7.4 Generaattori ja vaihtovirta
Generaattori, muuntaja ja vaihtovirta
Generaattorin tuottama vaihtojännite
Kun N-kierroksinen käämi pyörii kierrostaajuudella f homogeenisessä magneettikentässä, siihen indusoituu jännite e, joka vaihtelee sinimuotoisesti ajan suhteen
[[$ \quad e=2\pi fNAB \sin (2 \pi f t) $]].Jännitteen huippuarvo on [[$ \hat e=2\pi fNAB $]]. Tämän avulla generaattorin jännite ilmaistaan muodossa
[[$ \quad e=\hat e \sin (2 \pi f t) $]].
Vaihtojännite synnyttää vastuksessa vaihtovirran, joka vaihtelee sinimuotoisesti, kuten vaihtojännite. Vaihtovirralla ja -jännitteellä on suurimmat arvot eli huippuarvot, sekä tehollinen arvot, jotka määrittävät komponentin tehontuoton.
Kuvaajassa jännite, virta ja teho ajan funktioina, kun 0,5 Ohmin vastus on kytkettynä 0,5 Hz:n vaihtojännitteeseen. Huippuarvot ovat 1 V ja 2 A. Keskimääräinen teho 1 W. Huomaa että vastus noudattaa Ohmin lakia joka hetkellä.
Vastuksen teho vaihtojännitteessä
Sähkövirran ja jännitteen teholliset arvot [[$U_\text{eff}$]] ja [[$I_\text{eff}$]] tarkoittavat niitä tasavirran ja jännitteen arvoja, joilla vastus tuottaisi yhtä suuren tehon kuin vaihtojännitteessä. Teholliset arvot lasketaan virran ja jännitteen huippuarvojen [[$\hat i$]] ja [[$\hat u$]] perusteella seuraavasti:
[[$ \quad I_{\text{eff}}=\dfrac{\hat i}{\sqrt 2} $]][[$ \quad U_{\text{eff}}=\dfrac{\hat u}{\sqrt 2} $]].
Vastuksen kuluttama keskimääräinen teho vaihtojännitteessä on:
[[$ \quad P=U_{\text{eff}}I_{\text{eff}} $]].
Vaihtojännitteen suuruutta voidaan muuttaa muuntajalla. Muuntaminen on erityisen tärkeää energian siirrossa, sillä kun muunnetaan jännite hyvin korkeaksi, sähkövirta alenee ja tehohäviöt siirtojohtimissa pienenevät. Sähkölaitteita varten jännite muunnetaan taas alemmaksi. Sähkölaitteiden käyttöjännite voi olla 230 verkkojännite tai alempi (esim. elektroniikka yleensä).
Muuntajassa on kaksi käämiä, joilla on yhteinen rautasydän. Käämit ovat induktiivisesti kytketyt. Ensiökäämin sähkövirran muutokset aiheuttavat muutoksia sen magneettikentässä. Magneettivuo läpäisee toisiokäämin ja muutokset siinä synnyttävät induktiojännitteen toisiokäämiin.
Muuntaja
Muuntaja koostuu kahdesta käämistä, joilla on yhteinen rautasydän. Muuntaja muuntaa ensiökäämin tehollisen jännitteen U1 toisiopuolen jännitteeksi U2 käämien kierroslukujen (N1 ja N2) suhteessa. Ideaalissa muuntajassa hyötysuhde on lähes yksi, joten sähkövirran suuruus muuntuu käänteisesti jännitteeseen nähden:
[[$ \quad \dfrac {U_1}{U_2}=\dfrac {N_1}{N_2}=\dfrac {I_2}{I_1} $]].