Wie der Generator funktioniert: physikalische Prinzipien, Gerät, Eigenschaften von Wechselstrom- und Gleichstromgeneratoren

Strom ist nicht die Primärenergie, die in signifikanten Mengen frei in der Natur vorhanden ist, sondern muss für die Nutzung in Industrie und Alltag erzeugt werden. Das meiste davon wird von Geräten erzeugt, die die treibende Kraft in elektrischen Strom umwandeln - so funktionieren Generatoren, mechanische Energiequellen, für die Dampf- und Wasserturbinen, Verbrennungsmotoren und sogar Muskelkraft genutzt werden können Person.

Geschichte und Entwicklung

Entdeckt von Michael Faraday im Jahr 1831 Die Gesetze der elektromagnetischen Induktion wurden zur Grundlage für den Bau elektrischer Maschinen. Aber vor dem Aufkommen der elektrischen Beleuchtung bestand keine Notwendigkeit, die Technologie zu kommerzialisieren. Bei frühen Stromverbrauchern, zum Beispiel im Telegrafen, wurden galvanische Batterien als Stromquelle verwendet. Dies war eine sehr teure Art der Stromerzeugung.

Ende des 19. Jahrhunderts suchten viele Erfinder nach einer Anwendung des Faradayschen Induktionsprinzips zur mechanischen Stromerzeugung. Einige der wichtigsten Errungenschaften waren die Entwicklung des Dynamos durch Werner von Siemens und die Herstellung von Arbeitsmodellen von Theophilus-Gramm-Generatoren durch Hippolyte Fontaine. Die ersten Geräte wurden in Verbindung mit Lichtbogenbeleuchtungsgeräten für den Außenbereich verwendet, die als Yablochkov-Kerzen bekannt sind.

Sie wurden durch das sehr erfolgreiche Glühlampensystem von Thomas Edison ersetzt. Seine kommerziellen Kraftwerke basierten auf leistungsstarken Generatoren, aber die Schaltung wurde in der Produktion gebaut Gleichstrom, war für die Energieverteilung über weite Strecken aufgrund der beeindruckenden Hitzeverlust.

Nikola Tesla entwickelte eine verbesserte Lichtmaschine sowie einen praktischen Induktionsmotor. Diese elektrischen Maschinen bildeten zusammen mit Aufwärts- und Abwärtstransformatoren die Grundlage für zum Aufbau größerer Verteilnetze durch Energieversorger mit leistungsstarken Kraftwerke. In großen Wechselstromnetzen waren die Erzeugungs- und Transportkosten um ein Vielfaches niedriger, als in Edisons Schema, das die Nachfrage nach Elektrizität und damit die Weiterentwicklung der elektrischen Maschinen. Die wichtigsten Daten in der Geschichte der Generatoren können berücksichtigt werden:

• 1820 gr. - André-Marie Ampere entdeckte, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst;
• 1832 gr. - Schaffung des einfachsten unipolaren Generators durch Faraday;
• 1849 gr. - die erste Verwendung für die Stromversorgung von Bogenlampen von Baken;
• 1866 gr. - die gleichzeitige Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch mehrere Erfinder;
• 1891 gr. - Vorführung einer kommerziellen Maschine zur Erzeugung von Mehrphasenspannung;
• 1895 gr. - ein Wasserkraftwerk in Niagara in Betrieb genommen.

Arbeitsprinzip

Elektromagnetische Induktionsgeneratoren erzeugen keinen Strom. Sie setzen mit Hilfe mechanischer Energie nur elektrische Ladungen in Bewegung, die in Leitern immer vorhanden sind. Das Prinzip eines elektrischen Generators kann mit einer Wasserpumpe verglichen werden, die Wasser zum Fließen bringt, aber kein Wasser in den Rohren erzeugt. Überwältigend Die meisten Induktionsgeneratoren sind rotierende elektrische Maschinenbestehend aus zwei Hauptkomponenten:

• Stator (stationärer Teil);
• Rotor (rotierendes Teil).

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise eines elektrischen Generators kann eine einfache elektrische Maschine, bestehend aus einer Drahtspule und einem U-förmigen Magneten, dienen. Die wichtigsten Grundelemente dieses Modells:

• ein magnetisches Feld;
• Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld.

Ein Magnetfeld ist der Bereich um einen Magneten, in dem seine Stärke spürbar ist. Um die Funktionsweise des Modells besser zu verstehen, können Sie sich die Kraftlinien vorstellen, die vom Nordpol des Magneten ausgehen und zum Südpol zurückkehren. Je stärker der Magnet, desto mehr Kraftlinien erzeugt er. Wenn sich die Spule zwischen den Polen zu drehen beginnt, beginnen beide Seiten, die imaginären magnetischen Linien zu schneiden. Dies bewirkt die Bewegung von Elektronen im Leiter (Stromerzeugung).

Nach der Regel der rechten Hand wird beim Drehen der Spule ein Strom induziert, der seine Richtung ändert jede halbe Umdrehung, da sich die Kraftlinien an den Seiten der Schleife in der einen oder anderen schneiden Richtung. Zweimal bei jeder Umdrehung durchläuft die Spule Positionen (parallel zu den Polen), an denen keine elektromagnetische Induktion auftritt. Somit funktioniert der einfachste Generator wie eine elektrische Maschine, die Wechselstrom erzeugt. Der dadurch erzeugte Stress kann verändert werden durch:

• magnetische Feldstärke;
• Spulendrehzahl;
• die Anzahl der Drahtwindungen, die die Kraftlinien des Magnetfelds kreuzen.

Die Wicklung eines Leiters zwischen den Polen eines Magneten hat einen weiteren wichtigen Effekt. Wenn ein Strom in einer Schleife fließt, erzeugt er ein elektromagnetisches Feld, das dem Feld eines Permanentmagneten entgegengesetzt ist. Und je mehr Strom in der Spule induziert wird, desto stärker ist das Magnetfeld und der Widerstand gegen das Drehen des Leiters. Die gleiche Magnetkraft in den Windungen bewirkt eine Drehung des Rotors des Elektromotors, dh Generatoren können unter bestimmten Bedingungen als Motoren arbeiten und umgekehrt.

Merkmale von Wechselstromgeneratoren

Wechselstrom (AC) wird durch den einfachsten beschriebenen Generator erzeugt. Damit der erzeugte Strom nutzbar ist, muss er irgendwie an den Verbraucher geliefert werden. Dies geschieht mit einer Kontaktbaugruppe auf der Welle, die aus rotierenden Ringen und darüber gleitenden festen Kohleteilen, sogenannten Bürsten, besteht. Jedes Ende des rotierenden Leiters ist mit einem entsprechenden Ring verbunden, und der so in der Spule erzeugte Strom wird durch die Ringe und Bürsten zur Last geleitet.

Bau von Industriemaschinen

Praktische Generatoren unterscheiden sich von den einfachsten. Sie sind normalerweise mit einem Erreger ausgestattet - einem Hilfsgenerator, der Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfelds im Generator mit Gleichstrom versorgt.

Anstelle einer Spule im einfachsten Modell sind praktische Geräte mit Kupferdrahtwicklungen ausgestattet, und die Rolle eines Magneten spielen Spulen auf Eisenkernen. Bei den meisten Generatoren werden Elektromagnete, die ein Wechselfeld erzeugen, auf den Rotor gelegt und in den Statorspulen wird elektrische Energie induziert.

In solchen Geräten wird der Kollektor verwendet, um Gleichstrom vom Erreger zu den Magneten zu übertragen. Dies vereinfacht die Konstruktion stark, da es bequemer ist, schwache Ströme durch die Bürsten zu übertragen und Hochspannung von den stationären Statorwicklungen zu empfangen.

Anwendung in Netzwerken

Bei einigen Maschinen entspricht die Anzahl der Wicklungsabschnitte der Anzahl der Elektromagnete. Die meisten Wechselstromgeneratoren sind jedoch mit drei Spulensätzen für jeden Pol ausgestattet. Solche Maschinen erzeugen drei Stromströme und werden als dreiphasig bezeichnet. Ihre Leistungsdichte ist deutlich höher als bei einphasigen.

In Kraftwerken werden Wechselstromgeneratoren als Wandler von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Wechselspannung mit einem Transformator leicht erhöht oder verringert werden kann. In großen Generatoren wird eine Spannung von etwa 20.000 Metern erzeugt. Volt. Dann steigt sie um mehr als eine Größenordnung für die Möglichkeit, Strom über weite Strecken zu transportieren. Eine Reihe von Abwärtstransformatoren wird verwendet, um eine Spannung zu erzeugen, die für den Einsatz am Ort des Stromverbrauchs geeignet ist.

Dynamo-Gerät

Eine Drahtspule, die sich zwischen den Polen eines Magneten dreht, ändert die Pole an den Enden des Leiters bei jeder Umdrehung zweimal. Um das einfachste Modell in einen Gleichstromgenerator zu verwandeln, müssen Sie zwei Dinge tun:

• nehmen Sie den Strom von der Schleife zur Last;
• organisieren den Fluss des abgeleiteten Stroms nur in eine Richtung.

Die Rolle des Sammlers

Ein Gerät namens Manifold kann beides. Der Unterschied zur Kontaktbürstenanordnung besteht darin, dass ihre Basis kein Leiterring ist, sondern ein Satz voneinander isolierter Segmente. Jedes Ende des rotierenden Kreises ist mit dem entsprechenden Sektor des Kollektors verbunden, und zwei stationäre Kohlebürsten entfernen den elektrischen Strom vom Kommutator.

Der Kollektor ist so ausgelegt, dass die Kontaktgruppe unabhängig von der Polarität an den Schleifenenden und der Drehphase des Rotors den Strom mit der gewünschten Richtung bei der Weiterleitung an die Last bereitstellt. Die Wicklungen in praktischen Dynamos bestehen aus vielen Segmenten, daher bei Gleichstromgeneratoren aufgrund von die Notwendigkeit ihrer Kommutierung, der Stromkreis, in dem sich der Anker mit induzierbaren Spulen in einem Magnetfeld dreht, erwies sich als bevorzugt.

Stromversorgung von Elektromagneten

Klassische Dynamos verwenden einen Permanentmagneten, um ein Feld zu induzieren. Der Rest der Gleichstromgeneratoren benötigt Strom für die Elektromagnete. Bei sogenannten fremderregten Generatoren werden dazu externe Gleichstromquellen verwendet. Selbsterregte Geräte realisieren einen Teil der selbsterzeugten Elektrizität, um die Elektromagnete zu steuern. Das Starten solcher Generatoren nach dem Stoppen hängt von ihrer Fähigkeit ab, Restmagnetismus anzusammeln. Je nach Art der Verbindung der Erregerspulen mit den Ankerwicklungen werden sie unterteilt:

• Shunt (mit paralleler Erregung);
• Seriell (mit sequentieller Anregung);
• gemischte Erregung (mit einer Kombination aus Shunt und sequentiellem).

Erregungsarten werden in Abhängigkeit von der erforderlichen Spannungssteuerung angewendet. Generatoren zum Laden von Batterien benötigen beispielsweise eine einfache Spannungssteuerung. In diesem Fall wäre der Shunt-Typ ein geeigneter Typ. Als Energieerzeugungsmaschine für einen Personenaufzug kommt ein fremderregter Generator zum Einsatz, da solche Systeme eine komplexe Steuerung erfordern.

Der Einsatz von Kollektorgeneratoren

Viele Gleichstromgeneratoren werden von Wechselstrommotoren in Kombinationen angetrieben, die als Motorgeneratorsätze bezeichnet werden. Dies ist eine Möglichkeit, AC in DC zu ändern. Beschichtungsanlagen, die elektrochemisch Aluminium, Chlor und einige andere Materialien herstellen, benötigen viel Gleichstrom.

Dieselgeneratoren versorgen auch Lokomotiven und Schiffe mit Gleichstrom. Da Kollektoren komplexe und unzuverlässige Geräte sind, werden Gleichstromgeneratoren oft durch Maschinen ersetzt, die in Kombination mit elektronischen Wechselstrom erzeugen. In Niederleistungsnetzen haben Schaltgeneratoren Anwendung gefunden, die den Einsatz eines Permanentmagnet-Dynamos ohne Erregerkreise ermöglichen.

Es gibt andere Arten von Geräten, die Strom erzeugen können. Dazu gehören elektrochemische Batterien, thermoelektrische und photovoltaische Zellen, Brennstoffkonverter. Aber im Vergleich zu AC/DC-Induktionsgeneratoren ist ihr Anteil an der weltweiten Energieproduktion vernachlässigbar.