Ako generátor funguje: fyzikálne princípy, zariadenie, vlastnosti AC a DC elektrických generátorov

Elektrina nie je primárnou energiou voľne prítomnou v prírode vo významných množstvách a na využitie v priemysle a každodennom živote sa musí vyrábať. Väčšinu tvoria zariadenia, ktoré premieňajú hnaciu silu na elektrický prúd – takto fungujú generátory, zdroje mechanickej energie, na ktoré možno využiť parné a vodné turbíny, spaľovacie motory a dokonca aj svalovú silu osoba.

História a evolúcia

Objavil ho Michael Faraday v roku 1831 zákony elektromagnetickej indukcie sa stali základom konštrukcie elektrických strojov. Pred príchodom elektrického osvetlenia však nebolo potrebné túto technológiu komercializovať. U prvých spotrebiteľov elektriny, napríklad v telegrafe, sa ako zdroj energie používali galvanické batérie. Bol to veľmi drahý spôsob výroby elektriny.

Na konci 19. storočia mnohí vynálezcovia hľadali aplikáciu Faradayovho princípu indukcie na mechanickú výrobu elektriny. Medzi významné úspechy patril vývoj dynama od Wernera von Siemensa a výroba pracovných modelov generátorov Theophilus Gramm Hippolyte Fontaine. Prvé zariadenia sa používali v spojení s vonkajšími oblúkovými osvetľovacími zariadeniami známymi ako Yablochkovove sviečky.

Nahradil ich veľmi úspešný systém žiaroviek Thomasa Edisona. Jeho komerčné elektrárne boli založené na výkonných generátoroch, ale okruh zabudovaný vo výrobe jednosmerný prúd, bol zle vhodný na distribúciu energie na veľké vzdialenosti kvôli pôsobivému Tepelné straty.

Nikola Tesla vyvinul vylepšený alternátor a tiež praktický indukčný motor. Tieto elektrické stroje spolu so zdvíhacími a znižovacími transformátormi poskytli základ pre na vytváranie väčších distribučných sietí elektrotechnickými spoločnosťami využívajúcimi výkon elektrárne. Vo veľkých systémoch striedavého prúdu boli náklady na výrobu a dopravu niekoľkonásobne nižšie, ako v Edisonovej schéme, ktorá stimulovala dopyt po elektrine a v dôsledku toho ďalší vývoj elektrotechniky stroje. Za hlavné dátumy v histórii generátorov možno považovať:

• 1820 g. - André-Marie Ampere objavil, že elektrický prúd ovplyvňuje magnetické pole;
• 1832 g. - Faraday vytvoril najjednoduchší unipolárny generátor;
• 1849 g. - prvé použitie na napájanie oblúkových lámp majákov;
• 1866 g. - súčasné objavenie dynamoelektrického princípu niekoľkými vynálezcami;
• 1891 g. - ukážka komerčného stroja na výrobu viacfázového napätia;
• 1895 g. - spustila vodnú elektráreň v Niagare.

Princíp činnosti

Elektromagnetické indukčné generátory nevyrábajú elektrinu. Pomocou mechanickej energie uvedú do pohybu iba elektrické náboje, ktoré sú vždy prítomné vo vodičoch. Princíp činnosti elektrického generátora možno prirovnať k vodnému čerpadlu, ktoré spôsobuje prúdenie vody, ale nevytvára vodu v potrubí. Ohromujúci väčšina indukčných generátorov sú rotačné elektrické strojepozostáva z dvoch hlavných komponentov:

• stator (stacionárna časť);
• rotor (rotačná časť).

Na ilustráciu fungovania elektrického generátora môže poslúžiť jednoduchý elektrický stroj, ktorý pozostáva z cievky drôtu a magnetu v tvare U. Hlavné základné prvky tohto modelu:

• magnetické pole;
• pohyb vodiča v magnetickom poli.

Magnetické pole je oblasť okolo magnetu, kde je cítiť jeho silu. Aby ste lepšie pochopili, ako model funguje, môžete si predstaviť siločiary vychádzajúce zo severného pólu magnetu a vracajúce sa k južnému pólu. Čím silnejší je magnet, tým viac siločiar vytvára. Ak sa cievka začne otáčať medzi pólmi, obe jej strany začnú pretínať pomyselné magnetické čiary. To spôsobuje pohyb elektrónov vo vodiči (výroba elektriny).

V súlade s pravidlom pravej ruky, keď sa cievka otáča, indukuje sa v nej prúd, ktorý mení svoj smer každú pol otáčku, pretože siločiary po stranách slučky sa budú pretínať v jednej alebo v druhej smer. Cievka dvakrát v každej otáčke prechádza polohami (rovnobežne s pólmi), v ktorých nedochádza k elektromagnetickej indukcii. Najjednoduchší generátor teda funguje ako elektrický stroj, ktorý vyrába striedavý prúd. Stres, ktorý vytvára, sa dá zmeniť:

• intenzita magnetického poľa;
• rýchlosť otáčania cievky;
• počet závitov drôtu pretínajúcich siločiary magnetického poľa.

Vinutie vodiča medzi pólmi magnetu má ešte jeden dôležitý efekt. Keď prúd tečie v slučke, vytvára elektromagnetické pole opačné k poľu permanentného magnetu. A čím viac elektriny sa v cievke indukuje, tým silnejšie je magnetické pole a odpor voči otáčaniu vodiča. Rovnaká magnetická sila v otáčkach spôsobuje otáčanie rotora elektromotora, to znamená, že za určitých podmienok môžu generátory pracovať ako motory a naopak.

Vlastnosti generátorov striedavého prúdu

Striedavý prúd (AC) je produkovaný najjednoduchším opísaným generátorom. Aby bola vyrobená elektrina využiteľná, musí byť nejako dodaná do záťaže. To sa deje pomocou kontaktnej zostavy na hriadeli, ktorá pozostáva z rotujúcich krúžkov a pevných uhlíkových častí, nazývaných kefy, ktoré sa po nich posúvajú. Každý koniec rotujúceho vodiča je pripojený k zodpovedajúcemu krúžku a takto vytvorený prúd v cievke prechádza cez krúžky a kefy do záťaže.

Konštrukcia priemyselných strojov

Praktické generátory sa líšia od najjednoduchších. Zvyčajne sú vybavené budičom - pomocným generátorom, ktorý dodáva jednosmerný prúd elektromagnetom používaným na vytváranie magnetického poľa v generátore.

Namiesto cievky v najjednoduchšom modeli sú praktické zariadenia vybavené vinutím medeného drôtu a úlohu magnetu zohrávajú cievky na železných jadrách. Vo väčšine alternátorov sú elektromagnety, ktoré vytvárajú striedavé pole, umiestnené na rotore a elektrina sa indukuje v cievkach statora.

V takýchto zariadeniach sa kolektor používa na prenos jednosmerného prúdu z budiča na magnety. To značne zjednodušuje konštrukciu, pretože je pohodlnejšie prenášať slabé prúdy cez kefy a prijímať vysoké napätie zo stacionárnych statorových vinutí.

Aplikácia v sieťach

V niektorých strojoch je počet sekcií vinutia rovnaký ako počet elektromagnetov. Ale väčšina generátorov striedavého prúdu je vybavená tromi sadami cievok pre každý pól. Takéto stroje vyrábajú tri prúdy elektriny a nazývajú sa trojfázové. Ich hustota výkonu je výrazne vyššia ako u jednofázových.

V elektrárňach sa generátory striedavého prúdu používajú ako meniče mechanickej energie na elektrickú energiu. Striedavé napätie sa totiž dá jednoducho zvýšiť alebo znížiť pomocou transformátora. Vo veľkých generátoroch sa vyrába napätie asi 20 tisíc metrov. volt. Potom stúpa o viac ako rádovo pre možnosť prepravy elektriny na veľké vzdialenosti. Séria znižovacích transformátorov vytvára napätie vhodné na použitie v mieste, kde sa používa elektrina.

Zariadenie Dynamo

Cievka drôtu rotujúca medzi pólmi magnetu mení póly na koncoch vodiča dvakrát za každú otáčku. Ak chcete zmeniť najjednoduchší model na generátor jednosmerného prúdu, musíte urobiť dve veci:

• odobrať prúd zo slučky do záťaže;
• organizovať tok odkloneného prúdu iba jedným smerom.

Úloha zberateľa

Zariadenie nazývané rozdeľovač dokáže oboje. Jeho rozdiel od zostavy kontaktnej kefy je v tom, že jej základňou nie je vodivý krúžok, ale súbor navzájom izolovaných segmentov. Každý koniec rotačného obvodu je pripojený k zodpovedajúcemu sektoru kolektora a dve pevné uhlíkové kefky odvádzajú elektrický prúd z komutátora.

Kolektor je navrhnutý tak, že bez ohľadu na polaritu na koncoch slučky a fázu otáčania rotora, kontaktná skupina poskytuje prúd v požadovanom smere pri prenose na záťaž. Vinutia v praktických dynamách pozostávajú z mnohých segmentov, teda pre generátory jednosmerného prúdu, v dôsledku potreba ich komutácie sa ukázal ako obvod, v ktorom sa kotva s indukovateľnými cievkami otáča v magnetickom poli. výhodnejšie.

Napájanie elektromagnetov

Klasické dynamá využívajú na vyvolanie poľa permanentný magnet. Zvyšok DC generátorov potrebuje energiu pre elektromagnety. V takzvaných separátne budených generátoroch sa na to používajú externé zdroje jednosmerného prúdu. Samobudené zariadenia realizujú časť samostatne vyrobenej elektriny na ovládanie elektromagnetov. Spustenie takýchto generátorov po zastavení závisí od ich schopnosti akumulovať zvyškový magnetizmus. V závislosti od spôsobu pripojenia budiacich cievok s vinutiami kotvy sa delia:

• skrat (s paralelným budením);
• Sériové (so sekvenčnou excitáciou);
• zmiešané budenie (s kombináciou skratu a sekvenčného).

Typy budenia sa aplikujú v závislosti od požadovanej regulácie napätia. Napríklad generátory používané na nabíjanie batérií potrebujú jednoduchú reguláciu napätia. V tomto prípade by bol vhodný typ skratu. Samostatne budený generátor sa používa ako stroj, ktorý generuje energiu pre osobný výťah, pretože takéto systémy vyžadujú komplexné ovládanie.

Použitie kolektorových generátorov

Mnoho jednosmerných generátorov je poháňaných striedavými motormi v kombináciách nazývaných súpravy motorgenerátorov. Toto je jeden zo spôsobov, ako zmeniť striedavý prúd na jednosmerný. Pokovovacie zariadenia, ktoré vyrábajú hliník, chlór a niektoré ďalšie materiály elektrochemicky, vyžadujú veľa jednosmerného prúdu.

Dieselové generátory dodávajú jednosmerný prúd aj lokomotívam a lodiam. Keďže kolektory sú zložité a nespoľahlivé zariadenia, generátory jednosmerného prúdu sa často nahrádzajú strojmi, ktoré vyrábajú striedavý prúd v kombinácii s elektronickými. Spínacie generátory našli uplatnenie v sieťach s nízkym výkonom, umožňujúce použitie dynama s permanentným magnetom bez budiacich obvodov.

Existujú aj iné typy zariadení, ktoré sú schopné vyrábať elektrickú energiu. Patria sem elektrochemické batérie, termoelektrické a fotovoltaické články, palivové konvertory. Ale v porovnaní s AC / DC indukčnými generátormi je ich podiel na globálnej produkcii energie zanedbateľný.