Generaatori tööpõhimõte: vahelduv- ja alalisvoolu elektrigeneraatorite füüsikalised põhimõtted, seade, omadused

Elekter ei ole looduses olulises koguses vabalt esinev primaarenergia ning seda tuleb toota tööstuses ja igapäevaelus kasutamiseks. Suurema osa sellest loovad seadmed, mis muudavad liikumapaneva jõu elektrivooluks - nii töötavad generaatorid, mehaanilise energia allikad, mille jaoks saab kasutada auru- ja veeturbiine, sisepõlemismootoreid ja isegi lihasjõudu isik.

Ajalugu ja evolutsioon

Michael Faraday avastas 1831. aastal elektromagnetilise induktsiooni seadused said elektrimasinate ehitamise aluseks. Kuid enne elektrivalgustuse tulekut ei olnud vaja seda tehnoloogiat kommertsialiseerida. Varasematel elektritarbijatel, näiteks telegraafis, kasutati toiteallikana galvaanilisi patareisid. See oli väga kallis viis elektri tootmiseks.

19. sajandi lõpus otsisid paljud leiutajad Faraday induktsiooniprintsiibi rakendust elektri mehaaniliseks tootmiseks. Mõned olulised saavutused olid Werner von Siemensi dünamo väljatöötamine ja Theophilus Grammi generaatorite töömudelite tootmine Hippolyte Fontaine'i poolt. Esimesi seadmeid kasutati koos välistingimustes kasutatavate kaarvalgustusseadmetega, mida tuntakse Yablochkovi küünaldena.

Need asendati Thomas Edisoni ülieduka hõõglambisüsteemiga. Selle kaubanduslikud elektrijaamad põhinesid võimsatel generaatoritel, kuid vooluring oli sisse ehitatud tootmisse alalisvool, sobis muljetavaldava tõttu halvasti voolu jaotamiseks pikkadel vahemaadel soojuskadu.

Nikola Tesla töötas välja täiustatud generaatori ja praktilise asünkroonmootori. Need elektrimasinad koos tõusu- ja alandustrafodega andsid aluse võimsate elektriettevõtete poolt suuremate jaotusvõrkude loomiseks Elektrijaamad. Suurtes vahelduvvoolusüsteemides olid tootmis- ja transpordikulud mitu korda madalamad, kui Edisoni skeemil, mis stimuleeris nõudlust elektri järele ja selle tulemusena elektrienergia edasist arengut. masinad. Generaatorite ajaloo peamisi kuupäevi võib pidada:

• 1820 g. - André-Marie Ampere avastas, et elektrivool mõjutab magnetvälja;
• 1832 g. - Faraday kõige lihtsama unipolaarse generaatori loomine;
• 1849 g. - esmakordne kasutamine majakate kaarlampide toiteks;
• 1866 g. - dünamo-elektrilise põhimõtte samaaegne avastamine mitme leiutaja poolt;
• 1891 g. - kaubandusliku masina demonstreerimine mitmefaasilise pinge tootmiseks;
• 1895 g. - käivitas Niagaras hüdroelektrijaama.

Toimimispõhimõte

Elektromagnetilise induktsiooni generaatorid ei tooda elektrit. Mehaanilise energia abil panevad nad liikuma ainult elektrilaengud, mis juhtides alati olemas on. Elektrigeneraatori tööpõhimõtet võib võrrelda veepumbaga, mis paneb küll vee voolama, kuid ei tekita torudesse vett. Ülekaalukas enamik induktsioongeneraatoreid on pöörlevad elektrimasinadkoosneb kahest põhikomponendist:

• staator (statsionaarne osa);
• rootor (pöörlev osa).

Elektrigeneraatori töö illustreerimiseks võib kasutada lihtsat elektrimasinat, mis koosneb juhtmepoolist ja U-kujulisest magnetist. Selle mudeli peamised põhielemendid:

• magnetväli;
• juhi liikumine magnetväljas.

Magnetväli on magneti ümbritsev ala, kus on tunda selle tugevust. Mudeli toimimise paremaks mõistmiseks võite ette kujutada, kuidas jõujooned väljuvad magneti põhjapoolusest ja naasevad lõunapoolusele. Mida tugevam on magnet, seda rohkem jõujooni see loob. Kui mähis hakkab pooluste vahel pöörlema, siis hakkavad selle mõlemad pooled ristuma kujuteldavate magnetjoontega. See põhjustab elektronide liikumise juhis (elektri teke).

Vastavalt parema käe reeglile indutseeritakse mähise pöörlemisel selles vool, mis muudab selle suunda iga poole pöörde järel, kuna silmuse külgede jõujooned ristuvad ühes või teises suunas. Kaks korda igas pöördes läbib mähis positsioone (poolustega paralleelselt), kus elektromagnetilist induktsiooni ei toimu. Seega töötab kõige lihtsam generaator nagu elektrimasin, mis toodab vahelduvvoolu. Selle tekitatavat stressi saab muuta:

• magnetvälja tugevus;
• pooli pöörlemiskiirus;
• magnetvälja jõujooni ületava juhtme keerdude arv.

Juhi mähisel magneti pooluste vahel on veel üks oluline mõju. Kui vool liigub ahelas, tekitab see elektromagnetvälja, mis on vastupidine püsimagneti väljale. Ja mida rohkem elektrit mähises indutseeritakse, seda tugevam on magnetväli ja takistus juhi pööramisel. Sama magnetjõud pööretes paneb elektrimootori rootori pöörlema ​​ehk teatud tingimustel võivad generaatorid töötada mootoritena ja vastupidi.

Vahelduvvoolu generaatorite omadused

Vahelduvvoolu (AC) toodab kõige lihtsam kirjeldatud generaator. Selleks, et toodetud elekter oleks kasutuskõlbulik, tuleb see kuidagi koormani toimetada. Seda tehakse võllil oleva kontaktsõlmega, mis koosneb pöörlevatest rõngastest ja fikseeritud süsinikosadest, mida nimetatakse harjadeks, mis libisevad üle nende. Pöörleva juhi kumbki ots on ühendatud vastava rõngaga ja niimoodi mähises tekkiv vool juhitakse läbi rõngaste ja harjade koormusele.

Tööstusmasinate ehitus

Praktilised generaatorid erinevad kõige lihtsamatest. Tavaliselt on need varustatud ergutiga – abigeneraatoriga, mis varustab generaatoris magnetvälja tekitamiseks kasutatavate elektromagnetitega alalisvoolu.

Lihtsaima mudeli mähise asemel on praktilised seadmed varustatud vasktraadi mähistega ning magneti rolli täidavad raudsüdamike mähised. Enamikus vahelduvvoolugeneraatorites asetatakse rootorile vahelduvat välja tekitavad elektromagnetid ja staatori poolidesse indutseeritakse elekter.

Sellistes seadmetes kasutatakse kollektorit alalisvoolu ülekandmiseks ergutist magnetitele. See lihtsustab oluliselt disaini, kuna harjade kaudu on mugavam edastada nõrku voolu ja saada statsionaarsetest staatorimähistest kõrget pinget.

Rakendus võrkudes

Mõnes masinas on mähiste sektsioonide arv sama kui elektromagnetite arv. Kuid enamik vahelduvvoolu generaatoreid on varustatud kolme pooluse komplektiga iga pooluse jaoks. Sellised masinad toodavad kolme elektrivoolu ja neid nimetatakse kolmefaasilisteks. Nende võimsustihedus on oluliselt suurem kui ühefaasilistel.

Elektrijaamades kasutatakse vahelduvvoolu generaatoreid mehaanilise energia muundurina elektrienergiaks. Selle põhjuseks on asjaolu, et vahelduvvoolu pinget saab trafo abil kergesti suurendada või vähendada. Suurtes generaatorites toodetakse umbes 20 tuhande meetri pinget. volt. Siis tõuseb see enam kui suurusjärgu võrra, kuna on võimalik elektrit pikkade vahemaade taha transportida. Alandavate trafode seeria loob elektritarbimise kohas kasutamiseks sobiva pinge.

Dünamo seade

Magneti pooluste vahel pöörlev traadipool muudab juhtme otstes olevaid poolusi iga pöörde kohta kaks korda. Lihtsaima mudeli muutmiseks alalisvoolugeneraatoriks peate tegema kahte asja:

• võtke vool ahelast koormusele;
• korraldada ümbersuunatud voolu voolu ainult ühes suunas.

Koguja roll

Seade, mida nimetatakse kollektoriks, saab teha mõlemat. Selle erinevus kontaktharja komplektist seisneb selles, et selle alus ei ole juhirõngas, vaid üksteisest eraldatud segmentide komplekt. Pöörlemisahela kumbki ots on ühendatud kollektori vastava sektoriga ning kaks fikseeritud söeharja eemaldavad kommutaatorist elektrivoolu.

Kollektor on konstrueeritud nii, et sõltumata ahela otste polaarsusest ja rootori pöörlemisfaasist annab kontaktgrupp voolu koormusele ülekandmisel soovitud suunaga. Praktiliste dünamo mähised koosnevad paljudest segmentidest, mistõttu alalisvoolugeneraatorite jaoks vajadus nende kommutatsiooni järele, lülitus, milles indutseeritavate mähistega armatuur magnetväljas pöörleb, osutus eelistatav.

Elektromagnetite toiteallikas

Klassikalistes dünamodes kasutatakse välja esilekutsumiseks püsimagnetit. Ülejäänud alalisvoolugeneraatorid vajavad elektromagnetitele toidet. Nn eraldi ergastavates generaatorites kasutatakse selleks väliseid alalisvooluallikaid. Iseergastuvad seadmed realiseerivad osa ise toodetud elektrist, et juhtida elektromagneteid. Selliste generaatorite käivitamine pärast seiskamist sõltub nende võimest koguda jääkmagnetismi. Sõltuvalt ergutusmähiste ankru mähistega ühendamise meetodist jaotatakse need:

• šunt (paralleelergutusega);
• jada (järjestikulise ergastusega);
• segaergastus (koos šundi ja järjestikuse kombinatsiooniga).

Ergastustüüpe rakendatakse sõltuvalt nõutavast pinge juhtimisest. Näiteks akude laadimiseks kasutatavad generaatorid vajavad lihtsat pinge juhtimist. Sel juhul sobiks šundi tüüp. Reisilifti jaoks energiat genereeriva masinana kasutatakse eraldi ergastavat generaatorit, kuna sellised süsteemid nõuavad keerukat juhtimist.

Kollektorgeneraatorite kasutamine

Paljud alalisvoolugeneraatorid töötavad vahelduvvoolumootoritega kombinatsioonides, mida nimetatakse mootorigeneraatoriteks. See on üks viis vahelduvvoolu muutmiseks alalisvooluks. Alumiiniumi, kloori ja mõningaid muid materjale elektrokeemiliselt tootvad plaadistustehased vajavad palju alalisvoolu.

Diiselgeneraatorid varustavad alalisvoolu ka veduritele ja laevadele. Kuna kollektorid on keerulised ja ebausaldusväärsed seadmed, asendatakse alalisvoolugeneraatorid sageli masinatega, mis toodavad vahelduvvoolu koos elektrooniliste seadmetega. Lülitusgeneraatorid on leidnud rakendust väikese võimsusega võrkudes, võimaldades kasutada püsimagnetdünamo ilma ergutusahelateta.

On ka teist tüüpi seadmeid, mis on võimelised elektrit tootma. Nende hulka kuuluvad elektrokeemilised akud, termo- ja fotogalvaanilised elemendid, kütusemuundurid. Kuid võrreldes AC / DC induktsioongeneraatoritega on nende osa globaalses energiatootmises tühine.