Jaký je princip přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti?
Když se magnet otáčí uvnitř vodivého rámu (u některých zařízení je rám nehybný a magnet se otáčí), bude se v rámu indukovat střídavý proud (viz obr. a). Konce rámu jsou připevněny k půlkroužkům. V tomto případě, když se rám otočí ve směru hodinových ručiček, bude vždy kladný pól na pravém konci rámu a záporný pól na levém a směr proudu ve vnějším obvodu zůstane nezměněn. Toto je normální provoz generátoru. Pouze u průmyslového generátoru hraje roli rámu stator a roli magnetu hraje rotor s magnetizačním vinutím, v podstatě rotující elektromagnet K výrobě střídavého proudu se používají elektromechanická zařízení – indukční generátory. V nich je výsledná mechanická energie přenášena na rotor, rotor se otáčí, v důsledku toho se mechanická energie otáčení rotoru přeměňuje na elektrickou energii prostřednictvím elektromagnetické indukce. Síla indukovaného proudu vznikajícího v rámu se bude měnit od nuly, když je rovina rámu rovnoběžná s čarami magnetické indukce, do maximální hodnoty, když je rám kolmý k vektoru magnetické indukce, a pak klesá k nule. . Pro snížení zvlnění proudu použijte dva rámy umístěné navzájem kolmo (viz obr.b). V tomto případě je indukční proud výrazně vyrovnán.
Moderní generátory mají velké množství takových rámů, což umožňuje získat stejnosměrný proud. Pokud jsou konce rámu připojeny nikoli k půlkroužkům, ale k kroužkům nebo přímo ke kontaktním deskám a je k nim připojen externí obvod, pak se ve vnějším obvodu bude směr a hodnota proudu periodicky měnit. Definice 1
Když se tedy rám otáčí v magnetickém poli, indukuje se v něm elektrický proud a síla proudu se periodicky mění ve velikosti a směru. Tento proud se nazývá střídavý.
V Rusku je frekvence střídavého proudu v síti 50 Hz. To znamená, že rotor dvoupólového generátoru potřebuje udělat 50 otáček za sekundu. Takže v jaderné elektrárně dělá rotor 3000 otáček za minutu, což přesně udává frekvenci generovaného proudu 50 Hz. Směr generovaného proudu se mění podle sinusového (harmonického) zákona. Vinutí generátoru se skládá ze tří částí, takže střídavý proud je třífázový. To znamená, že v každé části statorového vinutí jsou výsledné EMF posunuty ve fázi vůči sobě navzájem o 120°. Efektivní hodnota napětí generovaného v elektrárně se v závislosti na typu generátoru pohybuje od 6,3 do 36,75 kV.
Pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti se používají vysokonapěťová elektrická vedení (PTL). Pokud je ale elektřina přenášena bez konverze, při stejném napětí, které vychází z generátoru, pak energetické ztráty při přenosu budou kolosální a ke koncovému uživateli se prakticky nic nedostane.
Faktem je, že energetické ztráty v přenosových vodičích jsou úměrné druhé mocnině proudu a jsou přímo úměrné odporu vodičů (viz Joule-Lenzův zákon). To znamená, že pro efektivnější přenos a distribuci elektřiny je třeba nejprve několikrát zvýšit napětí, aby se proud snížil o stejnou hodnotu a v důsledku toho se výrazně snížily transportní ztráty. A pouze zvýšené napětí má smysl přenášet na elektrické vedení. Elektřina z elektrárny je nejprve dodávána do trafostanice. Zde se napětí zvýší na 110–750 kV a teprve poté je přivedeno na vodiče elektrického vedení. Spotřebitel však potřebuje 220 nebo 380 voltů, takže na konci vedení se vysoké napětí opět sníží, opět pomocí trafostanice, na 6–35 kV. Transformátor je instalován na rozvodně v blízkosti našeho domu nebo zabudovaný do domu. Zde napětí opět klesá – z 6–35 kV na 220 (380) voltů, které jsou již distribuovány spotřebitelům. Síť drátů a kabelů se rozptyluje přes vstupní distribuční zařízení do různých místností.
Princip činnosti napěťového transformátoru
Výhody střídavého proudu oproti stejnosměrnému nebyly okamžitě oceněny. Používání střídavého proudu začalo dílem vynikajícího ruského elektrotechnika a vynálezce Pavla Nikolajeviče Jabločkova. V roce 1876 poprvé použil střídavý elektrický proud k napájení prototypu moderní žárovky – svíčky Jabločkov.
Jednou z výhod střídavého elektrického proudu je schopnost měnit jeho napětí a v důsledku toho přenášet elektrickou energii na velmi dlouhé vzdálenosti.
Pro zvýšení nebo snížení napětí se používají transformátory, sestávající z uzavřeného ocelového jádra sestaveného z desek, na kterých jsou umístěny cívky s vinutím drátu. Jedno vinutí se nazývá primární vinutí a je připojeno ke zdroji střídavého napětí. Druhé vinutí je sekundární a je připojeno ke spotřebičům elektřiny.
Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Podívejme se na princip fungování transformátoru, vynecháme některé detaily. Nechť je na primární vinutí přivedeno napětí U1 a proud v něm je I1. V tomto případě vzniká střídavé magnetické pole soustředěné uvnitř jádra. Střídavé magnetické pole, pronikající do závitů sekundárního vinutí, v důsledku elektromagnetické indukce vytváří na svých koncích napětí U2. Pokud je cívka zkratována na žárovku, pak obvodem tohoto vinutí proteče proud, jehož proudová síla je I2 a žárovka se rozsvítí. k – transformační poměr – poměr napětí na sekundárním vinutí transformátoru k napětí na jeho primárním vinutí je roven poměru počtu závitů sekundárního vinutí k počtu závitů primárního vinutí.
Pokud má sekundární vinutí více závitů než primární, pak transformátor zvýší napětí; pokud má sekundární vinutí méně závitů než primární, pak transformátor snižuje napětí. Pokud je sekundární vinutí transformátoru uzavřeno, protéká jím proud. V tomto případě dochází k nepřetržitému přenosu energie z primárního okruhu do sekundárního. A aktuální výkon v primárním okruhu P1=U1*I1 se přibližně rovná aktuálnímu výkonu v sekundárním okruhu P2=U2*I2. Rovnost není přesná, protože část energie se spotřebuje na ohřev vinutí, jádra atd. U moderních výkonných transformátorů jsou takové ztráty 2–3 %, takže můžeme psát: U2/U1 = I1/I2. Několikanásobným zvýšením napětí proud snížíme a naopak. Síla proudu v primárním a sekundárním vinutí transformátoru je nepřímo úměrná počtu závitů v nich.
Vzájemná indukčnost a princip přenosu proudu
Elektromotorická síla (EMF) je skalární fyzikální veličina, která charakterizuje práci vnějších sil působících v kvazistacionárních stejnosměrných nebo střídavých obvodech. V uzavřeném vodivém obvodu se EMF rovná práci těchto sil při pohybu jediného kladného náboje podél celého obvodu. Definice 2
Vzájemná indukce (vzájemná indukce) je jev výskytu indukovaného emf v jednom obvodu při změně síly proudu ve druhém obvodu a naopak. Vzájemná indukce je speciální případ elektromagnetické indukce[1].
Když se proud změní v prvním okruhu, objeví se EMF ve druhém: 2 vzorec 1 Definice
Kde ε2 je elektromotorická síla ve druhém obvodu, Ψ1 je indukční vazba prvního obvodu, Ι1 je intenzita proudu v obvodu 1, L je vzájemná indukčnost obvodů.
Jev vzájemné indukce se využívá ke zvýšení a snížení střídavého napětí v transformátorech.
Přenos a využití elektrické energie
Potřeba přenášet elektřinu na dálku je způsobena skutečností, že elektřinu vyrábějí velké elektrárny s výkonnými jednotkami a spotřebovávají ji elektrické přijímače s relativně malým výkonem rozmístěné na velké ploše. Trend koncentrace výrobních kapacit je vysvětlován tím, že s jejich růstem klesají relativní náklady na výstavbu elektráren a klesají náklady na vyrobenou elektřinu. Umístění výkonných elektráren se provádí s přihlédnutím k řadě faktorů, jako je dostupnost energetických zdrojů, jejich druh, zásoby a přepravní možnosti, přírodní podmínky, schopnost fungovat jako součást jednotného energetického systému atd. Často se takové elektrárny nacházejí výrazně daleko od hlavních center spotřeby elektřiny. Provoz jednotných energetických systémů pokrývajících rozsáhlá území závisí na účinnosti přenosu elektřiny na vzdálenosti.
Elektřinu z míst její výroby je nutné přenášet ke spotřebitelům s minimálními ztrátami. Hlavním důvodem těchto ztrát L je vzájemná indukčnost obvodů, přeměna části elektřiny na vnitřní energii vodičů, jejich ohřev.
Podle Joule-Lenzova zákona se množství tepla Q uvolněné za čas t ve vodiči s odporem R při průchodu proudu I rovná: Ze vzorce vyplývá, že za účelem snížení zahřívání vodičů je nutné snížit proudovou sílu v nich a jejich odpor. Pro snížení odporu drátů zvětšete jejich průměr, nicméně velmi silné dráty visící mezi podpěrami elektrického vedení se mohou vlivem gravitace zlomit, zejména při sněžení. Kromě toho, jak se tloušťka drátů zvyšuje, jejich cena se zvyšuje a jsou vyrobeny z relativně drahého kovu mědi. Proto efektivnější způsob, jak minimalizovat ztráty energie při přenosu elektřiny, je snížit proud ve vodičích. Aby se tedy snížilo zahřívání vodičů při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti, je nutné, aby proud v nich byl co nejmenší. Proudový výkon se rovná součinu proudu a napětí: Pro udržení výkonu přenášeného na velké vzdálenosti je proto nutné zvýšit napětí o stejnou hodnotu, o jakou byl snížen proud ve vodičích. Ze vzorce vyplývá, že při konstantních hodnotách přenášeného proudu a odporu vodičů jsou tepelné ztráty v vodičích nepřímo úměrné druhé mocnině síťového napětí. Pro přenos elektřiny na vzdálenosti několika set kilometrů se proto používají vysokonapěťová elektrická vedení (elektrická vedení), jejichž napětí mezi dráty je desítky a někdy i stovky tisíc voltů. Sousední elektrárny se pomocí elektrického vedení spojují do jediné sítě zvané elektrizační soustava. Jednotný energetický systém Ruska zahrnuje obrovské množství elektráren řízených z jednoho centra a zajišťuje nepřetržitou dodávku elektřiny spotřebitelům.