Váltakozó elektromos áram előállítása és átvitele
A váltakozó áram olyan áram, amelynek erőssége és iránya periodikusan változik. A váltakozó áramnak köszönhetően ma fény és meleg van otthonunkban. Korunk összes ipari vállalkozása és termelése csak a váltakozó áramnak köszönhetően működik. Váltóáram nélkül a modern civilizáció technológiai fejlődése egyszerűen lehetetlen lenne.
A váltakozó áram előállításához elektromechanikus eszközöket, ún indukciós generátorok… Ezekben az így vagy úgy nyert mechanikai energia a forgórészre kerül, a forgórész forog, aminek következtében a forgórész forgásának mechanikai energiája elektromágneses indukcióval elektromos energiává alakul.
Emlékezzünk vissza, hogy ha elforgatja a mágnest a vezető keretben, akkor indukció lesz a keretben váltakozó áram… A generátor ezen az elven működik. Csak egy ipari generátorban az állórész a keret szerepét tölti be, a mágnes szerepe pedig egy mágnesező tekercses forgórész, tulajdonképpen egy forgó elektromágnes.
Egy ipari generátorban az állórész egy hatalmas acélszerkezet, gyűrű formájában, belsejében hornyokkal. Ezekbe a résekbe egy háromfázisú réz tekercs van behelyezve. A mágneses mezőt, mint már említettük, a forgórész hozza létre, amely egy acélmag, amelynek egy pár (vagy több pár, a forgórész névleges fordulatszámától függően) pólusa van, amelyet a rotor tekercsében áramlik. A gerjesztőből egyenáramot táplálunk a forgórész tekercsébe.
A kétpólusú indukciós generátor sematikus ábrája alapján könnyen megérthető, hogy a forgórész mágneses tere erővonalai keresztezik az állórész tekercsének fordulatait, miközben fordulatonként egyszer a forgórész mágneses fluxusa változtatja az irányát az állórész azonos fordulataihoz képest.
Így az állórész tekercsében pulzáló egyenáram helyett váltakozó áram keletkezik. Ha atomerőműről beszélünk, akkor a generátor forgórésze gőzből mechanikus forgást kap, amelyet hatalmas nyomás alatt juttatnak a rotorhoz csatlakoztatott turbina lapátjaihoz. Gőz egy atomerőműben olyan vízből állítják elő, amelyet egy nukleáris reakcióból származó hő melegít fel, amelyet hőcserélőn keresztül táplálnak a vízbe.
Oroszországban a váltakozó áram frekvenciája a hálózatban 50 Hz, ami azt jelenti, hogy a kétpólusú generátor rotorjának másodpercenként 50 fordulatot kell tennie. Tehát egy atomerőműben a rotor percenként 3000 fordulatot tesz, ami egyszerűen 50 Hz-nek adja meg a generált áram frekvenciáját. A keletkező áram iránya megváltozik a szinuszos (harmonikus) törvény szerint.
A generátor tekercselése három részre oszlik, így a váltakozó áram háromfázisú.Ez azt jelenti, hogy az állórész tekercsének mindhárom részében a keletkező EMF egymáshoz képest 120 fokkal fáziseltolásra kerül. Az erőműben előállított feszültség effektív értéke a generátor típusától függően 6,3-36,75 kV lehet.
Az elektromos energia nagy távolságra történő átviteléhez, nagyfeszültségű vezetékek (PTL)… De ha az áramot átalakítás nélkül, ugyanazon a feszültségen továbbítják, mint a generátor, akkor az átvitel során az energiaveszteség óriási lesz, és gyakorlatilag semmi nem jut el a végfelhasználóhoz.
Az a tény, hogy az átviteli vezetékek energiavesztesége arányos az áramérték négyzetével, és egyenesen arányos a vezetékek ellenállásával (lásd A Joule-Lenz törvény). Ez azt jelenti, hogy a villamos energia hatékonyabb átviteléhez és elosztásához először a feszültséget többször meg kell növelni, hogy az áramerősséget ugyanannyival csökkentsük, és ezáltal jelentősen csökkentsük a szállítási veszteségeket. És csak a megnövekedett feszültségnek van értelme az elektromos vezetékekre való átvitelnek.
Ezért először az erőműből biztosítják a villamos energiát a transzformátor alállomásra... Itt a feszültséget 110-750 kV-ra emelik és csak ezután táplálják a vezetékekre. De a felhasználónak 220 vagy 380 voltra van szüksége, ezért a vezeték végén a nagyfeszültséget transzformátor alállomások segítségével visszavezetik 6-35 kV-ra.
A transzformátort a házunkhoz közeli alállomásra szerelik fel vagy építik be a házba. Itt a feszültség ismét csökken - 6-35 kV-ról 220 (380) voltra, amelyet már elosztanak a fogyasztóknak.A bemeneti elosztó eszközön keresztül vezetékek és kábelek hálózata válik szét különböző helyiségekbe.