כיצד פועל הגנרטור: עקרונות פיזיקליים, מכשיר, תכונות של גנרטורים חשמליים AC ו-DC

חשמל אינו האנרגיה העיקרית הקיימת באופן חופשי בטבע בכמויות משמעותיות, ויש להפיק אותו כדי לשמש בתעשייה ובחיי היומיום. רובו נוצר על ידי מכשירים שממירים את הכוח המניע לזרם חשמלי - כך פועלים גנרטורים, מקורות אנרגיה מכנית שעבורם ניתן להשתמש בטורבינות קיטור ומים, מנועי בעירה פנימית ואפילו כוח שרירים אדם.

היסטוריה ואבולוציה

התגלה על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1831 חוקי האינדוקציה האלקטרומגנטית הפכו לבסיס לבניית מכונות חשמליות. אבל לפני הופעת התאורה החשמלית, לא היה צורך למסחר את הטכנולוגיה. אצל צרכני החשמל המוקדמים, למשל, בטלגרף, סוללות גלווניות שימשו כמקור כוח. זו הייתה דרך יקרה מאוד לייצר חשמל.

בסוף המאה ה-19, ממציאים רבים חיפשו יישום של עקרון פאראדיי של אינדוקציה לייצור חשמל באופן מכני. חלק מההישגים החשובים היו פיתוח הדינמו על ידי ורנר פון סימנס וייצור על ידי Hippolyte Fontaine של דגמים עובדים של מחוללי תיאופילוס גראם. המכשירים הראשונים שימשו יחד עם התקני תאורת קשת חיצונית הידועים בשם נרות יבלוצ'קוב.

הם הוחלפו במערכת מנורות הליבון המוצלחת ביותר של תומס אדיסון. תחנות הכוח המסחריות שלה התבססו על גנרטורים רבי עוצמה, אבל המעגל נבנה בייצור זרם ישר, התאים בצורה גרועה לחלוקת חשמל למרחקים ארוכים בשל המרשים איבוד חום.

ניקולה טסלה פיתח אלטרנטור משופר וכן מנוע אינדוקציה מעשי. מכונות חשמליות אלו, יחד עם שנאי שלב-אפ ו-step-down, היוו את הבסיס ל ליצירת רשתות הפצה גדולות יותר על ידי חברות חשמל באמצעות עוצמה תחנות כוח. במערכות חשמל AC גדולות, עלויות הייצור וההובלה היו נמוכות פי כמה, מאשר בתוכנית של אדיסון, שעוררה את הביקוש לחשמל, וכתוצאה מכך, את המשך האבולוציה של החשמל מכונות. ניתן לשקול את התאריכים העיקריים בהיסטוריה של גנרטורים:

• 1820 גרם. - אנדרה-מארי אמפר גילה שזרם חשמלי משפיע על שדה מגנטי;
• 1832 גרם. - יצירה על ידי Faraday של הגנרטור החד קוטבי הפשוט ביותר;
• 1849 גרם. - השימוש הראשון להפעלת מנורות קשת של משואות;
• 1866 גרם. - גילוי בו-זמנית של העיקרון הדינמו-חשמלי על ידי מספר ממציאים;
• 1891 גרם. - הדגמה של מכונה מסחרית לייצור מתח רב פאזי;
• 1895 גרם. - השיקה תחנת כוח הידרואלקטרית בניאגרה.

עקרון הפעולה

מחוללי אינדוקציה אלקטרומגנטיים אינם מייצרים חשמל. בעזרת אנרגיה מכנית, הם רק מפעילים מטענים חשמליים שתמיד קיימים במוליכים. ניתן להשוות את עקרון הפעולה של גנרטור חשמלי למשאבת מים הגורמת למים לזרום, אך לא יוצרת מים בצנרת. מַכרִיעַ רוב גנרטורי האינדוקציה הם מכונות חשמליות סיבוביותמורכב משני מרכיבים עיקריים:

• סטטור (חלק נייח);
• רוטור (חלק מסתובב).

כדי להמחיש כיצד פועל גנרטור חשמלי, יכולה לשרת מכונה חשמלית פשוטה, המורכבת מסליל של חוט ומגנט בצורת U. המרכיבים הבסיסיים העיקריים של מודל זה:

• שדה מגנטי;
• תנועה של מוליך בשדה מגנטי.

שדה מגנטי הוא האזור שמסביב למגנט שבו מורגש כוחו. כדי להבין טוב יותר את פעולת המודל, ניתן לדמיין את קווי הכוח יוצאים מהקוטב הצפוני של המגנט וחוזרים לקוטב הדרומי. ככל שהמגנט חזק יותר, כך הוא יוצר יותר קווי כוח. אם הסליל יתחיל להסתובב בין הקטבים, אז שני הצדדים שלו יתחילו לחתוך את הקווים המגנטיים הדמיוניים. זה גורם לתנועת אלקטרונים במוליך (ייצור חשמל).

בהתאם לכלל יד ימין, כאשר הסליל מסתובב, יושר בו זרם, שישנה את כיוונו כל חצי סיבוב, מכיוון שקווי הכוח בצידי הלולאה יצטלבו באחד או באחר כיוון. פעמיים בכל סיבוב, הסליל עובר דרך מיקומים (מקבילים לקטבים) שבהם לא מתרחשת אינדוקציה אלקטרומגנטית. לפיכך, הגנרטור הפשוט ביותר פועל כמו מכונה חשמלית המייצרת זרם חילופין. ניתן לשנות את הלחץ שהוא יוצר על ידי:

• כוח שדה מגנטי;
• מהירות סיבוב סליל;
• מספר סיבובי החוט החוצים את קווי הכוח של השדה המגנטי.

לסלילה של מוליך בין הקטבים של מגנט יש השפעה חשובה נוספת. כאשר זרם זורם בלולאה, הוא יוצר שדה אלקטרומגנטי המנוגד לשדה של מגנט קבוע. וככל שמושרה יותר חשמל בסליל, כך השדה המגנטי וההתנגדות להפיכת המוליך חזקים יותר. אותו כוח מגנטי בסיבובים גורם לסיבוב הרוטור של המנוע החשמלי, כלומר בתנאים מסוימים, הגנרטורים יכולים לעבוד כמנועים ולהיפך.

תכונות של גנרטורים AC

זרם חילופין (AC) מיוצר על ידי הגנרטור הפשוט ביותר שתואר. כדי שהחשמל המופק יהיה שמיש, הוא חייב להיות מועבר איכשהו לעומס. זה נעשה עם מכלול מגע על הפיר, המורכב מטבעות מסתובבות וחלקי פחמן קבועים, הנקראים מברשות, המחליקים עליהם. כל קצה של המוליך המסתובב מחובר לטבעת מתאימה, והזרם שנוצר כך בסליל מועבר דרך הטבעות והמברשות לעומס.

בניית מכונות תעשייתיות

גנרטורים מעשיים שונים מהפשוטים ביותר. לרוב הם מצוידים במעורר - גנרטור עזר המספק זרם ישר לאלקטרומגנטים המשמשים ליצירת שדה מגנטי בגנרטור.

במקום סליל בדגם הפשוט ביותר, מכשירים מעשיים מצוידים בפיתולי חוטי נחושת, ואת תפקידו של מגנט ממלאים סלילים על ליבות ברזל. ברוב האלטרנטורים, אלקטרומגנטים היוצרים שדה חילופין מונחים על הרוטור ומושרה חשמל בסלילי הסטטור.

במכשירים כאלה, האספן משמש להעברת זרם ישר מהמעורר למגנטים. זה מפשט מאוד את העיצוב, מכיוון שנוח יותר להעביר זרמים חלשים דרך המברשות ולקבל מתח גבוה מפיתולי הסטטור הנייחים.

יישום ברשתות

במכונות מסוימות, מספר המקטעים המתפתלים זהה למספר האלקטרומגנטים. אבל רוב מחוללי AC מצוידים בשלוש סטים של סלילים לכל עמוד. מכונות כאלה מייצרות שלושה זרמי חשמל ונקראות תלת פאזיות. צפיפות ההספק שלהם גבוהה משמעותית מזו של חד פאזיים.

בתחנות כוח, גנרטורים AC משמשים כממירים של אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. הסיבה לכך היא שניתן להגדיל או להקטין את מתח ה-AC בקלות באמצעות שנאי. בגנרטורים גדולים מופק מתח של כ-20 אלף מטר. ווֹלט. אז הוא עולה ביותר מסדר גודל לאפשרות הובלת חשמל למרחקים ארוכים. סדרה של שנאים יורדים יוצרים מתח המתאים לשימוש בנקודה שבה נעשה שימוש בחשמל.

מכשיר דינמו

סליל תיל המסתובב בין הקטבים של מגנט משנה את הקטבים בקצות המוליך פעמיים עבור כל סיבוב. כדי להפוך את הדגם הפשוט ביותר לגנרטור DC, אתה צריך לעשות שני דברים:

• לקחת את הזרם מהלולאה לעומס;
• לארגן את זרימת הזרם המופנה בכיוון אחד בלבד.

תפקידו של האספן

מכשיר שנקרא סעפת יכול לעשות את שניהם. ההבדל שלו ממכלול מברשת המגע הוא שהבסיס שלו אינו טבעת מוליכים, אלא קבוצה של מקטעים מבודדים זה מזה. כל קצה של המעגל המסתובב מחובר למגזר המקביל של האספן, ושתי מברשות פחמן קבועות מסירות את הזרם החשמלי מהקומוטטור.

הקולט מתוכנן כך שללא קשר לקוטביות בקצוות הלולאה ולשלב הסיבוב של הרוטור, קבוצת המגעים מספקת לזרם את הכיוון הרצוי בעת העברתו לעומס. הפיתולים בדינמות מעשיות מורכבות ממקטעים רבים, לכן, עבור גנרטורים DC, בשל הצורך בהעברה שלהם, התברר שהמעגל שבו האבזור עם סלילים הניתנים להשראה מסתובב בשדה מגנטי עָדִיף.

אספקת חשמל של אלקטרומגנטים

דינמות קלאסיות משתמשות במגנט קבוע כדי להשרות שדה. שאר מחוללי ה-DC צריכים חשמל עבור האלקטרומגנטים. במה שנקרא גנרטורים נרגשים בנפרד, משתמשים במקורות זרם ישר חיצוניים לשם כך. מכשירים הנלהבים מעצמם מממשים חלק מהחשמל שנוצר בעצמו כדי לשלוט באלקטרומגנטים. הפעלת גנרטורים כאלה לאחר עצירה תלויה ביכולתם לצבור מגנטיות שיורית. בהתאם לשיטת חיבור סלילי העירור עם פיתולי האבזור, הם מחולקים:

• shunt (עם עירור מקביל);
• סדרתי (עם עירור רציף);
• עירור מעורב (עם שילוב של shunt ו-sequential).

סוגי עירור מיושמים בהתאם לבקרת המתח הנדרשת. לדוגמה, גנרטורים המשמשים לטעינת סוללות זקוקים לבקרת מתח פשוטה. במקרה זה, סוג ה-shunt יהיה סוג מתאים. גנרטור נרגש בנפרד משמש כמכונה המייצרת אנרגיה למעלית נוסעים, שכן מערכות כאלה דורשות בקרה מורכבת.

השימוש במחוללי אספנים

גנרטורים DC רבים מופעלים על ידי מנועי AC בשילובים הנקראים ערכות מחולל מנוע. זוהי דרך אחת לשנות AC ל DC. מפעלי ציפוי המייצרים אלומיניום, כלור וכמה חומרים אחרים דורשים באופן אלקטרוכימי הרבה זרם ישר.

גנרטורים דיזל מספקים גם כוח DC לקטרים ​​ולאניות. מכיוון שקולטים הם מכשירים מורכבים ולא אמינים, גנרטורים DC מוחלפים לרוב במכונות המייצרות AC בשילוב עם אלה אלקטרוניים. גנרטורים מיתוג מצאו יישום ברשתות בעלות הספק נמוך, המאפשרים שימוש בדינמו מגנט קבוע ללא מעגלי עירור.

ישנם סוגים נוספים של מכשירים המסוגלים לייצר חשמל. אלה כוללים סוללות אלקטרוכימיות, תאים תרמו-אלקטריים ופוטו-וולטאיים, ממירי דלק. אבל בהשוואה למחוללי אינדוקציה AC/DC, חלקם בייצור האנרגיה העולמי זניח.