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:
www.zst.olecko.pl/p4/ap/elmag/pradnica.html
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 ? 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.
Całkowity strumień magnetyczny przenikający przez ramkę wyraża się wzorem :
Ponieważ kąt alfa jest zależny od czasu i wyraża się wzorem:
Nasz wzór na strumień przyjmie ostatecznie postać:
Z prawa Faraday’a wiemy że siła elektromotoryczna e wyraża się wzorem :
Więc siła elektromotoryczna wytwarzająca się w ramce po scałkowaniu 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 :
