφ rychlost otßΦenφ rotoru asynchronnφho stroje nad synchronnφ otßΦky, rotor p°edbφhß toΦivΘ magnetickΘ pole a alternßtor dodßvß elektrickou energii do sφt∞. Mno₧stvφ dodßvanΘ energie tak zßvisφ na pr∙toku vody (v²konu turbφny).
Nap°φklad u v²tah∙ pracujφ asynchronnφ motory, kterΘ se p°i jφzd∞ dol∙, p°i br₧d∞nφ, mohou stßt asynchronnφmi generßtory a vracet energii zp∞t do sφt∞.
V²hodou asynchronnφho generßtoru je jednoduchß konstrukce u stroje nakrßtko, spolehlivost p°i provozu a stßlΘ otßΦky (proto turbφna nepot°ebuje regulßtor otßΦek).

Prvnφ vyrßb∞nß dynama byla vskutku impozantnφch rozm∞r∙.

Dynamo

Stejnosm∞rnΘ stroje jsou nejstarÜφm druhem elektrick²ch stroj∙ .
V roce 1831 britsk² fyzik Michael Faraday (1791 - 1867) p°edvedl na p°ednßÜce v KrßlovskΘ spoleΦnosti v Lond²n∞ v∙bec prvnφ princip dynama v historii. O p∙l stoletφ pozd∞ji v roce 1881 ohromil elektrotechnick² sv∞t na v²stav∞ v Pa°φ₧i americk² vynßlezce Thomas Alva Edison (1847 - 1931) sv²m dynamem, kterΘ nazval "Jumbo". Edisonovo dynamo dodßvalo proud pro 2 000 ₧ßrovek a ve svΘ dob∞ bylo nejv∞tÜφ na sv∞t∞. I s parnφm strojem, kter² dynamo pohßn∞l, vß₧ilo 27 t. Za nßsledujφcφch padesßt let hmotnost dynam o odpovφdajφcφm v²konu klesla na 5 t.
Velkou v²hodou stejnosm∞rn²ch stroj∙ je snadnΘ °φzenφ otßΦek. Dynamo je nßzev pro stejnosm∞rn² generßtor. I zde se m∞nφ mechanickß energie na elektrickou. Mechanickou energii dodßvß vodnφ Φi parnφ turbφna v elektrßrn∞ nebo spalovacφ motor, ale i lidskß sφla t°eba u dynama na jφzdnφm kole. Ka₧d² stejnosm∞rn² stroj m∙₧e pracovat jako dynamo nebo jako motor. Proto se dynama pou₧φvajφ v pr∙myslov²ch pohonech a v elektrickΘ trakci (v doprav∞). Dynama najdeme nap°φklad u dieselelektrick²ch lokomotiv, kde napßjejφ hnacφ stejnosm∞rnΘ motory. Stßle mΘn∞ se pou₧φvajφ u automobil∙ jako zdroje stejnosm∞rnΘho proudu a jejich vyu₧itφ jako budiΦ∙ takΘ klesß.

Princip Φinnosti a konstrukce dynama
╚innost dynama je rovn∞₧ zalo₧ena na elektromagnetickΘ indukci. Budicφ proud ve statorovΘm vinutφ vyvolß ve statoru magnetick² tok. Ve vinutφ rotoru se p°i jeho otßΦenφ v magnetickΘm poli indukuje st°φdavΘ nap∞tφ, kterΘ se komutßtorem, upevn∞n²m na h°φdeli rotoru, m∞nφ na nap∞tφ stejnosm∞rnΘ. Z komutßtoru se stejnosm∞rnΘ nap∞tφ odvßdφ kartßΦi na svorkovnici stroje, odkud se odebφrß pot°ebn² elektrick² proud.

Generßtor st°φdavΘho proudu.

Stator dynama b²vß vyroben z magneticky m∞kkΘ oceli nebo je slo₧en z elektrotechnick²ch plech∙. Ke statoru se upev≥ujφ hlavnφ a pomocnΘ p≤ly a v∞tÜinou i sb∞racφ ·strojφ. Modernφ stroje majφ hlavnφ i pomocnΘ p≤ly slo₧eny z plech∙. Na jßdrech hlavnφch p≤l∙ jsou nasazeny cφvky budicφho vinutφ, kterΘ jsou napßjeny stejnosm∞rn²m proudem. Polarity hlavnφch p≤l∙ se po obvodu statoru st°φdajφ, tak₧e za severnφm p≤lem nßsleduje v₧dy p≤l ji₧nφ, pak severnφ, ji₧nφ atd.
Rotor se kv∙li zmenÜenφ ztrßt vyrßbφ z elektrotechnick²ch izolovan²ch plech∙ tlouÜ¥ky 0,5 mm. Mß tvar vßlce a na svΘm h°φdeli mß umφst∞n komutßtor. V²vody cφvek rotorovΘho vinutφ, kterΘ je ulo₧eno v drß₧kßch rotoru, jsou p°ipßjeny k lamelßm komutßtoru.
Komutßtor je za°φzenφ, kterΘ slou₧φ k p°epojenφ vodiΦe z jednoho kartßΦe na jin² a mß funkci usm∞r≥ovaΦe, proto₧e st°φdavΘ nap∞tφ indukovanΘ v rotorovΘm vinutφ m∞nφ na stejnosm∞rnΘ nap∞tφ. Sklßdß se z n∞kolika vzßjemn∞ izolovan²ch m∞d∞n²ch lamel. Ke ka₧dΘ lamele vedou vodiΦe dvou r∙zn²ch cφvek. CelΘ vinutφ rotoru je p°es komutßtor propojeno. ╚φm vφce lamel komutßtor mß, tφm je v²stupnφ stejnosm∞rnΘ nap∞tφ stabiln∞jÜφ (tφm je mΘn∞ zvln∞nΘ).
Sb∞racφ ·strojφ p°evßdφ proud mezi vn∞jÜφm obvodem a vinutφm rotoru. UhlφkovΘ kartßΦe dosedajφ na lamely komutßtoru. Jsou upevn∞ny v dr₧ßcφch, kterΘ umo₧≥ujφ nastavenφ sprßvnΘ polohy. KartßΦ∙ je tolik, kolik mß dynamo hlavnφch p≤l∙.

╚innost komutßtoru dynama

Komutace
V magnetickΘm poli se otßΦφ zßvit a v n∞m se indukuje nap∞tφ. P°ipojφme-li zßvit ke dv∞ma polovinßm krou₧ku (lamelßm), u kter²ch jsou p°ipojeny kartßΦe, zφskßme stejnosm∞rn² proud. KartßΦe se nepohybujφ a zßporn² kartßΦ je stßle spojen s vodiΦem, kter² prochßzφ pod severnφm p≤lem. Kladn² kartßΦ je neustßle p°ipojen k vodiΦi prochßzejφcφmu pod ji₧nφm p≤lem. Nßsledkem toho tedy od kartßΦ∙ prochßzφ proud stßle stejn²m sm∞rem. Zφskßvßme stejnosm∞rn² proud. P°i komutaci dochßzφ v cφvce ke zm∞n∞ sm∞ru proudu (nßsledek otßΦenφ rotoru). Pro zlepÜenφ komutace se mezi hlavnφ p≤ly jeÜt∞ umis¥ujφ ·zkΘ pomocnΘ p≤ly s komutaΦnφm vinutφm.

Dynamo z poΦßtku stoletφ. Sv²mi parametry (stejnosm∞rn² proud asi 10A o nap∞tφ 50V) bylo urΦeno pro vyu₧itφ v domßcnosti.

Druhy dynam
Prvnφ dynama kolem roku 1850 pou₧φvala trvalΘ magnety ve tvaru podkovy. Modernφ dynama majφ elektromagnety. Podle druhu a zapojenφ budicφho vinutφ se rozliÜujφ dynama s cizφm buzenφm a s vlastnφm (paralelnφm, sΘriov²m a smφÜen²m) buzenφm. Vlastnφ buzenφ dynam, kdy je proud do vinutφ statoru p°ivßd∞n z vlastnφch svorek stroje, umo₧≥uje zbytkov² (remanentnφ) magnetismus, jen₧ vyvolß malΘ indukovanΘ nap∞tφ pot°ebnΘ ke vzniku proudu.
Budicφ vinutφ hlavnφch p≤l∙ dynama s cizφm buzenφm se napßjφ z cizφho zdroje (baterie, jinΘ dynamo, usm∞r≥ovaΦ). Dynamo s cizφm buzenφm je zdroj, kter² umo₧≥uje °φdit nap∞tφ v ÜirokΘm rozsahu, v²hodou je i mal² pokles nap∞tφ p°i zatφ₧enφ. Nev²hodou je, ₧e pot°ebuje pomocn² zdroj nap∞tφ. Pou₧φvß se nap°φklad v °φdicφch obvodech, k napßjenφ velk²ch motor∙ u t∞₧nφch nebo vßlcovacφch za°φzenφ.
Dynamo s paralelnφm buzenφm mß budicφ vinutφ p°ipojenΘ paraleln∞ k rotorovΘmu vinutφ. Nepot°ebuje cizφ zdroj nap∞tφ, snadno se °φdφ jeho nap∞tφ a je odolnΘ proti zkratu. Proto se tato dynama pou₧φvajφ nejΦast∞ji.
Budicφ vinutφ dynama se sΘriov²m buzenφm mß vÜechna vinutφ spojena do sΘrie. Jako vlastnφ zdroj se nepou₧φvß, ale vyskytuje se v elektrickΘ trakci (nap°. tramvaje), kde p°i brzd∞nφ stejnosm∞rnΘ motory pracujφ jako dynama se sΘriov²m buzenφm a p°i jφzd∞ ze svahu m∞nφ zφskanou energii na energii elektrickou, kterß se vracφ do sφt∞.
U dynama se smφÜen²m buzenφm se kombinuje sΘriovΘ buzenφ s paralelnφm nebo cizφm buzenφm. Pou₧φvß se jako samostatn² zdroj stejnosm∞rnΘho nap∞tφ, jako sva°ovacφ dynamo u svß°eΦek pro obloukovΘ sva°ovßnφ, nebo pro specißlnφ ·Φely.
ZvlßÜtnφm druhem dynama je tachodynamo, kterΘ slou₧φ k m∞°enφ otßΦek. Je to malΘ dynamo s permanentnφmi (stßl²mi) magnety a °idΦeji s cizφm buzenφm. H°φdel tachodynama se spojφ s otßΦejφcφ se souΦßstφ a jeho rotor se otßΦφ v magnetickΘm poli permanentnφch magnet∙.V rotoru se indukuje nap∞tφ ·m∞rnΘ otßΦkßm, kterΘ m∞°φ p°ipojen² voltmetr kalibrovan² (nastaven²) na m∞°enφ otßΦek.