Warto przeczytać

Generator napięcia przemiennego jest właściwie prądnicą, więc przypomnijmy pokrótce, jak działa to urządzenie.

Opiszemy tutaj prądnicę szkolną, gdzie wykorzystuje się ruch obrotowy ramki umieszczonej w polu magnetycznym tak, że oś ramki jest prostopadła do linii pola magnetycznego. Wtedy podczas obrotu ramki zmienia się liczba linii pola magnetycznego przechodzących przez powierzchnię ramki. To warunek wytwarzania prądu indukcyjnegoPrąd indukcyjnyprądu indukcyjnego. Rys. 1. zamieszczony poniżej przedstawia model prądnicy.

R19nslXoMgLuu

Rys. 1. Rysunek przedstawia dwa magnesy ustawione jeden nad drugim. Górny magnes ma biegun oznaczony wielką literą N i cyfrą 2. Dolny magnes ma biegun oznaczony wielką literą S. Między biegunami magnesów znajduje się metalowa, prostokątna ramka, która może obracać się wokół poziomej osi przechodzącej przez środek ramki. Ramka oznaczona jest cyfrą 1. Pośrodku lewego boku ramki jest przerwa. Od brzegów przerwy wychodzą dwa poziome pręty. Każdy z prętów połączony jest z własnym metalowym pierścieniem. Oba pierścienie, oznaczone cyfrą 4, mają środki leżące na osi obrotu ramki i mogą obracać się razem z ramką. Do pierścieni od góry dotykają metalowe blaszki, które podczas obrotów ślizgają się po pierścieniach. Do blaszek, zwanych szczotkami, dołączone są przewody, zamykające zewnętrzny obwód elektryczny, w którym znajduje się opornik o oporze oznaczonym wielką literą R.

Napięcie uzyskiwane podczas obrotu ramki za sprawą zjawiska indukcji elektromagnetycznejZjawisko indukcji elektromagnetycznejzjawiska indukcji elektromagnetycznej ma charakter okresowy. Tak jak charakter okresowy ma ułożenie ramki w stosunku do linii pola magnetycznego. Okazuje się, że to napięcie zmienia się sinusoidalnie w czasie:

gdzie $\omega$ jest prędkością kątową obracającej się ramki.

Wykres zależności $U\left(t\right)$ przedstawiony jest poniżej.

RTRKKZVObbLEk

Rys. 2. Rysunek przedstawia układ współrzędnych. Na osi poziomej jest czas oznaczony małą literą t. Na osi pionowej jest napięcie oznaczone wielką literą U. Wykres ma kształt sinusoidy, która zaczyna się w punkcie o współrzędnych 0‑0 (punkt przecięcia osi).

Wartość maksymalna napięcia $U_{max}$ wyrażona jest następująco:

gdzie $n$ jest liczbą ramek w uzwojeniu, $B$ – wartością indukcji magnetycznej w prądnicy, $S$ – wartością pola powierzchni ramki. Tak więc, jak widzimy, większą liczbę ramek w uzwojeniu stosujemy po to, żeby zwielokrotnić uzyskiwane napięcie.

Generatory prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na generatory asynchroniczne i synchroniczne. Każda prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem. W generatorze asynchronicznym jest tak, jak w omówionej wyżej prądnicy szkolnej – ruchome jest uzwojenie (tu ono jest wirnikiem), nieruchomym stojanem jest magnes. W generatorze synchronicznym wirnikiem jest magnes albo elektromagnes, stojanem zaś jest uzwojenie (Rys. 3.).

RxeuNcLvP3lHv

Rys. 3. Z lewej strony rysunku Rys. 3a. umieszczono magnes sztabkowy, który może obracać się wokół osi prostopadłej do płaszczyzny rysunku i przechodzącej przez środek magnesu. Łuk ze strzałką wskazuje na kierunek obrotu zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Nad magnesem znajduje się opis wirnik. Z prawej strony magnesu jest poziome uzwojenie z metalowym rdzeniem. Nad uzwojeniem znajduje się opis stojan. Z prawej strony Rys. 3b. przedstawia dwa magnesy ustawione jeden nad drugim. Górny magnes ma u dołu biegun oznaczony wielką literą N. Dolny magnes ma u góry biegun oznaczony wielką literą S. Magnesy opisane są jako stojan. Między biegunami magnesów znajduje się metalowy pierścień, który może obracać się wokół poziomej osi przechodzącej przez środek pierścienia. Łuk ze strzałką wskazuje na kierunek obrotu zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Pierścień ma z lewej strony przerwę, z której wychodzą przewody równoległe do osi obrotu.

Omówimy teraz sprawę zasilania generatora. W elektrowniach najczęściej pracują turbogeneratory albo całe zespoły turbogeneratorów. Na Rys. 4. przedstawiony jest taki nowoczesny zespół turbogeneratora dużej mocy. Turbogenerator to turbina połączona z generatorem. Domyślasz się zapewne, że turbina służy do obracania wirnika generatora. Przecież nikt nie kręci w elektrowni korbką, tak jak robimy to pokazując szkolny model prądnicy.

R1S2Oo9J6rDMl

Rys. 4. Na zdjęciu przedstawiono od lewej srebrne turbiny o kształcie poziomych walców. Masywna pozioma rura łączy je z trzema żółtymi kadłubami turbiny niskoprężnej. Po prawej stronie widać czerwony turbogenerator o kształcie mniejszego, poziomego walca.

Na Rys. 5. z kolei przedstawiono schemat konwencjonalnej elektrowni z widoczną turbiną i generatorem.

RBRbAY3lQ5QjH

Rys. 5. Rysunek przedstawia przekrój pionowy przez urządzenia elektrowni. Od lewej widać hałdy węgla. Węgiel poziomą taśmą przesyłany jest w prawo do paleniska, gdzie jest spalany. Dym odprowadzany jest wysokim kominem, a ciepło spalania podgrzewa wodę w bojlerze, który ma kształt wielokrotnie zagiętej rury. Woda do bojlera pobierana jest z rzeki. Z górnego końca rury bojlera wydobywa się para wodna, kierowana w prawo do turbiny i wprawia turbinę w ruch obrotowy. Obracająca się turbina połączona jest z wirnikiem generatora. Prąd wytwarzany w generatorze przewodami przekazywany jest do transformatora, a po wyjściu z transformatora zasila linię elektryczną.

Tutaj do obracania turbiny a dalej wirnika generatora używana jest gorąca, sprężona para wodna uzyskana z podgrzewanej wody w bojlerze, a źródłem energii jest spalane paliwo (węgiel, gaz), czyli na energię elektryczną zamieniana jest energia chemiczna. W elektrowni jądrowej jest podobnie, ale zamiast paleniska zastosowano tam reaktor jądrowy. Uwalniana podczas reakcji rozszczepienia uranu energia powoduje ogrzanie wody do wysokiej temperatury. W efekcie: źródłem energii elektrycznej jest energia jądrowa.

R1YwEzFdYTqIy

Rys. 6. Zdjęcie przedstawia zabudowania wielkiej elektrowni. Z lewej strony widać trzy szerokie dość niskie kominy. W środku z prawej strony znajdują się dwa wąskie, bardzo wysokie kominy pomalowane w poziome pasy biało‑czerwone. Ze wszystkich kominów unosi się biały dym.

Wirniki generatorów mogą być także poruszane wiatrem, pływami morskimi, w końcu na mniejszą skalę silnikiem spalinowym (agregaty prądotwórcze) lub nawet siłami mięśni ludzkich np. dynamo rowerowe.

Słowniczek