T18.Budowa i zasada

działania prądnicy.

Są to urządzenia bez których świat taki jakim go dzisiaj
widzimy nie mógł by istnieć. Cała praktycznie energia
elektryczna jaką wykorzystujemy jest bowiem generowana
przez te właśnie urządzenia, w postaci wielkich sieci
generatorów w elektrowniach (wodnych, jądrowych,
węglowych i innych). Pragnę przedstawić na tych slajdach
podstawowe informacje dotyczące prądnic, ich sposobu
działania, typów oraz sugerowanych kierunków rozwoju.

Opis ogólny

• Prądnica jest urządzeniem wytwarzającym energię elektryczną kosztem

dostarczonej jej energii mechanicznej. Podstawowym zjawiskiem fizycznym
odpowiadającym za wytwarzanie prądu w prądnicy jest zjawisko indukcji
elektromagnetycznej.
Podstawowe części prądnicy to stojan, jest to nieruchoma część związana z
obudową oraz wirnik, część ruchoma wewnątrz stojana. Na wirnik nawinięte są
zwoje przewodnika przecinające pole magnetyczne, wytwarzane przez uzwojenie
stojana lub umieszczony zamiast tego magnes, powodując indukowanie zmiennej
siły elektromotorycznej. W prądnicy prądu stałego na wirniku zamontowany jest
dodatkowo komutator który prostuje przebieg wzbudzanego prądu. Prądnice ze
względu na rodzaj wytwarzanego prądu dzielimy na prądnice prądu stałego oraz
alternatory (prądnice prądu przemiennego). Dla obu typów prądnic istnieje wiele
różnych rodzajów, które omówimy później. Schemat ideowy prądnicy prądu
stałego z komutatorem znajduje się poniżej:

Podstawy fizyczne działania prądnicy

Jak już wspomniano wcześniej, w prądnicy wykorzystuje zjawisko indukcji magnetycznej
odkryte przez M. Faraday’a. Zasadę działania prądnicy prądu stałego można najprościej
wyjaśnić na przykładzie prostoliniowego przewodnika poruszającego się w niezmiennym
w czasie polu magnetycznym. Podczas gdy wirnik maszyny pod wpływem zewnętrznych
sił wiruje w polu magnetycznym w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna
rotacji o wartości (korzystając z prawa Faraday’a):

E = - dΦ/dt

Jak wiadomo strumień dΦ możemy zamienić na iloczyn skalarny wektora B indukcja
magnetyczna) i ds, gdzie powierzchnia ds jest powierzchnią zakreśloną przez przewodnik
w czasie dt, a więc nasz wzór przyjmie postać:

E = - Bds/dt

Rozkładając teraz powierzchnię S na dwie składowe lw (długość) i dx (drogę przebytą w
czasie dt) możemy zapisać:

E = - Blwdx/dt = - Blwv

Gdzie v jest prędkością liniową przewodników.
Napicie powstające na zaciskach maszyny jest sumą sił elektromotorycznych
indukowanych w poszczególnych cewkach wirnika połączonych szeregowo. Ponieważ osie
cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni i w danej chwili każda z nich znajduje się
w innych warunkach magnetycznych, napięcie powstające na zaciskach twornika jest
sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanych w każdej z cewek.

Wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu twornika wynosi:

E = k Φ n

Gdzie Φ jest wartością strumienia magnetycznego, n prędkością obrotową (obr/min), a k stałą
konstrukcyjną maszyny. W trakcie pracy prądnicy napięcie na zaciskach obwodu jest mniejsze od
całkowitej siły elektromotorycznej o spadek napięcia na rezystancji wszystkich elementów obwodu, a więc
wynosi:

U = E – ItRt

It jest wartością prądu przepływającego przez uzwojenie twornika, Rt wartością oporu czynnego twornika.
Zasadę działania prądnicy prądu przemiennego najłatwiej wyjaśnić na przykładzie ramki obracającej się w
stałym polu magnetycznym.

Podstawy fizyczne działania prądnicy

Więc siła elektromotoryczna wytwarzająca się w ramce będzie równa :

Jak wynika ze wzoru, siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, a
największą wartość przyjmuje wówczas gdy ramka jest prostopadła do linii
pola magnetycznego (linie sił są równoległe do wektora normalnego
powierzchni ramki).
Z modelu prądnicy prądu przemiennego można łatwo przejść do prądnicy
prądu stałego poprzez założenie komutatora na trzpień wirnika, prostującego
przebieg prądu. Siła elektromotoryczna wytwarzana przez taką prądnicę
będzie się wyrażała wzorem :

TYPY PRĄDNIC

1. Prądnica prądu stałego

1. Prądnica obcowzbudna
2.

Prądnica

bocznikowa   

3.

Prądnica szeregowa

4.

Prądnica

szeregowo – bocznikowa

2. Prądnica prądu przemiennego  

1.

Prądnica

asynchroniczna

2.

Prądnica

synchroniczna   

3.

Prądnice pracujące równolegle

Prądnica prądu przemiennego

• Prądnice prądu przemiennego są urządzeniami wykorzystywanymi

powszechnie i zdecydowanie szerzej niż prądnice prądu stałego. Generują one
sieci elektryczne, są używane w pojazdach, samochodach oraz w
gospodarstwach domowych. Prądnica prądu przemiennego o porównywalnej
mocy do prądnicy prądu stałego jest od niej dużo mniejsza, co jest kolejną
zaletą.
Rozłożenie alternatora samochodowego znajduje się poniżej :

Prądnica asynchroniczna

• Maszyna indukcyjna może pracować jako prądnica gdy jest napędzana zewnętrznym

momentem obrotowym. Warunkiem pracy jest wytworzenie w maszynie wirującego
pola magnetycznego. Pole magnetyczne powstaje podczas przepływu przez
uzwojenia prądu magnesującego, gdy maszyna pobiera moc bierną. Podczas pracy w
sieci maszyna pobiera moce bierna indukcyjną. Prędkość obrotowa wirnika ma mieć
wartość większą o d prędkości wirującego pola magnetycznego, która w czasie pracy
powinna być wielkością stałą. Prądnica pracująca samotnie musi pobierać moc bierną
z zewnętrznego źródła, np. baterii kondensatorów. Ponieważ wartość tej mocy jest
silnie zależna od obciążenia, dla zapewnienia stabilnej pracy autonomicznej
konieczna jest ciągła regulacja pojemności tych kondensatorów.

Charakterystyka zewnętrzna
prądnicy asynchronicznej

• Innymi źródłami mocy mogą być

prądnica synchroniczna lub
przekształtnik półprzewodnikowy.
Samowzbudzenie nastąpi wtedy gdy
reaktancja magnesująca maszyny jest
znacznie większa od reaktancji
pojemnościowej. Ponieważ przy stałej
prędkości obrotowej wraz ze zmianą
obciążenia zmienia się poślizg,
częstotliwość prądnicy pracującej
autonomicznie jest silnie zależna od
stanu obciążenia.

Prądnica synchroniczna

• Prądnica pracująca samotnie.

Z pracą samotną maszyny synchronicznej mamy do czynienia wtedy gdy jest ona
obciążona odbiornikiem który decyduje o charakterze prądu twornika. Rodzaj
pracy maszyny oraz wpływ na nią charakteru obciążenia jest skutkiem
oddziaływania odbiornika. Ponieważ w trakcie pracy samotnej prąd zależy jednie
od obciążenia należy tak określić parametry maszyny aby nie uszkodzić
odbiornika. Napięcie na zaciskach maszyny będzie większe przy odbiorniku
pojemnościowym i mniejsze przy indukcyjnym. Właściwości prądnicy przy pracy
samotnej można analizować na podstawie charakterystyki zewnętrznej.
Charakterystyka zewnętrzna określa zależność napięcia na zaciskach stojana i
prądu twornika U = f(It), przy stałym prądzie wzbudzenia, stałej prędkości i
określonym współczynniku mocy. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy
synchronicznej pracującej samotnie :

Prądnice pracujące równolegle

•

Praca samotna prądnic synchronicznych jest zjawiskiem rzadkim. Znakomita większość
maszyn synchronicznych pracuje w dużych państwowych lub międzynarodowych
układach elektroenergetycznych. Wytwarzane sieci są o tak dużej mocy, że podłączenia
kolejnych maszyn nie zakłóca ich równowagi. Takie sieci nazywamy sieciami sztywnymi.

Napięcie

i

częstotliwość

sieci

sztywnej

są

wielkościami

stałymi.

Każda maszyna synchroniczna przed podłączeniem do sieci musi zostać poddana
procesowi synchronizacji. Jest to niezbędne do uniknięcia dużych skoków napięć i
wahań prądów wyrównawczych, mogących spowodować uszkodzenie maszyny i sieci.
Proces synchronizacji może my podzielić na dwa rodzaje : synchronizację i samo
synchronizację. Synchronizacja polega na doprowadzeniu maszyny do stanu
synchronizmu i przyłączeniu jej. Samo synchronizacja opiera się na podłączeniu do sieci
nie wzbudzonej maszyny (wzbudzenie przyłącza się zaraz po przyłączeniu twornika)
przy prędkości bliskiej prędkości synchronicznej.

•

Synchronizacja polega na doprowadzenia maszyny do stanu, w którym chwilowe
wartość napięcia na zaciskach maszyny i sieci energetycznej były równe. Jeżeli
zachowany jest sinusoidalny kształt napięć warunki synchronizacji zapewnia się
poprzez spełnienie następujących wymagań:
• wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci powinny być równe
• częstotliwości napięć powinny być równe
• kolejność faz napięć w prądnicy i sieci powinna być zgodna
• kąt przesunięcia fazowego napięć tej samej fazy sieci i prądnicy powinien wynosić 0.

• Spełnienie powyższych warunków realizuj się zmieniają prędkość obrotową wirnika oraz

prąd wzbudzenia maszyny synchronicznej.
Historycznymi metodami synchronizacji jest metoda z wykorzystaniem żarówek
podłączanych pomiędzy sieć a prądnice (metoda „na ciemno”, „na jasno” i „na świtało
wirujące”). Dzisiaj większość urządzeń jest wyposażona w automatyczne układy do
synchronizacji lub urządzenia synchronizujące. Samosynchronizacja polega na
podłączeniu do sieci maszyny nie wzbudzonej i nadaniu wirnikowi prędkości bliskiej
prędkości obrotowej. Po włączeniu do sieci obwodu twornika, następuje zasilenie prądem
stałym uzwojenia wzbudzenia. Narastanie prądu wzbudzenia pociąga za sobą
wytworzenie zmiennego momentu obrotowego, który po osiągnięciu określonej wartości
pozwoli na osiągnięcie synchronizmu. Uderzenie prądu zależy od różnicy prędkości
obrotowej wirnika i prędkości synchronicznej. Im ta różnica jest mniejsza, wartość prądów
łączeniowych maleje.
Układ generatorów wodnych pracujących równolegle :

Prądnice pracujące równolegle

Trendy rozwojowe

• W ostatnich latach następuje gwałtowna zamiana prądnic

prądu stałego na alternatory, ze względu na większą wydajność
oraz lepszą jakość pracy. Trwają prace nad konstrukcjami
bardziej wydajnych tworników oraz polepszeniem warunków
eksploatacji maszyn. Wysoka sprawność prądnic, szczególnie
alternatorów, powoduje że prace w tej dziedzinie skupiają się
raczej

nad

problemem

odnawialnych

źródeł

energii

dostarczanych prądnicom (momentów obrotowych potrzebnych
do uzyskiwania energii elektrycznej). Coraz szerzej używane
stają

się

elektrownie

wiatrowe

zamiast

tradycyjnych

węglowych, trwają badania nad efektywnym wykorzystaniem
energii fal morskich i pływów oraz przekształcenia ich w
momenty obrotowe potrzebne do wytwarzania energii
elektrycznej. Duże nadzieja rokują trwające ostatnio prace nad
stworzeniem nadprzewodników wysokotemperaturowych, które
gdyby zostały użyte jako komponenty w prądnicach,
spowodowałyby znaczną poprawę jakości pracy tych urządzeń.