Generator prądu elektrycznego to urządzenie zaprojektowane do przekształcania nieelektrycznych rodzajów energii (chemicznej, mechanicznej, cieplnej) w energię elektryczną. Ponadto jego konstrukcja opiera się na zastosowaniu zasady indukcji elektromagnetycznej.
Zasada działania i urządzenie najprostszego alternatora
Indukcja elektromagnetyczna jest zjawiskiem odkrytym w 1831 r. Przez brytyjskiego fizyka Michaela Faradaya (1791–1867), który odkrył, że gdy zmienny w czasie strumień magnetyczny przechodzi przez zamknięty obwód przewodzący, w tym ostatnim powstaje prąd elektryczny. Ta zasada leży u podstaw każdego generatora.
W praktyce zasada indukcji elektromagnetycznej jest realizowana w następujący sposób: prąd elektryczny powstaje w zamkniętej ramie (wirniku), gdy przecina się z wirującym polem magnetycznym, uformowanym w zależności od przeznaczenia i konstrukcji generatora za pomocą magnesów trwałych lub specjalnych uzwojeń wzbudzających. Gdy rama się obraca, zmienia się wielkość strumienia magnetycznego. Im szybciej się obraca, tym wyższe napięcie wyjściowe.
W 1827 r. Efekt ten został odkryty i wykorzystany przez węgierskiego fizyka Agnosa Istvana Jedlika (1800-1895) do stworzenia oryginalnego modelu generatora prądu elektrycznego. Jednak biorąc pod uwagę to, naukowiec nie opatentował swojego odkrycia i zapowiedział utworzenie pierwszego dynama dopiero w 1850 roku.
Aby usunąć prąd elektryczny, rama jest wyposażona w kolektor prądu, który zamienia go w zamkniętą pętlę i zapewnia stały kontakt obracającej się ramy z nieruchomymi elementami generatora. Sprężynowe szczotki są dociskane do pierścieni kolektora, dzięki czemu prąd elektryczny jest doprowadzany do zacisków wyjściowych generatora.
Obracając się, połówki ramy przechodzą kolejno w pobliżu biegunów magnesu. W tym przypadku następuje cykliczna zmiana kierunku ruchu powstającego prądu - na każdym biegunie prąd porusza się w jednym kierunku.
W zależności od konstrukcji kolektora generator może generować zarówno prąd stały, jak i przemienny.
- W generatorach prądu stałego dla każdej połowy uzwojenia w węźle kolektora znajdują się odizolowane pierścienie. Ze względu na to, że te półpierścienie stale zmieniają szczotki, prąd nie zmienia swojego kierunku, ale po prostu pulsuje.
- W alternatorach końce ramy są przymocowane do pierścieni ślizgowych i cała ta konstrukcja obraca się wokół swojej osi. Podczas obracania ramy szczotki, z których każda ściśle przylega do pierścienia, zapewniają niezawodny przewód dolny. W takim przypadku cykliczne położenie szczotek nie występuje.
Obracająca się część generatora nazywa się wirnikiem, a część stacjonarna nazywa się stojanem.
Zasada działania prądnic prądu przemiennego i stałego jest identyczna. Różnią się one między sobą konstrukcją pierścieni ślizgowych znajdujących się na obracającym się wirniku i konfiguracją uzwojeń.
W generatorach prądu przemiennego często stosuje się oryginalne rozwiązanie techniczne, oparte na fakcie, że pole elektromagnetyczne pojawia się w przewodniku nie tylko wtedy, gdy obraca się w polu magnetycznym, ale także w przypadku, gdy samo pole magnetyczne obraca się względem przewodnika stacjonarnego.
Efekt ten jest szeroko stosowany przez programistów, którzy umieszczają magnesy elektryczne lub stałe na wirującym wirniku. W tym przypadku napięcie jest usuwane ze stacjonarnie zamontowanego uzwojenia, co pozwala pozbyć się skomplikowanych konstrukcji zespołów kolektorów.
Generatory prądu przemiennego
Produkowana jest ogromna liczba najróżniejszych generatorów prądu przemiennego. Można je sklasyfikować według następujących parametrów:
- konstruktywny projekt;
- metoda wzbudzenia;
- liczba faz.
Metodą pobudzenia konsumenta można znaleźć agregaty:
- z niezależnym wzbudzeniem - uzwojenie wzbudzające jest zasilane prądem stałym z niezależnego źródła zasilania;
- z samowzbudzeniem - prostowany prąd z samego generatora jest doprowadzany do uzwojenia wzbudzenia;
- z wzbudzeniem z magnesów stałych - bez uzwojenia wzbudzenia;
- z pobudzeniem z patogenu - generator prądu stałego małej mocy, „siedzący” na tym samym wale z obsługiwanym generatorem.
Pod względem liczby faz generatory elektryczne to:
- jednofazowy;
- dwufazowy;
- trójfazowy.
W praktyce najczęściej spotykane są alternatory trójfazowe. Wynika to z szeregu zalet charakterystycznych dla tego rodzaju agregatów:
- uzyskanie efektu ekonomicznego przy opracowywaniu systemów do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości - zmniejszając zużycie materiałów urządzeń transformatorowych i przewodów zasilających; Przyczynia się to do obecności kołowego pola magnetycznego;
- zwiększone zasoby operacyjne, co zapewnia równowagę systemu;
- jednoczesne stosowanie napięcia liniowego i fazowego.
Strukturalnie trójfazowy generator elektryczny ma trzy niezależne uzwojenia umieszczone w stojanie na obwodzie z przesunięciem 120 ° względem siebie. Ponadto każde uzwojenie jest jednofazowym generatorem, który jest w stanie dostarczyć napięcie przemienne do odbiornika R. Takie pojedyncze uzwojenie nazywane jest „fazą”. Uzwojenia fazowe mogą być połączone „trójkątem” lub „gwiazdą”.
Istnieją inne schematy łączenia uzwojeń, na przykład sześciożyłowy układ Tesli lub połączenie Slavyanka (połączenie sześciu uzwojeń w postaci jednej „gwiazdy” i jednego „trójkąta”), ale nie były one szeroko stosowane.
Rolę ramy w urządzeniach generujących prąd przemienny odgrywa elektromagnes, który obracając się przesuwa zmienne EMF indukowane w uzwojeniach o jedną trzecią cyklu względem siebie.
Wśród wielu alternatorów istnieją dwa główne typy ich konstrukcji: synchroniczna i asynchroniczna. Ostatnio, biorąc pod uwagę dużą liczbę złożonych urządzeń elektronicznych kontrolowanych przez mikroprocesory, pojawił się nowy typ generatora elektrycznego - falownik.
Synchroniczne generatory prądu
Synchroniczny alternator składa się z dwóch części - ruchomego wirnika i nieruchomego stojana.
Gdy wirnik się obraca, czyli elektromagnes z rdzeniem i uzwojeniem wzbudzającym, podłączony do zewnętrznego źródła zasilania za pomocą mechanizmu szczotkowego, w uzwojeniu stojana indukowane jest pole elektromagnetyczne, które jest podawane do zacisków wyjściowych generatora. Ta konstrukcja eliminuje potrzebę przesuwnych styków, co znacznie upraszcza konstrukcję urządzenia. Początkowo strumień magnetyczny jest wzbudzany ze wzbudnicy innej firmy zamontowanej na wspólnym wale i połączonej z systemem za pomocą sprzęgła.
W synchronicznych generatorach małej mocy uzwojenie polowe zasilane jest prądem prostowanym. W takim przypadku obwód elektryczny powstaje w wyniku aktywacji transformatorów zawartych w obwodzie obciążenia. Zawiera również prostownik półprzewodnikowy. Główny obwód elektryczny obejmuje:
- uzwojenie pola;
- regulacja reostatu.
Główną cechą generatora synchronicznego jest to, że częstotliwość generowanego prądu elektrycznego jest proporcjonalna do prędkości wirnika.
Asynchroniczne generatory prądu
Alternator asynchroniczny różni się od alternatora synchronicznego brakiem sztywnego połączenia między prędkościami wirnika a indukowanym emf. Różnica między tymi parametrami nazywa się „poślizgiem”. Pomiędzy wirnikiem a stojanem generatora asynchronicznego znajduje się szczelina powietrzna. Jednocześnie moment hamujący, który występuje, gdy obciążenie jest podłączone i zapobiega obrotowi wirnika, wpływa na częstotliwość generowanego pola elektromagnetycznego. Dlatego energia elektryczna w generatorach asynchronicznych wytwarzana jest przy zwiększonej prędkości wirnika.
Konstrukcja generatorów asynchronicznych jest prosta, ale ma najgorsze parametry techniczne w porównaniu do jednostek synchronicznych - błąd częstotliwości może osiągnąć 4%, a napięcia nawet do 10%. Ponadto asynchroniczne generatory mają krytyczne znaczenie dla prądu rozruchowego. Dlatego zaleca się stosowanie ich razem ze stabilizatorami, aw niektórych przypadkach, na przykład w celu płynnego rozruchu silnika elektrycznego, może być potrzebna przetwornica częstotliwości.
Generatory falowników
Generator inwerterowy to tradycyjny generator asynchroniczny, na którego wyjściu zainstalowany jest dodatkowy stabilizator parametrów wyjściowych.
Działa w następujący sposób: napięcie generowane przez generator asynchroniczny trafia do falownika, gdzie najpierw jest rektyfikowane, a następnie z uzyskanego stałego napięcia powstają impulsy o określonej częstotliwości i cyklu pracy. Na wyjściu urządzenia impulsy te zamieniane są na napięcie sinusoidalne o niemal doskonałych parametrach technicznych.
Napęd alternatora
W warunkach domowych wirnik generatora napędzany jest silnikami spalinowymi (ICE) pracującymi na paliwach takich jak benzyna lub olej napędowy. Jednocześnie żywotność generatorów benzynowych wyposażonych w ICE typu push-pull wynosi około 500 godzin rocznie (nie więcej niż 4 godziny dziennie); czterosuwowy ICE osiąga 5000 godzin rocznie.
Wskazane jest stosowanie generatorów benzynowych na krótkie przerwy w dostawie prądu i / lub na wyjście na wieś.
Generatory zasilane olejem napędowym charakteryzują się dużą mocą i znacznie trwalszą benzyną. Wśród nich są modele z chłodzeniem powietrzem i cieczą. Urządzenia chłodzone powietrzem są zalecane do stosowania w miejscach, w których często wyłącza się prąd.
Korzystanie z takich urządzeń gospodarstwa domowego jest niezwykle proste - musisz wlać paliwo do zbiornika, przekręcić kluczyk, aby uruchomić silnik i podłączyć ładunek. Ich panel sterowania jest wyposażony we wszystkie niezbędne i intuicyjne napisy i symbole.
Generatory wysokoprężne chłodzone cieczą to urządzenia z zupełnie innej kategorii. Są w stanie pracować przez wiele dni i są wykorzystywane głównie w przedsiębiorstwach jako zapasowe źródła zasilania.
Generatory przemysłowe zaprojektowane do generowania prądu przemiennego i dostarczania go odbiorcom na duże odległości za pomocą linii wysokiego napięcia (linii energetycznych) działają poprzez aktywację turbin hydraulicznych lub parowych. W takich jednostkach mechanizm wirnika jest połączony bezpośrednio z kołem turbiny.
Generatory turbinowe charakteryzują się wysoką mocą (do 100 000 kW) i są w stanie wytwarzać prąd przemienny o napięciu do 16 kV. Długość i średnica ich wirnika może osiągnąć odpowiednio 6,5 i 15 metrów, a prędkość obrotowa tego drugiego zawiera się w przedziale 1500 ... 3000 obr / min.Zainstaluj takie jednostki w osobnych pokojach na specjalnie przygotowanych podłożach betonowych.
Opcje i możliwości domowych generatorów elektrycznych
Aby ułatwić obsługę, producenci wyposażają swoje produkty w szereg przydatnych opcji, między innymi:
- urządzenie do automatycznego uruchamiania urządzenia podczas przerwy w dostawie prądu
- obecność wbudowanego wyłącznika różnicowoprądowego, odłączającego urządzenie od sieci podczas uszkodzenia izolacji i pojawienie się prądu upływowego;
- kontrolować parametry i wyświetlać je na wyświetlaczu;
- ochrona przed przeładowaniem.
Po podłączeniu obciążenia do generatora elektrycznego, którego wartość będzie niższa od znamionowego, urządzenie zacznie „bezskutecznie” pochłaniać część ciekłego paliwa, bez pełnego wykorzystania jego możliwości.
Nie będzie zbędne mieć w zestawie dostawy specjalną obudowę wyciszającą, zwiększony zbiornik paliwa, obudowę chroniącą jednostkę przed niską temperaturą itp.
Funkcje instalacji
Potencjalny właściciel alternatora musi zadbać o przygotowanie miejsca instalacji przed zakupem. Niezależnie od tego, gdzie takie urządzenie zostanie zainstalowane, wewnątrz lub na zewnątrz, będzie wymagało płaskiej i solidnej platformy. Zainstalowanie generatora elektrycznego w nierównym miejscu doprowadzi do wzrostu wibracji, co przyspieszy zużycie części i może spowodować awarię drogiego urządzenia.
Podczas instalowania generatora w pomieszczeniu ważne jest zapewnienie wentylacji wyciągowej. Ponadto podczas pracy urządzenia zaleca się pozostawienie otwartych drzwi pokoju, co z kolei będzie wymagać zainstalowania kratki w drzwiach, która blokuje osobom postronnym, a co najważniejsze dzieciom, dostęp do strefy zagrożenia.
Generator elektryczny jest podłączony do sieci ściśle zgodnie z wymaganiami określonymi w instrukcji obsługi. W takim przypadku kabel elektryczny należy podłączyć za maszyną wprowadzającą i miernikiem elektrycznym.
