Jak działa generator: zasady fizyczne, urządzenie, cechy generatorów prądu przemiennego i stałego

Energia elektryczna nie jest energią pierwotną swobodnie występującą w przyrodzie w znacznych ilościach i musi być produkowana, aby mogła być wykorzystywana w przemyśle i życiu codziennym. Większość z nich tworzą urządzenia zamieniające siłę napędową na prąd elektryczny – tak działają generatory, źródła energii mechanicznej dla których mogą być turbiny parowe i wodne, silniki spalinowe a nawet siła mięśni osoba.

Historia i ewolucja

Odkryta przez Michaela Faradaya w 1831 r. prawa indukcji elektromagnetycznej stały się podstawą budowy maszyn elektrycznych. Ale przed pojawieniem się oświetlenia elektrycznego nie było potrzeby komercjalizacji tej technologii. U wczesnych odbiorców energii elektrycznej, na przykład w telegrafie, jako źródło zasilania stosowano baterie galwaniczne. Był to bardzo kosztowny sposób wytwarzania energii elektrycznej.

Pod koniec XIX wieku wielu wynalazców szukało zastosowania zasady indukcji Faradaya do mechanicznego generowania elektryczności. Do ważnych osiągnięć należało opracowanie dynama przez Wernera von Siemensa oraz produkcja przez Hippolyte Fontaine modeli roboczych generatorów Theophilus Gramm. Pierwsze urządzenia były używane w połączeniu z zewnętrznymi urządzeniami oświetleniowymi łukowymi znanymi jako świece Yablochkov.

Zostały one zastąpione przez bardzo udany system żarówek Thomasa Edisona. Sercem jej komercyjnych elektrowni były potężne generatory, ale obwód zbudowany w produkcji prąd stały, był słabo przystosowany do dystrybucji energii na duże odległości ze względu na imponujące strata ciepła.

Nikola Tesla opracował ulepszony alternator, a także praktyczny silnik indukcyjny. Te maszyny elektryczne, wraz z transformatorami podwyższającymi i obniżającymi, stanowiły podstawę dla: do tworzenia większych sieci dystrybucyjnych przez firmy elektryczne wykorzystujące mocne elektrownie. W dużych systemach elektroenergetycznych prądu przemiennego koszty wytwarzania i transportu były kilkukrotnie niższe, niż w schemacie Edisona, który stymulował popyt na energię elektryczną i w rezultacie dalszą ewolucję elektryczności maszyny. Można rozważyć główne daty w historii generatorów:

• 1820 g. - André-Marie Ampere odkrył, że prąd elektryczny wpływa na pole magnetyczne;
• 1832 g. - stworzenie przez Faradaya najprostszego generatora jednobiegunowego;
• 1849 g. - pierwsze zastosowanie do zasilania lamp łukowych beaconów;
• 1866 g. - jednoczesne odkrycie zasady dynamo-elektrycznej przez kilku wynalazców;
• 1891 g. - demonstracja komercyjnej maszyny do produkcji napięcia wielofazowego;
• 1895 g. - uruchomiła elektrownię wodną w Niagarze.

Zasada działania

Generatory indukcyjne elektromagnetyczne nie wytwarzają energii elektrycznej. Za pomocą energii mechanicznej wprawiają w ruch jedynie ładunki elektryczne, które są zawsze obecne w przewodnikach. Zasadę działania generatora elektrycznego można porównać do pompy wodnej, która powoduje przepływ wody, ale nie wytwarza wody w rurach. Przytłaczający większość generatorów indukcyjnych to obrotowe maszyny elektryczneskładający się z dwóch głównych elementów:

• stojan (część nieruchoma);
• wirnik (część obrotowa).

Aby zilustrować działanie generatora elektrycznego, może służyć prosta maszyna elektryczna, składająca się z cewki drutu i magnesu w kształcie litery U. Główne podstawowe elementy tego modelu:

• pole magnetyczne;
• ruch przewodnika w polu magnetycznym.

Pole magnetyczne to obszar wokół magnesu, w którym odczuwana jest jego siła. Aby lepiej zrozumieć działanie modelu, można wyobrazić sobie linie sił wychodzące z bieguna północnego magnesu i powracające do bieguna południowego. Im silniejszy magnes, tym więcej wytwarza linii siły. Jeśli cewka zacznie się obracać między biegunami, obie jej strony zaczną przecinać wyimaginowane linie magnetyczne. Powoduje to ruch elektronów w przewodniku (generowanie elektryczności).

Zgodnie z zasadą prawej ręki, gdy cewka się obraca, indukuje się w niej prąd zmieniający jej kierunek co pół obrotu, ponieważ linie siły po bokach pętli przecinają się w jednym lub drugim kierunek. Dwa razy na każdy obrót cewka przechodzi przez pozycje (równoległe do biegunów), w których nie występuje indukcja elektromagnetyczna. Tak więc najprostszy generator działa jak maszyna elektryczna wytwarzająca prąd przemienny. Stres, który tworzy, można zmienić poprzez:

• siła pola magnetycznego;
• prędkość obrotowa cewki;
• liczba zwojów drutu przekraczających linie siły pola magnetycznego.

Uzwojenie przewodnika między biegunami magnesu ma inny ważny efekt. Kiedy prąd płynie w pętli, wytwarza pole elektromagnetyczne przeciwne do pola magnesu trwałego. A im więcej prądu indukuje się w cewce, tym silniejsze jest pole magnetyczne i odporność na obracanie przewodnika. Ta sama siła magnetyczna w zwojach powoduje obrót wirnika silnika elektrycznego, czyli w pewnych warunkach generatory mogą pracować jako silniki i odwrotnie.

Cechy generatorów prądu przemiennego

Prąd przemienny (AC) jest wytwarzany przez najprostszy opisany generator. Aby wytworzona energia elektryczna była użyteczna, musi w jakiś sposób zostać dostarczona do obciążenia. Odbywa się to za pomocą zespołu styków na wale, który składa się z obrotowych pierścieni i nieruchomych części węglowych, zwanych szczotkami, ślizgających się po nich. Każdy koniec obracającego się przewodnika jest połączony z odpowiednim pierścieniem, a prąd wytworzony w ten sposób w cewce jest przepuszczany przez pierścienie i szczotki do obciążenia.

Budowa maszyn przemysłowych

Praktyczne generatory różnią się od najprostszych. Zazwyczaj wyposażone są w wzbudnicę - generator pomocniczy, który dostarcza prąd stały do ​​elektromagnesów służących do wytworzenia pola magnetycznego w generatorze.

Zamiast cewki w najprostszym modelu praktyczne urządzenia wyposażone są w uzwojenia z drutu miedzianego, a rolę magnesu pełnią cewki na żelaznych rdzeniach. W większości alternatorów elektromagnesy, które wytwarzają pole przemienne, są umieszczane na wirniku, a w cewkach stojana indukowana jest energia elektryczna.

W takich urządzeniach kolektor służy do przesyłania prądu stałego z wzbudnicy na magnesy. To znacznie upraszcza konstrukcję, ponieważ wygodniej jest przesyłać słabe prądy przez szczotki i odbierać wysokie napięcie z uzwojeń stojana stacjonarnego.

Zastosowanie w sieciach

W niektórych maszynach liczba sekcji uzwojenia jest taka sama jak liczba elektromagnesów. Ale większość generatorów prądu przemiennego jest wyposażona w trzy zestawy cewek na każdy biegun. Takie maszyny wytwarzają trzy strumienie energii elektrycznej i nazywane są trójfazowymi. Ich gęstość mocy jest znacznie wyższa niż w przypadku jednofazowych.

W elektrowniach generatory prądu przemiennego są wykorzystywane jako konwertery energii mechanicznej na energię elektryczną. Dzieje się tak, ponieważ napięcie AC można łatwo zwiększyć lub zmniejszyć za pomocą transformatora. W dużych generatorach wytwarzane jest napięcie około 20 tysięcy metrów. wolt. Następnie wzrasta o ponad rząd wielkości możliwości przesyłania energii elektrycznej na duże odległości. Szereg transformatorów obniżających napięcie wytwarza napięcie odpowiednie do użycia w punkcie, w którym wykorzystywana jest energia elektryczna.

Urządzenie dynamo

Zwój drutu obracający się między biegunami magnesu zmienia bieguny na końcach przewodnika dwukrotnie na każdy obrót. Aby zamienić najprostszy model w generator prądu stałego, musisz zrobić dwie rzeczy:

• weź prąd z pętli do obciążenia;
• organizować przepływ przekierowanego prądu tylko w jednym kierunku.

Rola kolekcjonera

Urządzenie zwane rozmaitością może zrobić jedno i drugie. Jego różnica w stosunku do zespołu szczotki stykowej polega na tym, że jego podstawą nie jest pierścień przewodzący, ale zestaw segmentów odizolowanych od siebie. Każdy koniec obwodu wirującego jest podłączony do odpowiedniego sektora kolektora, a dwie stałe szczotki węglowe usuwają prąd elektryczny z komutatora.

Kolektor jest zaprojektowany w taki sposób, że niezależnie od biegunowości na końcach pętli i fazy obrotu wirnika, grupa styków dostarcza prąd o pożądanym kierunku przy przenoszeniu go na obciążenie. Uzwojenia w praktycznych prądnicach składają się z wielu segmentów, dlatego w przypadku prądnic prądu stałego ze względu na: potrzeba ich komutacji, okazało się, że obwód, w którym zwora z cewkami indukcyjnymi wiruje w polu magnetycznym lepszy.

Zasilanie elektromagnesów

Klasyczne dynama wykorzystują magnes stały do ​​indukowania pola. Pozostałe generatory prądu stałego potrzebują zasilania dla elektromagnesów. W tak zwanych generatorach oddzielnie wzbudzanych stosuje się do tego zewnętrzne źródła prądu stałego. Urządzenia samowzbudne realizują część wytworzonej przez siebie energii elektrycznej do sterowania elektromagnesami. Uruchomienie takich generatorów po zatrzymaniu zależy od ich zdolności do akumulacji magnetyzmu szczątkowego. W zależności od sposobu połączenia cewek wzbudzenia z uzwojeniami twornika dzieli się je:

• bocznik (z równoległym wzbudzeniem);
• Szeregowy (z sekwencyjnym wzbudzeniem);
• wzbudzenie mieszane (z kombinacją bocznikową i sekwencyjną).

Rodzaje wzbudzeń są stosowane w zależności od wymaganej kontroli napięcia. Na przykład generatory używane do ładowania akumulatorów wymagają prostej kontroli napięcia. W takim przypadku typ bocznikowy byłby odpowiednim typem. Generator obcowzbudny jest używany jako maszyna generująca energię dla windy pasażerskiej, ponieważ takie systemy wymagają kompleksowego sterowania.

Zastosowanie generatorów kolektorów

Wiele generatorów prądu stałego jest zasilanych silnikami prądu przemiennego w kombinacjach zwanych zestawami silnikowo-prądnicowymi. Jest to jeden ze sposobów zmiany AC na DC. Zakłady galwaniczne, które wytwarzają aluminium, chlor i niektóre inne materiały elektrochemicznie, wymagają dużej ilości prądu stałego.

Generatory diesla dostarczają również prąd stały do ​​lokomotyw i statków. Ponieważ kolektory są złożonymi i zawodnymi urządzeniami, generatory prądu stałego są często zastępowane maszynami wytwarzającymi prąd przemienny w połączeniu z elektronicznymi. Generatory przełączające znalazły zastosowanie w sieciach małej mocy, umożliwiając zastosowanie prądnicy z magnesami trwałymi bez obwodów wzbudzenia.

Istnieją inne rodzaje urządzeń, które są w stanie wytwarzać energię elektryczną. Należą do nich baterie elektrochemiczne, ogniwa termoelektryczne i fotowoltaiczne, konwertery paliwowe. Jednak w porównaniu do generatorów indukcyjnych AC/DC ich udział w globalnej produkcji energii jest znikomy.