Jak generátor funguje: fyzikální principy, zařízení, vlastnosti střídavých a stejnosměrných elektrických generátorů

Elektřina není primární energií volně přítomnou v přírodě ve významných množstvích a musí být vyrobena, aby mohla být použita v průmyslu a každodenním životě. Většinu tvoří zařízení, která přeměňují hnací sílu na elektrický proud – tak fungují generátory, zdroje mechanické energie, pro které lze využít parní a vodní turbíny, spalovací motory a dokonce i svalovou sílu osoba.

Historie a evoluce

Objevil jej Michael Faraday v roce 1831 zákony elektromagnetické indukce se staly základem pro konstrukci elektrických strojů. Ale před příchodem elektrického osvětlení nebylo potřeba technologii komercializovat. V raných spotřebitelích elektřiny, například v telegrafu, se jako zdroj energie používaly galvanické baterie. Byl to velmi nákladný způsob výroby elektřiny.

Na konci 19. století hledalo mnoho vynálezců aplikaci Faradayova principu indukce k mechanické výrobě elektřiny. Mezi důležité úspěchy patřil vývoj dynama Wernera von Siemense a výroba funkčních modelů generátorů Theophila Gramma Hippolytem Fontainem. První zařízení byla použita ve spojení s venkovními obloukovými osvětlovacími zařízeními známými jako Yablochkovovy svíčky.

Byly nahrazeny velmi úspěšným systémem žárovek Thomase Edisona. Jeho komerční elektrárny byly založeny na výkonných generátorech, ale okruh zabudovaný ve výrobě stejnosměrný proud, byl kvůli působivosti špatně vhodný pro distribuci energie na velké vzdálenosti ztráta tepla.

Nikola Tesla vyvinul vylepšený alternátor a také praktický indukční motor. Tyto elektrické stroje spolu s zvyšovacími a klesajícími transformátory poskytly základ pro pro vytváření větších distribučních sítí elektrotechnickými společnostmi využívajícími výkon elektrárny. Ve velkých systémech střídavého proudu byly náklady na výrobu a dopravu několikanásobně nižší, než v Edisonově schématu, které stimulovalo poptávku po elektřině a v důsledku toho další vývoj elektrotechniky stroje. Za hlavní data v historii generátorů lze považovat:

• 1820 g. - André-Marie Ampere objevil, že elektrický proud ovlivňuje magnetické pole;
• 1832 g. - Faraday vytvořil nejjednodušší unipolární generátor;
• 1849 g. - první použití pro napájení obloukových lamp majáků;
• 1866 g. - současný objev dynamoelektrického principu několika vynálezci;
• 1891 g. - ukázka komerčního stroje na výrobu vícefázového napětí;
• 1895 g. - spustila vodní elektrárnu v Niagara.

Princip činnosti

Elektromagnetické indukční generátory nevyrábějí elektřinu. Pomocí mechanické energie uvádějí do pohybu pouze elektrické náboje, které jsou vždy přítomné ve vodičích. Princip fungování elektrického generátoru lze přirovnat k vodnímu čerpadlu, které způsobuje proudění vody, ale nevytváří vodu v potrubí. Ohromující většina indukčních generátorů jsou rotační elektrické strojeskládající se ze dvou hlavních složek:

• stator (nehybná část);
• rotor (rotující část).

Pro ilustraci toho, jak elektrický generátor funguje, může posloužit jednoduchý elektrický stroj, sestávající z cívky drátu a magnetu ve tvaru U. Hlavní základní prvky tohoto modelu:

• magnetické pole;
• pohyb vodiče v magnetickém poli.

Magnetické pole je oblast kolem magnetu, kde je cítit jeho síla. Pro lepší pochopení fungování modelu si můžete představit siločáry vycházející ze severního pólu magnetu a vracející se k jižnímu pólu. Čím silnější je magnet, tím více siločar vytváří. Pokud se cívka začne otáčet mezi póly, pak obě její strany začnou protínat pomyslné magnetické čáry. To způsobí pohyb elektronů ve vodiči (výroba elektřiny).

V souladu s pravidlem pravé ruky se při otáčení cívky v ní indukuje proud, který mění svůj směr každou půl otáčku, protože siločáry po stranách smyčky se budou protínat v jedné nebo v druhé směr. Cívka dvakrát za každou otáčku prochází polohami (rovnoběžně s póly), ve kterých nedochází k elektromagnetické indukci. Nejjednodušší generátor tedy funguje jako elektrický stroj, který vyrábí střídavý proud. Stres, který vytváří, lze změnit:

• síla magnetického pole;
• rychlost otáčení cívky;
• počet závitů drátu protínajících siločáry magnetického pole.

Vinutí vodiče mezi póly magnetu má ještě jeden důležitý efekt. Když proud protéká smyčkou, vytváří elektromagnetické pole opačné k poli permanentního magnetu. A čím více elektřiny se v cívce indukuje, tím silnější je magnetické pole a odpor proti otáčení vodiče. Stejná magnetická síla v otáčkách způsobuje otáčení rotoru elektromotoru, to znamená, že za určitých podmínek mohou generátory pracovat jako motory a naopak.

Vlastnosti generátorů střídavého proudu

Střídavý proud (AC) vyrábí nejjednodušší popsaný generátor. Aby byla vyrobená elektřina použitelná, musí se nějak dodat do zátěže. To se provádí kontaktní sestavou na hřídeli, která se skládá z rotujících kroužků a pevných uhlíkových částí, nazývaných kartáče, které se po nich nasouvají. Každý konec rotujícího vodiče je připojen k odpovídajícímu kroužku a takto vytvořený proud v cívce prochází kroužky a kartáči do zátěže.

Konstrukce průmyslových strojů

Praktické generátory se liší od těch nejjednodušších. Bývají vybaveny budičem – pomocným generátorem, který dodává stejnosměrný proud elektromagnetům sloužícím k vytvoření magnetického pole v generátoru.

Místo cívky v nejjednodušším modelu jsou praktická zařízení vybavena vinutím měděného drátu a roli magnetu hrají cívky na železných jádrech. U většiny alternátorů jsou elektromagnety, které vytvářejí střídavé pole, umístěny na rotoru a elektřina se indukuje v cívkách statoru.

V takových zařízeních se kolektor používá k přenosu stejnosměrného proudu z budiče na magnety. To značně zjednodušuje konstrukci, protože je pohodlnější přenášet slabé proudy přes kartáče a přijímat vysoké napětí ze stacionárních statorových vinutí.

Aplikace v sítích

U některých strojů je počet sekcí vinutí stejný jako počet elektromagnetů. Ale většina generátorů střídavého proudu je vybavena třemi sadami cívek pro každý pól. Takové stroje produkují tři proudy elektřiny a nazývají se třífázové. Jejich výkonová hustota je výrazně vyšší než u jednofázových.

V elektrárnách se generátory střídavého proudu používají jako měniče mechanické energie na energii elektrickou. Střídavé napětí lze totiž snadno zvýšit nebo snížit pomocí transformátoru. Ve velkých generátorech se vyrábí napětí asi 20 tisíc metrů. volt. Pak stoupá o více než řád pro možnost transportu elektřiny na velké vzdálenosti. Řada snižovacích transformátorů vytváří napětí vhodné pro použití v místě, kde se používá elektřina.

Zařízení Dynamo

Cívka drátu rotující mezi póly magnetu mění póly na koncích vodiče dvakrát za každou otáčku. Chcete-li změnit nejjednodušší model na generátor stejnosměrného proudu, musíte udělat dvě věci:

• odebírat proud ze smyčky do zátěže;
• organizovat tok odkloněného proudu pouze jedním směrem.

Role sběratele

Zařízení zvané manifold umí obojí. Jeho rozdíl od sestavy kontaktního kartáče je v tom, že jeho základnou není vodivý kroužek, ale sada vzájemně izolovaných segmentů. Každý konec rotačního obvodu je připojen k příslušnému sektoru kolektoru a dva pevné uhlíkové kartáče odvádějí elektrický proud z komutátoru.

Kolektor je konstruován tak, že bez ohledu na polaritu na koncích smyčky a fázi otáčení rotoru, kontaktní skupina poskytuje proud v požadovaném směru při jeho přenosu na zátěž. Vinutí v praktických dynamech se skládají z mnoha segmentů, proto u stejnosměrných generátorů v důsledku nutnost jejich komutace se ukázal obvod, ve kterém se kotva s indukovatelnými cívkami otáčí v magnetickém poli. vhodnější.

Napájení elektromagnetů

Klasická dynama využívají k indukci pole permanentní magnet. Zbytek stejnosměrných generátorů potřebuje energii pro elektromagnety. V tzv. separátně buzených generátorech se k tomu používají externí zdroje stejnosměrného proudu. Samobuzená zařízení realizují část vlastní generované elektřiny pro ovládání elektromagnetů. Spouštění takových generátorů po zastavení závisí na jejich schopnosti akumulovat zbytkový magnetismus. Podle způsobu připojení budicích cívek s vinutím kotvy se dělí:

• bočník (s paralelním buzením);
• Sériový (se sekvenčním buzením);
• smíšené buzení (s kombinací bočníku a sekvenčního).

Typy buzení se používají v závislosti na požadovaném řízení napětí. Například generátory používané k nabíjení baterií potřebují jednoduché ovládání napětí. V tomto případě by byl vhodný typ bočníku. Samostatně buzený generátor se používá jako stroj, který generuje energii pro osobní výtah, protože takové systémy vyžadují složité řízení.

Použití kolektorových generátorů

Mnoho stejnosměrných generátorů je poháněno střídavými motory v kombinacích nazývaných motorgenerátorové sady. Toto je jeden způsob, jak změnit AC na DC. Pokovovací závody, které vyrábějí hliník, chlór a některé další materiály elektrochemicky, vyžadují hodně stejnosměrného proudu.

Dieselové generátory také dodávají stejnosměrný proud do lokomotiv a lodí. Protože kolektory jsou složitá a nespolehlivá zařízení, stejnosměrné generátory jsou často nahrazovány stroji, které produkují střídavý proud v kombinaci s elektronickými. Spínací generátory našly uplatnění v sítích s nízkým výkonem, umožňují použití dynama s permanentním magnetem bez budicích obvodů.

Existují i ​​jiné typy zařízení, která jsou schopna vyrábět elektřinu. Patří sem elektrochemické baterie, termoelektrické a fotovoltaické články, měniče paliva. Ale ve srovnání s AC/DC indukčními generátory je jejich podíl na celosvětové produkci energie zanedbatelný.