Výroba a rozvod elektrickej energie

1. Výroba a rozvod elektrickej energie (doplnkový text pre základný kurz fyziky pre geológov a užitých geofyzikov - k tématickému celku č. 10) ►výroba elektrickej energie ► elektrické stroje ► striedavý prúd

2. Výroba elektrickej energie: Prevažujúci podiel elektrickej energie sa vyrába pomocou točivých elektrických strojov (generátorov).Iné spôsoby – napr. priamá premena žiarenia na el.energiu a ďalšie – bez využitia energie mechanickej – sú okrajové a z hľadiska svetovej energetickej bilancie sú a s najväčšou pravdepodobnosťou zostanú bezvýznamné. Pre nás nateraz nie je podstatné, aký zdroj dodáva mechanickú energiu – vo väčšine prípadov ide o parné alebo vodné turbíny. Na celom svete sa dnes používa výhradne striedavý prúd s frekvenciou 50 Hz (v Európe) alebo 60 Hz (USA, Japonsko, niektoré štáty v Ázii). Dôvody uvedieme ďalej. Elektrická energia v tejto forme sa vyrába synchrónnymi generátormi, tzv. alternátormi. Zvyčajne tvoria jeden konštrukčný celok s pohonnou turbínou - turboalternátor.

3. Pohled do otvoreného turboalternátora (vidno časť statorového vinutia so spojkami). Poháňacia turbína je na opačnej strane. Synchrónny generátor je točivý elektrický stroj – rotorvytváramagnetické pole, ktorého indukčné čiary sa v priestore otáčajú. K tomu slúži buď rotor s permanentným magnetom (iba u strojov s veľmi malým výkonom), alebo rotor s vinutím napájaným zo samostatného generátora s menším výkonom, tzv. budiča, umiestneného na spoločnom hriadeli. Princíp činnosti: Magnetický tok vybudený otáčajúcim sa rotoromprechádza vinutím statora (na obrázku vonkajší prstenec) ako časovo premenný – indukuje vo vinutí statora elektromotorickú silu, časovo premennú podľa sínusovej krivky, s frekvenciou otáčania rotora - alebojej celistvým násobkom – ak má rotor viac pólov (na schématickom obrázku iba dva póly (jedno vinutie). Dôležité: ak statorové vinutie – ako zdroj – dodáva prúd do vonkajšieho obvodu (inak by jeho činnosť nemala zmysel), tento prúd vytvára tiež magnetické pole, ktoré mechanicky (silou) pôsobí na vodiče vinutia rotora a snaží sa ho zabrzdiť.Poháňací stroj (turbína) musí tento brzdný účinok premáhať. Ak nestačí, stroj „vypadne zo synchronizácie“ a ak je elektrické zaťaženie stále vysoké, môže sa mechanicky poškodiť.

4. U „kolísky“ priemyselného využitia elektrickej energie – základu modernej spoločnosti – stáli tri osobnosti, každá svojím spôsobom výnimočná: ◄ Nikola Tesla (1856 – 1943) rodom Srb, väčšinu života prežil v USA. Objav točivého magnetického poľa, striedavého motora a generátora a transformátoramu zaisťujú večné miesto v „sieni slávy“ modernej civilizácie. Žiaľ, tak ako bol geniálny technik, nevenoval sa toľko ekonomickej stránke svojích vynálezov a zomrel zchudobnelý. Thomas Alva Edison (1847 – 1931) ► geniálny a nesmierne vytrvalý experimentátor a vynálezca. Ak by bol venoval väčšiu pozornosť teórii (matematike a fyzike), mohol úctyhodný zoznam svojich vynálezov ešte rozšíriť. Žiaľ, v spore s Teslou (jednosmerný/striedavý prúd) stál na nesprávnej strane, ale aj omyly géniov tvoria históriu. Jeho vynálezy pokrývajú veľa odvetví. ◄George Westinghouse (1846 – 1914) ako zamestnanec železníc bol r.1861 svedkom drastickej zrážky vlakov a to ho inšpirovalo k vynálezu priebežnej vlakovej brzdy (dodnes používanej). (dovtedy mal každý vagón brzdára, ktorý na zvukový signál rušňovodiča ručne brzdil). Založil podnik a zbohatol, stal sa priemyselným magnátom. Podporoval Teslu a stal sa popredným výrobcom elektrických zariadení (dodnes existu- júca Westinghouse Electric Comp.). Neskôr s Teslou nejednal vždy čisto (v obchodnom zmysle), vina bola ale na obidvoch stranách.Býva právom nazývaný „Fordom elektrotechniky“.

5. Využívanie striedavého prúdu: Spočiatku (najprv v USA) boli elektrické rozvody budované ako siete jednosmerného prúdu (Edison). Ako sa využívanie elektrickej energie rozširovalo, začali sa čoraz viac prejavovať nevýhody: ■ nemožnosť snadnej transformácie (zmeny) napätia bez veľkých strát – koneční spotrebitelia musia byť – pre bezpečnosť – zásobovaní nízkym napätím, zatiaľ čo pre diaľkové rozvodné siete je vhodné vysoké napätie (= nižšie prúdy = nižšie straty v prenosových vedeniách). Zmenu napätia v jednosmernom prípademožno skutočniť iba točivými strojmi (tzv. motorgenerátory), ktorých účinnosť neprekračuje 30%(dnešná výkonová polovodičová technika toto umožňuje s podstatne vyššou účinnosťou, ale to je záležitosť posledných desaťročí a stále je veľmi drahá).Striedavé transformátory majú účinnosť vyše 95%. ■ nemožnosť paralelného chodu jednosmerných generátorov do spoločnej záťaže – nemôžu pracovať tak, aby si aj premennú záťaž vždy rozdelili „rovným dielom“. Budovali sa preto tzv. „distribuované siete“ – každý blok domov mal vlastnú elektráreň s obsluhou –veľmi neekonomické. ■ konštrukcia jednosmerných generátorov (dynám) a motorov je komplikovanejšia – oproti striedavým (tie ale neboli vtedy ešte známe a propracované) – jednosmerné stroje vždy potrebujú vodivé prívody k pohybujúcim sa (otáčavým) častiam (kefy, uhlíky, zberače).V prípade veľkých výkonov je to obťažné. Striedavé stroje (až na výnimky) takéto niečo nepotrebujú. ■ striedavé generátory majú vždy podstatne vyššiu účinnosť – oproti jednosmerným zdrojom, z dôvodov tzv. komutačných strát. Nikola Tesla si prvý uvedomil, že elektrický prúd vyvolaný elektromagnetickou indukciou je vlastne „od prírody striedavý“ (časová zmena !). Aj dynamo vyrába najprv striedavý (sínusovo premenný v čase) prúd a iba komutátor ho „mechanicky usmerňuje“. To otvorilo cestu k modernej výrobe a využitiu elektrickej energie.

6. Nástup striedavého prúdu: 1882 – princíp a realizácia točivého magnetického poľa (Nikola Tesla): Tri vinutia, ktorých magnetické osi zvierajú v priestore uhly 120o navzájom, sú napájané sínusovými prúdmi v čase vzájomne posunutými o 1/3 periódy (120o fázovo posunutými)– viď dolný obrázok ↓ dajú v súčte výsledné pole, ktorého vektor indukcie má konštantnú veľkosť a jeho smer sa otáča v priestore rovnomerne. Časový priebeh prúdu v jednotlivých vinutiách („fázach“) – hore Dielčie a výsledné magnetické pole (smer vektora indukcie) dole Modro sú vyznačené ► vektory indukcie dielčích polí v istom okamihu

7. Trojfázové generátory a motory môžu pracovať bez elektrických prívodov k pohyblivým častiam. Okolo roku 1880 vypukla v USA tzv. „vojna striedavých proti jednosmerným“. Tlač sa uchylovala k pokleslým argumentom, žiaľ aj Edison – pevný zástanca jednosmerných sietí – sa znížil k osobným výpadom proti Teslovi (aj keď na sklonku života vyhlásil, že za svoj najväčší omyl považuje to, že sa rozišiel s Teslou). Zvrat nastal, keď továreň Georgea Westinghousa získala zakázku na výstavbu gigantickej (na vtedajšie pomery) hydroelektrárne na Niagarských vodopádoch, ktorá mala zásobovať velké mesto Buffalo a jeho okolie s rozvinutým priemyslom na vzdialenosť 35 km. Elektráreň, projektovaná na výkon 40 MW, sa začala stavať roku 1893. Elektrickú energiu dodávali veľké alternátory podľa Teslových patentov (ten ich previedol medzičasom na Westinghousa). Dňa 16.11.1896 bola Niagarská centrála slávnostne uvedená do prevádzky. Dobové obrázky zachycujú vnútrajšok strojovne (alternátory poháňané vodnými turbínami majú zvislé osi). Na pravom obrázku je plaketa, umiestnená na jednom zo šiestich pôvodných alternátorov, ktoré sú dodnes v prevádzke, s uvedením Teslových patentov. Odvtedy jednosmerné siete rýchlo mizli (aj keď ojedinele sa udržiavali ďalej – napr. Stockholm prešiel na striedavý prúd až roku 1940 ! – a trojfázové striedavé rozvodné siete ovládli svet. Jednosmerný prúd ale zostal v doprave.

8. ◄obrázok ukazuje alternátory (staršej konštrukcie). Vpravo sú vidieť budiče (menšie jednosmerné dynamá na spoločnom hriadeli s hlavným strojom). Na krajnom ľavom vidno otvorený komutátor („mechanický usmerňovač“). Magnetický obvod („cesta“ pre do seba uzavreté indukčné čiary) je z prevažujúcej časti tvorený „železom“ – t.j. feromagnetic- kým materiálom. Výnimkou je vzduchová medzera, ktorá oddeluje stator a rotor – viď ► STATOR ROTOR obrázok vpravo (časť tzv. „pólového zuba“). Vzduchová medzera býva aj u veľkých strojov iba niekoľko mm, aby straty pri indukcii boli čo najmenšie – zníženie „magnetického odporu“ (reluktancie). Vpravo je ukázaný vektorový súčet dielčích vektorov magnetickej indukcie vybudených jednotlivými rotorovými vinutiami, ktoré v priestore zvierajú vzájomne uhly 120o- vznik točivého mag. poľa V rozsiahlých (medzištátnych) prepojených sietiách je dôležitá vzájomná synchronizácia alternátorov - pri zmenách záťaže každý „trocha“ pribrzdí alebo odľahčí svoj poháňací stroj - takže všetky turbíny povedzme od Francúzska po Ukrajinu bežia presne rovnakými otáčkami a jednotlivé alternátory si delia zaťaženie „spravodlivo“. To je ale možné iba do určitej hranice – pri havarijnom stave sa synchronizácia „rozsype“ a na vysoké vyrovnávacie prúdy zareagujú ihneď ochranné obvody – nastane „plošný výpadok siete“.

9. Teslovým vynálezom je aj trojfázový asynchrónny (tzv. indukčný) motor. Čo do objemu výroby, motory tohto typu tvoria dnes asi 75% množstva všetkých vyrábaných typov. Tri statorové vinutia sú napájané trojfázovou sústavou prúdov (posunuté vzájomne v čase o 1/3 periódy, čiže o 120 elektrických stupňov), čím vybudia v dutine statora točivé magnetické pole ▼ Rotorové vinutie predstavujú tyče (rovnobežné s osou stroja), ktoré sú na obidvoch koncoch vzájomne skratované (odtiaľ starší názov stroja – „motor s kotvou nakrátko“). K rotoru nevedú nijaké prívody. Aby vznikol mechanický točivý moment, musia navzájom „zaberať“ magnetické polia budené statorom aj rotorom. Tyčami („závitmi“) rotorového vinutia tečie prúd, indukovaný poľom statora. Genialita Teslovho vynálezu spočíva v tom, že tento stroj je vlastne motor aj transformátor v jednom – primárne vinutie „symbolického transformátora“ je vinutie statorové (napájané z vonkajšieho zdroja), sekundárne vinutie tvoria skratované tyče rotora. Aby ale stroj fungoval, musí sa rotor otáčať inou (nižšou) rýchlosťou ako točivé pole budené statorom (odtiaľ označenie asynchrónny). Ak by tieto rýchlosti boli rovnaké, rotor by „vnímal“ pole budené statorom ako konštantné v čase (otáčal by sa zarovno s ním) a nijaká elektromotorická sila by sa v ňom neindukovala. Hovoríme o tzv. sklze rotora. Ak sa mechanické zaťaženie motora zvýši, otáčanie sa zpomalí - tým ale narastie elektromotorická sila indukovaná do rotora – lebo frekvencia (rýchlosť časových zmien poľa „vnímaného“ rotorom stúpne). Otáčavý moment na rotore vzrastie, ovšem pri o niečo nižších otáčkach – zväčšil sa sklz.

10. ◄ rotor veľkého asynchrónneho motora pripravený pre montáž (zabudovanie) do stroja. Dnes sa vyrábajú motory tohto typu až do obrovských výkonov (80 MW). Určité problémy, najmä u veľkých strojov, robila do nedávna regulácia otáčok bez ztraty výkonu. Moderná výkonová polovodičová technika (tyristorové meniče a tzv. cyklokonvertory) odstránila tento problém pomocou tzv. frekvenčného riadenia (motor je pripojený na sieť cez zariadenie, ktoré plynule podľa potreby mení frekvenciu statorových prúdov). Obrázok vpravo (►) ešte raz objasňuje vznik točivého poľa: Vinutia označené po rade A, B a C sú priestorovo usporiadané po 120o (ilustrácia c)). Na ilustrácii d) bodky znázorňujú smer prúdu k čitateľovi, krížiky v jednotlivých vodičoch opačný. Symbol Ø vyznačuje pre daný okamih smer vektora celkovej magnetickej indukcie. Ilustrácia b) predstavuje tzv. vektorový diagram prúdov v jednotlivých vinutiách (časové posuny sú znázornené uhlovými, uhol 360o zodpovedá jednej perióde napájacieho striedavého prúdu.

11. ◄ zjednodušená schéma rotora (tzv. klietkového) u asynchrónneho motora. Vyrába sa ako jediný odliatok tlakovým odlievaním z duralu. ▼ Momentový diagram asynchrónneho motora: na zvislej osi – mechanický moment na hriadeli na vodorovnej osi - otáčky rotora (n), prípadne sklz (s). Nulový sklz odpovedá synchrónnym otáčkam – točivý moment je nulový V oblasti otáčok od nuly až po synchrónne stroj pracuje ako motor (kladný točivý moment). Maximálny moment Mmax stroj dodá pri sklze smax(zvyčajne okolo 0,7 – 0,8). Ak stroju vnútime otáčky vyššie ako synchrónne (nadsynchrónne), bude pracovať ako generátor (zápornýtočivý moment – bude mechanickú energiu spotrebúvať a elektrickú naopak dodávať). Keď vnútime stroju otáčky v opačnom zmysle - oproti smeru otáčania statorového poľa - bude pôsobiť ako brzda (čo sa v praxi aj využíva – pri „obrátení“ smyslu otáčok statorového poľa – prepólovaním dvojice vinutí.

12. Jednosmerné stroje (motory) si udržiavajú dominanciu v doprave (elektrickej trakcii): ■ majú vysoký záberový moment (dôležité pre rýchly rozjazd) Dĺho sa používalo (a stále používa) jednosmerné napájanie železničných trolejových vedení. Jednosmerné napätie vyrábali meniarne (bývali situované každých 20 – 30 km pozdĺž elektrifikovaných tratí). V nich striedavý prúd z verejnej siete usmerňovali veľké ortuťové usmerňovače (▼ obrázok dole). Moderná výkonová polovodičová technika priniesla revolučné zmeny - dnešné elektrické lokomotivy sú napájané zo striedavých trolejových vedení a lokomotiva sama si „vezie“ výkonové polovodičové usmerňovače spolu s regulačnými obvodmi, ktoré umožňujú prevádzku s vysokou účinnosťou a iné zdokonalenia (napr. rekuperácia energie pri brzdení). ▼Otvorený trakčný motor s výkonom 2,5 MW (podľa starých jednotiek 3300 KS) Dnešné výkonové polovodičové elementy umožňujú spínať prúdy rádu 10.000 A a výkony rádu MW v čase niekoľkých desiatok mikrosekund a dávajú takmer neobmedzené možnosti konštrukcie elektrických pohonov pre vozidlá.

13. Pre zaujímavosť: Prvými, ktorí narazili na jav elektromagnetickej indukcie(prirodzene nevedomky), boli neznámi anglickí námorníci v 16.storočí. Pri používaní kompasu na palubách lodí bolo obťažné odčítať presný smer, lebo kolísanie lode rozkývávalo strelku kompasu – bolo treba čakať, niekedy dlho, na priaznivý okamih, keď sa strelka na chvíľu ustálila. Námorníci si povšimli, že ak sa na drevený stolík, na ktorom kompas na palube stál, podloží navyše hrubá medená doska (takže kompas bol položený na ňu), ustálenie prebehne podstatne rýchlejšie, čo usnadňovalo prácu navigátora(medené dosky sa na lodiach vtedy užívali na pokrytie drevených trupov pod čiarou ponoru – na ochranu pred morskými červotočmi). Bola to vlastne brzda tzv. vírivými prúdmi – pohyb strelky, ktorá bola permanentným magnetom, indukoval vo vodivej medenej podložke vírivé prúdy, ktorými vyvolané magnetické pole – podľa Lenzovho zákona – tlmilo kývavý pohyb strelky (tento mechanizmus sa využívá v meracích prístrojoch dodnes). Vtedy sa ale ujalo chybné vysvetlenie, že vraj sa meď pôsobením kompasu „dočasne zmagnetizuje“. ◄ Časť lodného kompasu z 16.st. spolu s vizírom (zameriavacím hľadáčikom) Novší lodný kompas v jednoduchom „kardanovom uložení“, vďaka nemu sa obmedzoval vplyv kývania ►