Come funziona il generatore: principi fisici, dispositivo, caratteristiche dei generatori elettrici AC e DC

L'energia elettrica non è l'energia primaria liberamente presente in natura in quantità significative, e deve essere prodotta per essere utilizzata nell'industria e nella vita quotidiana. La maggior parte è creata da dispositivi che convertono la forza motrice in corrente elettrica: ecco come funzionano i generatori, fonti di energia meccanica per le quali possono essere utilizzate turbine a vapore e ad acqua, motori a combustione interna e persino forza muscolare persona.

Storia ed evoluzione

Scoperta da Michael Faraday nel 1831 le leggi dell'induzione elettromagnetica divennero la base per la costruzione di macchine elettriche. Ma prima dell'avvento dell'illuminazione elettrica, non c'era bisogno di commercializzare la tecnologia. Nei primi consumatori di elettricità, ad esempio, nel telegrafo, le batterie galvaniche venivano utilizzate come fonte di alimentazione. Questo era un modo molto costoso per generare elettricità.

Alla fine del 19° secolo, molti inventori cercavano un'applicazione del principio di induzione di Faraday per generare elettricità meccanicamente. Alcuni dei risultati importanti furono lo sviluppo della dinamo di Werner von Siemens e la produzione da parte di Hippolyte Fontaine di modelli funzionanti dei generatori di Theophilus Gramm. I primi dispositivi sono stati utilizzati in combinazione con dispositivi di illuminazione ad arco per esterni noti come candele Yablochkov.

Sono stati sostituiti dal sistema di lampade a incandescenza di grande successo di Thomas Edison. Le sue centrali elettriche commerciali erano basate su potenti generatori, ma il circuito costruito in produzione corrente continua, era poco adatto per la distribuzione di energia su lunghe distanze a causa dell'impressionante perdita di calore.

Nikola Tesla ha sviluppato un alternatore migliorato e un pratico motore a induzione. Queste macchine elettriche, insieme ai trasformatori step-up e step-down, hanno fornito la base per per la realizzazione di reti di distribuzione più ampie da parte delle aziende elettriche che utilizzano potenti centrali elettriche. Nei grandi sistemi di alimentazione CA, i costi di generazione e trasporto erano molte volte inferiori, rispetto allo schema di Edison, che ha stimolato la domanda di energia elettrica e, di conseguenza, l'ulteriore evoluzione dell'energia elettrica macchine. Le date principali nella storia dei generatori possono essere considerate:

• 1820 gr. - André-Marie Ampere ha scoperto che una corrente elettrica influenza un campo magnetico;
• 1832 gr. - creazione da parte di Faraday del più semplice generatore unipolare;
• 1849 gr. - il primo utilizzo per l'alimentazione di lampade ad arco di fari;
• 1866 gr. - la contemporanea scoperta del principio dinamo-elettrico da parte di più inventori;
• 1891 gr. - dimostrazione di una macchina commerciale per la produzione di tensione multifase;
• 1895 gr. - ha lanciato una centrale idroelettrica a Niagara.

Principio di funzionamento

I generatori di induzione elettromagnetica non generano elettricità. Con l'aiuto dell'energia meccanica, mettono in moto solo cariche elettriche che sono sempre presenti nei conduttori. Il principio di funzionamento di un generatore elettrico può essere paragonato a una pompa dell'acqua che fa scorrere l'acqua, ma non crea acqua nei tubi. Stragrande la maggior parte dei generatori a induzione sono macchine elettriche rotanticomposto da due componenti principali:

• statore (parte fissa);
• rotore (parte rotante).

Per illustrare come funziona un generatore elettrico, può servire una semplice macchina elettrica, costituita da una bobina di filo e da un magnete a forma di U. I principali elementi fondamentali di questo modello:

• un campo magnetico;
• movimento di un conduttore in un campo magnetico.

Un campo magnetico è l'area intorno a un magnete in cui si sente la sua forza. Per comprendere meglio il funzionamento del modello si possono immaginare le linee di forza che escono dal polo nord del magnete e ritornano al polo sud. Più forte è il magnete, più linee di forza crea. Se la bobina inizia a ruotare tra i poli, entrambi i lati inizieranno a intersecare le linee magnetiche immaginarie. Ciò provoca il movimento degli elettroni nel conduttore (generazione di elettricità).

Secondo la regola della mano destra, quando la bobina ruota, verrà indotta una corrente in essa, cambiando la sua direzione ogni mezzo giro, poiché le linee di forza ai lati dell'ansa si intersecano nell'una o nell'altra direzione. Due volte in ogni giro, la bobina passa attraverso posizioni (parallele ai poli) in cui non si verifica l'induzione elettromagnetica. Pertanto, il generatore più semplice funziona come una macchina elettrica che produce corrente alternata. Lo stress che crea può essere modificato da:

• intensità del campo magnetico;
• velocità di rotazione della bobina;
• il numero di spire di filo che attraversano le linee di forza del campo magnetico.

L'avvolgimento di un conduttore tra i poli di un magnete ha un altro effetto importante. Quando una corrente scorre in un anello, crea un campo elettromagnetico opposto al campo di un magnete permanente. E più elettricità viene indotta nella bobina, più forte è il campo magnetico e la resistenza alla rotazione del conduttore. La stessa forza magnetica nelle spire fa ruotare il rotore del motore elettrico, cioè, in determinate condizioni, i generatori possono funzionare come motori e viceversa.

Caratteristiche dei generatori AC

La corrente alternata (AC) è prodotta dal generatore più semplice descritto. Affinché l'elettricità generata sia utilizzabile, deve essere in qualche modo fornita al carico. Questo viene fatto con un gruppo di contatto sull'albero, che consiste in anelli rotanti e parti fisse in carbonio, chiamate spazzole, che scorrono su di essi. Ciascuna estremità del conduttore rotante è collegata a un anello corrispondente e la corrente così creata nella bobina viene fatta passare attraverso gli anelli e le spazzole al carico.

Costruzione di macchine industriali

I generatori pratici differiscono da quelli più semplici. Di solito sono dotati di un eccitatore, un generatore ausiliario che fornisce corrente continua agli elettromagneti utilizzati per creare un campo magnetico nel generatore.

Invece di una bobina nel modello più semplice, i dispositivi pratici sono dotati di avvolgimenti in filo di rame e il ruolo di un magnete è svolto da bobine su nuclei di ferro. Nella maggior parte degli alternatori, gli elettromagneti che creano un campo alternato sono posizionati sul rotore e l'elettricità viene indotta nelle bobine dello statore.

In tali dispositivi, il collettore viene utilizzato per trasferire la corrente continua dall'eccitatore ai magneti. Ciò semplifica notevolmente il design, poiché è più conveniente trasmettere correnti deboli attraverso le spazzole e ricevere alta tensione dagli avvolgimenti dello statore stazionario.

Applicazione nelle reti

In alcune macchine, il numero di sezioni di avvolgimento è uguale al numero di elettromagneti. Ma la maggior parte dei generatori CA è dotata di tre serie di bobine per ogni polo. Tali macchine producono tre flussi di elettricità e sono chiamate trifase. La loro densità di potenza è significativamente superiore a quella di quelli monofase.

Nelle centrali elettriche, i generatori di corrente alternata vengono utilizzati come convertitori di energia meccanica in energia elettrica. Questo perché la tensione CA può essere facilmente aumentata o diminuita utilizzando un trasformatore. Nei grandi generatori viene prodotta una tensione di circa 20 mila metri. volt. Quindi aumenta di più di un ordine di grandezza per la possibilità di trasportare l'elettricità su lunghe distanze. Una serie di trasformatori step-down creano una tensione adatta all'uso nel punto in cui viene utilizzata l'elettricità.

Dispositivo dinamo

Una bobina di filo che ruota tra i poli di un magnete cambia i poli alle estremità del conduttore due volte per ogni giro. Per trasformare il modello più semplice in un generatore DC, devi fare due cose:

• prendere la corrente dal circuito al carico;
• organizzare il flusso della corrente deviata in una sola direzione.

Il ruolo del collezionista

Un dispositivo chiamato collettore può fare entrambe le cose. La sua differenza rispetto al gruppo della spazzola di contatto è che la sua base non è un anello conduttore, ma un insieme di segmenti isolati l'uno dall'altro. Ciascuna estremità del circuito rotante è collegata al corrispondente settore del collettore e due spazzole di carbone fisse rimuovono la corrente elettrica dal collettore.

Il collettore è progettato in modo tale che, indipendentemente dalla polarità alle estremità dell'anello e dalla fase di rotazione del rotore, il gruppo di contatti fornisca la corrente con la direzione desiderata durante il trasferimento al carico. Gli avvolgimenti nelle pratiche dinamo sono costituiti da molti segmenti, quindi, per generatori DC, a causa di la necessità della loro commutazione, il circuito in cui l'armatura con bobine inducibili ruota in un campo magnetico si è rivelato essere preferibile.

Alimentazione degli elettromagneti

Le dinamo classiche utilizzano un magnete permanente per indurre un campo. Il resto dei generatori DC ha bisogno di energia per gli elettromagneti. Nei cosiddetti generatori ad eccitazione separata, vengono utilizzate fonti di corrente continua esterne. I dispositivi autoeccitati realizzano parte dell'elettricità autogenerata per controllare gli elettromagneti. L'avvio di tali generatori dopo l'arresto dipende dalla loro capacità di accumulare magnetismo residuo. A seconda del metodo di collegamento delle bobine di eccitazione con gli avvolgimenti dell'indotto, sono divisi:

• shunt (con eccitazione parallela);
• Seriale (con eccitazione sequenziale);
• eccitazione mista (con una combinazione di shunt e sequenziale).

I tipi di eccitazione vengono applicati a seconda del controllo di tensione richiesto. Ad esempio, i generatori utilizzati per caricare le batterie richiedono un semplice controllo della tensione. In questo caso, il tipo di shunt sarebbe un tipo adatto. Un generatore eccitato separatamente viene utilizzato come macchina che genera energia per un ascensore per passeggeri, poiché tali sistemi richiedono un controllo complesso.

L'uso di generatori di collettori

Molti generatori DC sono alimentati da motori AC in combinazioni chiamate gruppi elettrogeni. Questo è un modo per cambiare AC in DC. Gli impianti di placcatura che producono elettrochimicamente alluminio, cloro e altri materiali richiedono molta corrente continua.

I generatori diesel forniscono anche corrente continua a locomotive e navi. Poiché i collettori sono dispositivi complessi e inaffidabili, i generatori DC sono spesso sostituiti da macchine che producono AC in combinazione con quelli elettronici. I generatori a commutazione hanno trovato applicazione nelle reti a bassa potenza, consentendo l'uso di una dinamo a magneti permanenti senza circuiti di eccitazione.

Esistono altri tipi di dispositivi in ​​grado di produrre elettricità. Questi includono batterie elettrochimiche, celle termoelettriche e fotovoltaiche, convertitori di carburante. Ma rispetto ai generatori a induzione AC/DC, la loro quota nella produzione globale di energia è trascurabile.