TROJFÁZOVÝ GENERÁTOR STŘÍDAVÉHO NAPĚTÍ
Pokus ukazuje princip, jak se přeměňuje v elektrárnách energie mechanická na energii elektrickou, jak se generuje střídavé napětí.
V elektrárnách se přeměňuje mechanická energie vody, větru nebo páry, která roztáčí turbíny a točí generátorem.
Pomůcky: panel trojfázového generátoru, tři voltmetry, spojovací vodiče
Stator trojfázového generátoru střídavého napětí (alternátoru) se skládá ze tří cívek,
jejichž osy svírají úhel 120 °.
Rotor tvoří magnet uprostřed cívek, kterým lze otáčet (klikou umístěnou na zadní straně panelu).
Ke každé z cívek je připojený voltmetr s ukazovatelem uprostřed.
Demonstrátor otáčí téměř rovnoměrně klikou generátoru, tj. magnetem.
Postupně sledujeme na voltmetrech proměnná napětí na cívkách s přibližně stejnými amplitudami.
Když pozorujeme všechny tři voltmetry současně, vidíme, že výchylky ukazovatelů,
nejsou soufázné. Napětí na cívkách nejsou ve fázi.
Poznámka:
Otáčení magnetu není zcela rovnoměrné, což je dáno jednak lidským faktorem) a jednak třením pohonného zařízení.
Ručičky voltmetru mají určitou setrvačnost, čímž je zkreslen záznam proměnného napětí.
Vysvětlení
Proč vzniká napětí na cívce, kolem níž se otáčí magnet?
Jaký průběh má indukované napětí?
Napětí bychom mohli získávat také otáčením cívky (cívek) v homogenním magnetickém poli. Cívka jako stator je však výhodnější. Proč?
Kolem stejných cívek se otáčí stejný magnet stejnou frekvencí, amplitudy napětí jsou na všech cívkách stejné. (To můžeme pozorovat na voltmetrech.)
Magnetický indukční tok dosahuje maximální hodnoty pro každou cívku v jiný okamžik.
V jaké vzájemné poloze magnetu a cívky dosahuje magnetický indukční tok maximální hodnoty?
O jakou část periody jsou navzájem posunuta střídavá napětí, která se indukují na koncích cívek?
Napište vztahy pro tato napětí.
Tři fázově posunutá napětí z alternátoru by se mohla rozvádět šesti vodiči (tři nezávislé obvody).
V energetice se ale využívá rozvodná síť se čtyřmi vodiči (tzv. trojfázová soustava střídavých napětí – ve video ukázce), čímž se ušetří na materiálu a zmenšují se ztráty.
Tuto rozvodnou síť znáte z běžného života jako venkovní sloupové vedení.
|
Jeden konec z každé cívky je spojen do společného bodu, tzv. uzlu.
|
Trojfázová soustava střídavých napětí je založená na tom, že součet okamžitých hodnot střídavých napětí indukovaných v cívkách alternátoru je stále nulový.
O tom se můžeme přesvědčit grafickým sečtením okamžitých hodnot napětí v časovém diagramu nebo grafickým sečtením fázorů napětí ve fázorovém diagramu:
nebo početně pomocí vzorců pro goniometrické funkce:
Připojíme-li na cívky s napětím spotřebiče (viz video ukázka
„Zapojení spotřebičů do hvězdy“), bude společným vodičem procházet proud 
.
i = i1 + i2+ i3
Proudy jsou úměrné napětí,
společným vodičem prochází při stejném zatížení cívek nulový proud.
Tento vodič se nazývá nulový vodič.
(
A)
Poznámka:
Proud v nulovém vodiči v praxi není nulový (zatížení nikdy není zcela rovnoměrné), ale vždy má malou hodnotu oproti proudům procházejícím ostatními vodiči.
Ke druhému konci cívek jsou připojeny tzv. fázové vodiče.
Mezi fázovými vodiči (L1/L2/ L3) a nulovým vodičem (N) jsou fázová napětí
(ve spotřebitelské rozvodné síti 230 V).
Mezi dvěma libovolnými fázovými vodiči je sdružené napětí.
Jak velké je sdružené napětí?
Pozor, sdružené napětí není 460 V. Proč?
Hodnotu sdruženého napětí můžeme určit z fázorového diagramu.
Například sdružené napětí mezi prvním a druhým fázovým vodičem:
Spočtěte velikost sdruženého napětí (Užijte kosinovou větu).
Síťové zásuvky v domácnostech jsou běžně dělané na odběr fázového napětí.
Jednu zdířku mají spojenou s nulovým a druhou s fázovým vodičem.
Poznámka:
V praxi se místo magnetu používá v alternátorech elektromagnet.