Generatori, transformatori i naizmjenična struja

Pokreni prezentaciju →

1. Naizmjenična struja

Struja iz baterije uvijek teče u istom smjeru — to je jednosmjerna struja. Struja iz utičnice u zidu nije takva: ona stalno mijenja smjer i jačinu. Zove se naizmjenična struja (skraćeno AC, od alternating current).

Umjesto stalnog napona, naizmjenični napon se mijenja po sinusnom zakonu:

Veličina U₀ je najveća vrijednost napona (amplituda), f je frekvencija — koliko se punih ciklusa dogodi u jednoj sekundi, a T je period — trajanje jednog ciklusa. Veza je jednostavna:

U Bosni i Hercegovini i u cijeloj Evropi frekvencija mreže je f = 50 Hz. Period je tada:

Za 0,02 s struja napravi jedan puni ciklus: poraste do najveće vrijednosti, padne na nulu, promijeni smjer, dostigne najveću vrijednost u suprotnom smjeru i vrati se. U jednoj sekundi ima 50 takvih ciklusa, pa se smjer struje promijeni 100 puta u sekundi.

2. Generator: od obrtanja do napona

Generator je uređaj koji mehaničku energiju pretvara u električnu, i to na osnovu elektromagnetne indukcije. Unutra se nalazi zavojnica koja se obrće u magnetnom polju.

Kako obrtanje daje napon? Fluks kroz zavojnicu se stalno mijenja, jer se mijenja ugao između zavojnice i polja. Prema Faradejevom zakonu ε = −N·ΔΦ/Δt, promjena fluksa daje EMS. Kada zavojnica napravi puni krug, EMS jednom poraste, padne na nulu, pa naraste u suprotnom smjeru — to je sinusoidalni oblik:

Dvije krajnosti pomažu da se razumije oblik krive:

• Ravan zavojnice je paralelna s poljem — fluks je nula, ali se mijenja najbrže, pa je EMS najveća.
• Ravan zavojnice je okomita na polje — fluks je najveći, ali se u tom trenutku ne mijenja, pa je EMS nula.

Zato je kriva EMS pomjerena u odnosu na krivu fluksa: gdje je fluks najveći, EMS prolazi kroz nulu.

Klizni prstenovi i dinamo

Krajevi zavojnice spojeni su na klizne prstenove s četkicama. Prstenovi se obrću zajedno sa zavojnicom i stalno mijenjaju polaritet izvoda — zato u vanjskom kolu dobijamo naizmjeničnu struju.

Ako prstenove zamijenimo komutatorom (razrezanim prstenom), polaritet se u vanjskom kolu ne mijenja i dobijamo jednosmjernu struju. Takav uređaj zovemo dinamo. Isti princip, samo drugačiji način preuzimanja struje.

U elektranama turbine pokreću generatore: u hidroelektrani voda, u termoelektrani para, a u vjetroelektrani vjetar. Za priključivanje na našu mrežu njihov izlaz prilagođava se frekvenciji 50 Hz. Kod nekih vjetroelektrana to rade i elektronski pretvarači.

3. Transformator i prijenos energije

Transformator je uređaj koji mijenja napon naizmjenične struje. Sastoji se od dvije zavojnice namotane na zajedničko gvozdeno jezgro. Prva je primarna (N₁ zavoja, napon U₁), druga sekundarna (N₂ zavoja, napon U₂).

Kada kroz primarnu zavojnicu prolazi naizmjenična struja, u jezgru nastaje promjenljivo magnetno polje. Ono prolazi i kroz sekundarnu zavojnicu, pa se u njoj, po Faradejevom zakonu, indukuje napon. Pošto obje zavojnice imaju isti fluks po zavoju, naponi se odnose kao brojevi zavoja:

Ako je N₂ veći od N₁, napon se povećava — to je naponski pojačavač. Ako je N₂ manji, napon se smanjuje — to je naponski snižavač.

Idealni transformator ne gubi energiju, pa je snaga na obje strane jednaka: U₁·I₁ = U₂·I₂. Iz toga slijedi koliko puta napon poraste, toliko puta struja opadne:

Gdje nastaju gubici

• Grijanje žice — namotaji imaju otpor, pa se dio energije pretvara u toplotu.
• Vrtložne struje u jezgru — zato se jezgro pravi od međusobno izolovanih tankih limova, a ne od jednog komada gvožđa.
• Magnetizacija jezgra — dio energije se troši na stalno premagnetisavanje.
• Rasipanje polja — mali dio fluksa ne obuhvati drugu zavojnicu.

Zato je korisnost dobrih transformatora oko 95 % do 99 %, ali nikad tačno 100 %.

Zašto se energija prenosi visokim naponom?

Snaga koja se prenosi dalekovodom je P = U·I. Za istu snagu, viši napon znači manju struju. A gubici u žici ovise o kvadratu struje:

To je odlučujuće. Primjer: prenosimo 20 kW preko voda otpora 2 Ω.

Zato se energija iz elektrane podiže na visok napon (npr. 110 kV ili 400 kV), prenosi dalekovodom, a zatim u naselju spušta transformatorima na 230 V za domaćinstva. Uz to, veći napon znači i manju struju, pa su potrebne tanje žice — manje bakra i lakša konstrukcija.

4. Isprobaj: generator i transformator

Elektrane: prednosti i nedostaci

Generator proizvodi električnu energiju tako što ga turbina okreće. U tim elektranama vrsta zavisi od toga šta pokreće turbinu. Fotonaponska solarna elektrana pretvara Sunčevo zračenje direktno u električnu energiju, bez turbine i generatora. Svaka vrsta ima prednosti i nedostatke, a izbor zavisi od lokalnih uslova, cijene i uticaja na okoliš.

Tri uređaja, tri zadatka

Elektromotor pretvara električnu energiju u mehaničku djelovanjem magnetne sile. Generator pretvara mehaničku u električnu promjenom magnetnog fluksa. Transformator mijenja naizmjenični napon i struju kroz međusobnu indukciju zavojnica; ne zahtijeva stalno obrtanje kao generator i ne stvara energiju. U svim uređajima prate se i gubici. Ørstedov ogled pokazuje da struja stvara magnetno polje, a Faradayev da promjena fluksa može dati inducirani napon: to su povezane, ali različite tvrdnje.

5. Korak po korak: od frekvencije do napona na sekundaru

Zadatak: „Transformator je priključen na napon 230 V. Primarna zavojnica ima 1150 zavoja, sekundarna 150. Odredi napon na sekundaru, a zatim i struju u sekundaru ako kroz primar prolazi struja 0,2 A.“

Korak po korak: koliko energije proizvede elektrana

Zadatak: „Hidroelektrana snage 600 MW radi 24 h. Koliku energiju proizvede? Izrazi rezultat u MWh i u kWh.“