Rodzaje generatorów elektrycznych i zasady ich działania

Generator elektryczny to maszyna lub instalacja zaprojektowana do przekształcania energii nieelektrycznej w energię elektryczną: energia mechaniczna w energię elektryczną, energia chemiczna w energię elektryczną, energia cieplna w energię elektryczną itp. Dzisiaj, w zasadzie, kiedy używamy słowa „generator”, mamy na myśli konwerter mechaniczny energia w energię elektryczną.

Może to być przenośny generator na olej napędowy lub benzynę, generator elektrowni jądrowej, generator samochodowy, generator domowy z asynchronicznego silnika elektrycznego lub generator niskiej prędkości do turbiny wiatrowej małej mocy. Na końcu artykułu rozważymy jako przykład dwa najczęstsze generatory, ale najpierw porozmawiajmy o zasadach ich działania.

Tak czy inaczej, z fizycznego punktu widzenia, zasada działania każdego z generatorów mechanicznych jest taka sama: zjawisko indukcji elektromagnetycznejkiedy, gdy linie przecinają pole magnetyczne przewodnika, w tym przewodniku występuje indukcja elektromagnetyczna. Źródłem siły prowadzącej do wzajemnego ruchu przewodnika i pola magnetycznego mogą być różne procesy, jednak w rezultacie emf i prąd muszą być zawsze uzyskiwane z generatora do zasilania obciążenia.

Zasada działania generatora elektrycznego - prawo Faradaya

Zasada działania generatora elektrycznego została odkryta w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Później tę zasadę nazwano prawem Faradaya. Polega ona na tym, że gdy przewodnik przecina się prostopadle do pola magnetycznego, na końcach tego przewodnika występuje różnica potencjałów.

Pierwszy generator został zbudowany przez samego Faradaya zgodnie z odkrytą przez niego zasadą, był to „dysk Faradaya” - jednobiegunowy generator, w którym miedziany dysk obracał się między biegunami magnesu w kształcie podkowy. Urządzenie wytwarzało znaczny prąd przy niewielkim napięciu.

Później ustalono, że pojedyncze izolowane przewodniki w generatorach są znacznie bardziej wydajne z praktycznego punktu widzenia niż stały dysk przewodzący. A we współczesnych generatorach stosuje się teraz uzwojenia drutu stojana (w najprostszym przypadku pokazowym cewka z drutu).

Alternator

Zdecydowana większość współczesnych generatorów to alternatory synchroniczne. Mają uzwojenie kotwiczne na stojanie, z którego kierowana jest generowana energia elektryczna. Na wirniku znajduje się uzwojenie wzbudzenia, do którego przez parę pierścieni kontaktowych doprowadzany jest prąd stały w celu uzyskania wirującego pola magnetycznego z wirującego wirnika.

Z powodu zjawiska indukcji elektromagnetycznej, gdy wirnik obraca się z zewnętrznego napędu (na przykład z silnika spalinowego), jego strumień magnetyczny przecina kolejno każdą z faz uzwojenia stojana, a tym samym indukuje w nich emf.

Najczęściej występują trzy fazy, są one fizycznie przemieszczane na kotwicy względem siebie o 120 stopni, dzięki czemu uzyskuje się trójfazowy prąd sinusoidalny. Fazy ​​można łączyć w celu uzyskania wzoru „gwiazdowego” lub „trójkątnego” standardowe napięcie sieciowe.

Częstotliwość sinusoidalnego pola elektromagnetycznego f jest proporcjonalna do prędkości wirnika: f = np / 60, gdzie - p jest liczbą par plusów magnetycznych wirnika, n jest liczbą obrotów wirnika na minutę. Zazwyczaj maksymalna prędkość wirnika wynosi 3000 obr / min. Jeśli podłączysz trójfazowy prostownik do uzwojenia stojana takiego generatora synchronicznego, otrzymasz generator prądu stałego (nawiasem mówiąc, wszystkie generatory samochodowe działają).

Trójskładnikowy generator synchroniczny

Oczywiście klasyczny generator synchroniczny ma jeden poważny minus - na wirniku sąsiadują z nimi pierścienie kontaktowe i szczotki. Szczotkuje iskry i zużywa się w wyniku tarcia i erozji elektrycznej. W atmosferze wybuchowej jest to niedopuszczalne. Dlatego w lotnictwie i generatorach diesla bardziej powszechne są bezdotykowe generatory synchroniczne, w szczególności trójskładnikowe.

Trzy maszyny mają trzy maszyny w jednej obudowie: wzbudnicę, wzbudnicę i generator na wspólnym wale. Wzbudnica wstępna jest generatorem synchronicznym, jest wzbudzana z magnesów stałych na wale, generowane przez nią napięcie jest doprowadzane do uzwojenia stojana wzbudnicy.

Stojan patogenu działa na uzwojenie wirnika podłączonego do trójfazowego prostownika przymocowanego do niego, z którego zasilane jest główne uzwojenie wzbudzenia generatora. Generator generuje prąd w swoim stojanie.

Przenośne generatory gazu, oleju napędowego i benzyny

Dzisiaj bardzo powszechne w gospodarstwach domowych generatory diesla, gazu i benzynyktóre wykorzystują ICE jako silnik spalinowy - silnik spalinowy, który przenosi obrót mechaniczny na wirnik generatora.

Generatory paliwa ciekłego mają zbiorniki paliwa, do generatorów gazu - konieczne jest dostarczanie paliwa przez rurociąg, aby następnie gaz został dostarczony do gaźnika, gdzie zamieni się w integralną część mieszanki paliwowej.

We wszystkich przypadkach mieszanka paliwowa jest spalana w układzie tłokowym, powodując obrót wału korbowego. Jest to podobne do silnika samochodowego. Wał korbowy obraca wirnik bezstykowego synchronicznego generatora (alternatora).

Najlepszy generatory inwerterowe elektrowni domowych mają wbudowany akumulator kompensujący różnice i podwójny system konwersji, w takich urządzeniach napięcie przemienne jest bardziej stabilne.

Generatory samochodowe

Kolejny przykład alternatora - najczęstszego typu generatora na świecie - generator samochodowy. Generator ten tradycyjnie zawiera uzwojenie wzbudzenia z pierścieniami ślizgowymi na wirniku i trójfazowe uzwojenie stojana z prostownikiem.

Wbudowany elektroniczny regulator utrzymuje napięcie w dopuszczalnym zakresie dla akumulatora samochodowego. Generator samochodowy to szybki generator, którego prędkości mogą osiągnąć 9000 na minutę.

Chociaż początkowo prąd jest uzyskiwany na przemian (końce biegunów wirnika naprzemiennie i z różną biegunowością przecinają trzy fazy uzwojenia stojana z ich strumieniami magnetycznymi), to jest on rektyfikowany przez diody i zamienia się w stały odpowiedni do ładowania akumulatora.

Nietypowe konstrukcje generatorów elektrycznych:

Generatory darmowej energii

Super sprawny generator silnika Roberta Alexandra

Generator Marksa (generator napięcia impulsowego)

Termomogenerator Peltiera

Nanogeneratory do miniaturowych urządzeń elektronicznych