Prądnica prądu przemiennego i silnik elektryczny.

BUDOWA I ZASADY DZIAŁANIA PRĄDNICY PRĄDU PRZEMIENNEGO I SILNIKA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO

Energia elektryczna może być bezpośrednio wytwarzana, a ściślej przetwarzana, z wszystkich innych postaci energii, np.: z energii mechanicznej- w prądnicach; energii świetlnej- w fotoogniwach; z energii chemicznej- w ogniwach paliwowych; z energii cieplnej- za pomocą generatorów termoelektrycznych, termoemisyjnych, magnetohydrodynamicznych.
Otrzymywanie energii elektryczne na dużą skalę odbywa się dotychczas- ze względów technicznych i ekonomicznych- prawie wyłącznie przez przemianę energii mechanicznej w elektryczna w prądnicach. Zastosowanie pozostałych metod jest obecnie ograniczone do szczególnych przypadków, np. w technice pomiarowej, lotach kosmicznych, miniaturowych źródłach energii elektrycznej.
Energia elektryczna jest uzyskiwana w siłowniach, które ze względu na sposób przemiany energii pierwotnej można podzielić zasadniczo na: siłownie wodne i cieplne. Jeżeli ich jedynym zadaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej, są nazywane elektrowniami, jeżeli natomiast ich zadaniem jest jednoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła oddawanego odbiorcom w postaci pary wodnej lub gorącej wody, są nazywane elektrociepłowniami.


PRĄDNICA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Źródłami napięcia przemiennego w elektroenergetyce są prądnice prądu przemiennego, zwane generatorami elektroenergetycznymi. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego i ze względu na swą rolę nazywa się magneśnicą. Prąd do magneśnicy doprowadza się ze źródła napięcia stałego poprzez szczotki przylegające do stalowych pierścieni ślizgowych, osadzonych na osi magneśnicy i połączonych z jej uzwojeniem.
Magneśnica jest wykonana w ten sposób, że rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż wewnętrznego obwodu stojana jest sinusoidalny.
Uzwojenia stojana są umieszczone w żłobkach równoległych do osi magneśnicy, na wewnętrznym obwodzie stojana. Przy ruchu magneśnicy indukuje się (wytwarza się) napięcie w uzwojeniach stojana, w związku, z czym nazywa się go twornikiem.
Uzwojenia układamy w tworniku tak, że gdy jeden bok zwoju znajduje się w danej chwili w osi bieguna N, to drugi jest na osi bieguna S. Wówczas napięcia indukowane w obu bokach zwoju dodają się.
Magneśnica napędzana silnikiem mechanicznym ma stałą prędkość kątową ω, a wektor prędkości obwodowej ν zmienia się tylko kierunek.
Kąt α, jaki tworzy płaszczyzna zwoju z osią neutralną magneśnicy zmienia się liniowo z czasem t.

α=ωt+ψ
przy czym ψ jest katem w chwili t=0.

Zakłada się, że końce przewodu o długości l umieszczonego prostopadle do linii pola B i poruszającego się z prędkością v prostopadłą do płaszczyzny wyznaczonej przez l i B zostały połączone na zewnątrz z odbiornikiem o rezystancji R. w obwodzie płynie prąd I proporcjonalny do indukowanego napięcia E i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji obwodu.
Na przewód działa siła, której zwrot wynikający z reguły iloczynu wektorowego lub reguły lewej dłoni, jest przeciwny niż zwrot wektora v. Siła F jest, więc siłą hamującą ruch przewodu. W celu utrzymania ruchu musimy działać na przewód siłą zewnętrzną- F, wywieraną przez silnik napędowy i skierowaną zgodnie z wektorem v.
Moc mechaniczną potrzebną do poruszania przewodu wyznaczymy mnożąc skalarnie siłę- F przez prędkość v.
Moc mechaniczna, doprowadzona do przewodu, poruszającego się w polu magnetycznym i obciążonego prądem I, jest równa mocy elektrycznej wytwarzanej w danym przewodzie.
Zjawisko powyższe jest wykorzystywane w prądnicach elektrycznych, stanowiących elektromaszynowe źródła napięcia, w których odbywa się zamiana pracy mechanicznej na energię elektryczną.
W celu otrzymania napięcia stosuje się odpowiednią liczbę prętów połączonych szeregowo i poruszających się pod biegunami elektromagnesów. Ze względów technicznych pręty umieszcza się w żłobkach na obwodzie stalowego bębna z blach, wykonującego ruch obrotowy miedzy biegunami tzw. Magneśnicy.
Napięcie źródłowe prądnicy E jest równe sumie napięć indukowanych w połączonych szeregowo prętach.


SILNIK ELEKTRYCZNY

Do zacisków silnika doprowadzane jest napięcie zasilające. Prąd płynie przez przewód umieszczony między biegunami magnesu. Gdy w obwodzie płynie prąd działa na niego siła zależna od wielkości prądu indukcyjnego. Jeżeli siła jest dostatecznie dużą, przewód zaczyna się poruszać w kierunku jej działania z prędkością v. Jednocześnie indukuje się w przewodzie prąd, którego zwrot, wyznaczony za pomocą reguły prawej dłoni, jest przeciwny niż zwrot prądy I, a wobec tego przewód staje się odbiornikiem energii elektrycznej.
Ponieważ dodatni zwrot wektora l przyjęto zgodnie ze zwrotem prądu, we wzorze na napięcie E występuje znak (-). Łatwo sprawdzić, że dostarczana do przewodu moc elektryczna EI jest równa mocy mechanicznej F•v
Zamiana energii elektrycznej na prace mechaniczna odbywa się w silnikach elektrycznych, które budowa nie różnią się od prądnic. Istotną cechą tej zmiany energii jest indukowanie się podczas ruchu silnika napięcia e o zwrocie przeciwnym niż zwrot prądu dostarczanego do sieci. Dlatego w praktyce nazywa siĘ je teraz siłą przeciwelektromotoryczną. Jeżeli rezystancja wewnętrzna uzwojenia silnika wynosi R , to napięcie dostarczane do sieci
U=E+R I
a moc
UI= EI+R I
Przy czym: EI- moc zmieniana na moc mechaniczną; R I - moc tracona na nagrzewanie się uzwojeń.