Електричний генератор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Сучасний паровий генератор

Електричний генератор — пристрій, призначений для перетворення енергії механічного руху на енергію електричного струму, здебільшого з використанням принципу електромагнітної індукції. Електричний генератор є електричною машиною з дією, протилежною дії електродвигуна. Завдання джерела механічної енергії для генератора, можуть виконувати: парова машина чи парова турбіна, потік води, що обертає колесо, вітер, двигун внутрішнього згоряння або навіть сила людини.

[1] Історія[ред. | ред. код]

До відкриття зв'язку між магнетизмом та електрикою, було винайдено електростатичні генератори. Вони працювали на електростатичних принципах, з використанням рухомих електрично заряджених стрічок, пластин і дисків, що несли заряд до високовольтного електроду. Заряд генерувався з використанням будь-якого з двох механізмів: електростатичної індукції або трибоелектричного ефекту. Такі генератори виробляють дуже високу напругу і низький струм. Через їх неефективність та складності ізолювання машин, які виробляли дуже високі напруги, а також, низьку номінальну потужність, електростатичні генератори ніколи не використовувалися для вироблення комерційно значущих обсягів електроенергії. Їх єдиними практичними застосуваннями, були перші рентгенівські трубки, а згодом деякі пошвидшувачі атомних частинок.

Фарадеївський  дисковий генератор[ред. | ред. код]

Принцип роботи електромагнітних генераторів, було виявлено у 1831-1832 роках, Майклом Фарадеєм. Принцип, який пізніше назвали законом Фарадея, полягає у тому, що в електричному провіднику, який оточує мінливий магнітний потік, виникає електрорушійна сила.

Він також побудував перший електромагнітний генератор, званий фарадеївським диском; типу гомополярного

Диск Фарадея був першим електричним генератором. Магніт у формі підкови (А) створював магнітне поле крізь диск (D). Коли диск обертався, це викликало радіальний електричний струм, ззовні від центру до краю. Поточний струм, проходить крізь пружинний контактний ковпачок m по зовнішньому колу і назад у центр диска крізь вісь.

генератора, з використанням мідного диска, що обертається між полюсами підковоподібного магніту. Це давало невелику напругу постійного струму.

Ця будова була неефективною через протидію самонавідних струмів у ділянках диска, які не перебували під впливом магнітного поля. У той час як струм індукувався безпосередньо під магнітом, зворотний струм протікав в областях, які були поза впливом магнітного поля. Ця протитечія, обмежувала вихідну потужність на знімних дротах та викликала нагрів мідного диска. У пізніших гомополярних генераторах, цю проблему було вирішено, використанням декількох магнітів, розташованих навколо периметра диска, щоби підтримувати стійкий вплив поля в одному напрямку потоку.

Іншою вадою було те, що вихідна напруга була дуже низькою через одиничний струм крізь магнітний потік. Дослідники виявили, що використання декількох витків дроту у котушці, може привести до більш високих і більш корисних напруг. Оскільки вихідна напруга пропорційна кількості витків, генератори можуть бути легко спроектовані для отримання будь-якої бажаної напруги шляхом зміни кількості витків.  Дротяні обмотки стали основною особливістю всіх наступних будов генератора.

Єдлик та явище самозбудження[ред. | ред. код]

Незалежно від Фарадея, угорець Аньош Єдлик, 1827 року, почав досліджувати електромагнітні обертові пристрої, які він назвав електромагнітними саморегуляторами. У прототипі однополюсного електричного стартера (завершений між 1852 і 1854 роками), обидві — нерухома і обертова частини, були електромагнітними.

Типи генераторів[ред. | ред. код]

Генератори поділяються на генератори змінного струму й генератори постійного струму.

Більшість генераторів використовує механічну енергію обертання. На відміну від них магнітогідродинамічні генератори використовують пряме розділення зарядів в потоці гарячого газу крізь магнітне поле, а тому не мають у своїй будові обертових частин.

Будова та принцип дії[ред. | ред. код]

Електричний генератор складається з двох основних частин: рухомої — ротора й нерухомої — статора. Одна з цих

Анімація, що показує принцип роботи синхронного генератора змінного струму. Кільця на валу передають змінну напругу у зовнішнє коло.

частин, індуктор, використовується для створення магнітного поля, на іншій, якорі, змонтовані обмотки, з яких знімається електричний струм. Для створення магнітного поля використовуються постійні магніти, або електромагніти. Згенерований великий струм зручніше знімати з нерухомої обмотки, тому в генераторах змінного струму магніти змонтовані здебільшого на роторах.

Для усіх електричних генераторів, які використовують електричну індукцію, принцип перетворення механічної

Пульсова напруга постійного струму (колектор на кривошипній осі)

потужності на електроенергію, однакові. Механічна потужність подається на генератор у вигляді обертання механічного валу. Перетворення засновано на силі Лоренца, яка діє на рухомі електричні заряди у магнітному полі. Якщо провідник рухається поперек (перпендикулярно) до магнітного поля, сила Лоренца діє на заряди у провіднику у напрямку цього провідника і, таким чином, приводить їх у рух. Цей зсув заряду, викликає різницю потенціалів і генерує електричну напругу між кінцями провідника. У суміжній анімації має значення лише зміщення провідника (або двох відповідних секцій котушки) перпендикулярного магнітному полю. Це показується червоною областю. Чим більше змінюється площа за час зміни, тим вище напруга. Для збільшення напруги використовуються кілька провідників, з'єднаних послідовно у вигляді котушки.

Цей спосіб роботи, слід відрізняти від принципу електростатичних генераторів, в яких зсув електричних зарядів відбувається електричним, а не магнітним полем.

Спеціалізовані види генераторів[ред. | ред. код]

Постійний струм[ред. | ред. код]

Гомополярний генератор[ред. | ред. код]

Гомополярний генератор являє собою електричний генератор постійного струму, що містить електропровідний диск або циліндр, який обертається у площині, перпендикулярній до однорідного статичного магнітного поля. Різниця потенціалів створюється між центром диска та ободом (або кінцями циліндра), електричною полярністю залежно від спрямованості обертання та орієнтації поля.

Він також відомий як однополярний генератор, ациклічний генератор, дискове динамо або диск Фарадея. Напруга зазвичай невелика, порядку декількох вольт у разі невеликих демонстраційних моделей, але великі дослідницькі генератори можуть виробляти сотні вольт, а деякі системи мають кілька генераторів послідовно, задля створення ще більшої напруги. Вони незвичайні у тому, що можуть виробляти величезний електричний струм, більше ніж на мільйон ампер, тому що гомополярний генератор може мати дуже низький внутрішній опір.

МГД-генератор[ред. | ред. код]

Магнітогідродинамічний генератор витягує електричну енергію безпосередньо, з рухомих гарячих газів крізь магнітне

MHD generator (En).png

поле, без використання обертових електромагнітних складових. Від самого початку, МГД-генератори були розроблені, тому що плазма на виході МГД-генератора є полум'ям, здатним нагрівати котли парової електростанції. Першим практичним проектом був AVCO Mk. 25, розроблений 1965 року. Уряд США профінансував істотний розвиток МГД, кульмінацією якого, 1987 року, став демонстраційний агрегат потужністю 25 МВт. У колишньому Радянському Союзі з 1972 року до кінця 1980-х років, МГД-установка потужністю 25 МВт, знаходилася у постійній комерційній експлуатації в Московській енергосистемі, та була найбільш потужною, на той час, у світі. Станом на 2007 рік, МГД-генератори, що працюють у якості оборотного циклу, стали менш ефективними, за газові турбіни комбінованого циклу.

Змінний струм[ред. | ред. код]

Індукційний генератор[ред. | ред. код]

Індукційні двигуни змінного струму, можуть використовуватися як генератори, шляхом перетворення механічної енергії на електричний струм. В індукційних генераторах ротор механічно обертається швидше, за синхронну швидкість, що дає негативне ковзання. Звичайний асинхронний двигун змінного струму, може використовуватися як генератор без будь-яких внутрішніх удосконалень. Індукційні генератори корисні для таких застосувань, як міні-електростанції, вітряні турбіни або для зменшення потоків газу високого тиску до більш низького тиску, оскільки вони можуть відновлювати енергію за допомогою відносно простих елементів керування. Вони не вимагають схеми збудження, тому що обертове магнітне поле, забезпечується індукцією з кола статора. Вони також, не вимагають регулятора швидкості, оскільки за своєю суттю, працюють на частоті приєднаної мережі.

Для роботи, індукційний генератор повинен бути збуджений підвідною напругою; це, як правило, здійснюється приєднанням до електромережі, або іноді вони самозбуджуються за допомогою фазових конденсаторів.

[2] Лінійний генератор[ред. | ред. код]

Лінійний генератор (також званий індукційним або шейкерним генератором) в його простій формі, може бути втілений за допомогою двигуна Стельзера. У цьому разі, на обох боках вільного ходу є котушка, в яку занурено кінець поршня, на котрому розташовано магніт. Частота виробленої змінної напруги, залежить від частоти вільного ходу поршня та змінюється залежно від навантаження.

Двигун Стельзера

Окремим прикладом застосування цього способу, є ліхтарі Schüttel. Струшування, призводить до того, що сильний неодимовий магніт, переміщається крізь котушку. Виробленої напруги, досить для зарядки двошарового конденсатора (від 1 до 2 Фарад та від 3 до 4 вольт), який згодом може живити одну або кілька світлодіодних ламп протягом тривалого періоду часу. Іншим прикладом застосування лінійних генераторів, є накопичувачі, оснащені ним (наприклад, у розмірі AA або AAA), які можуть використовуватися повсюдно для подібних ощадних пристроїв.

[3] Синхронний генератор[ред. | ред. код]

Майже усі сучасні генератори меншої потужності, є трифазними асинхронними машинами, у той час як великі генератори (приблизно від 0,1 МВт), та й генератори в автомобілях і на велосипедах, це синхронні електромашини. Лише синхронні генератори, здатні забезпечити не лише активну, але й реактивну потужність, потрібну для електростанцій.

Назва синхронний генератор означає, що частота напруги, котра ним виробляється, відповідає швидкості обертання ротора. Ротор, який також називається полюсним колесом, має електричні обмотки, котрі забезпечують магнітне поле. Ротор живиться за допомогою постачання електрики з зовнішнього джерела постійного струму. Це може бути генератор постійного струму, встановлений на валу основного генератора (самонамагнічення) або окремий випрямляч (DC) на основі напівпровідникової технології. Ротор створює обертове магнітне поле, і це викликає напругу в обмотках статора. Обмотки у статорі встановлюються в канавки з внутрішнього боку і приєднуються до зовнішньої електричної мережі. Обмотки статора, також називаються якірними секціями. Залежність між числом пар полюсів на полюсному колесі, геометричним розташуванням якірних секцій і швидкістю обертання ротора, визначають частоту напруги та фазовий зсув.

Для прикладу, щодо частоти 50 герц: вважається, що парова турбіна найефективніше працює за 3000 обертів на хвилину, число полюсів генератора, дорівнює двом (північний та південний); для дизельного двигуна, який застосовується на дизельних електростанціях, найкращий режим роботи — 750 обертів на хвилину, тоді генератор повинен мати 8 полюсів (4 пари); важкі та тихохідні гідравлічні турбіни на великих гідроелектростанціях, працюють зі швидкістю 150 обертів на хвилину, тож генератор може мати 40 (20 пар) полюсів.

Статор великого турбогенератора AEG-Turbinenfabrik, Берлін, 1955. Зверніть увагу, що обмотки посідають всю протяжність статора - це називається розподіленою обмоткою. Такий спосіб намотування генератора, є одним з декількох способів, спрямованих на те, щоби напруга на виході генератора, була якнайбільше синусоїдальною.

В сучасних енергосистемах, паралельно приєднано сотні або тисячі генераторів. Таким чином, як напруга, так і частота окремих генераторів, в основному визначаються іншими машинами в енергосистемі. Для розподільної мережі дуже важливо, що синхронні машини, географічно розділені сотнями кілометрів, працюють з однаковою частотою. Проте всі основні генератори, повинні мати регулятор швидкості та напруги, щоби частота і напруга енергосистеми, були досить постійними. Хоча один генератор являє собою лише дуже невелику частину продуктивності системи, всі пристрої, повинні підтримувати постійну частоту та швидкість обертання . Виняток, становлять невеликі генератори на переносних електростанціях, які можуть бути спрощеними і дешевшими без цих регуляторів.

Великі енергосистеми, виграють від того, що можуть мати високу надійність, проте загальна запасна потужність, не повинна бути невідповідно великою. Резервна потужність, означає складові системи — (генератори або лінії електропередач), які не працюють (часто звані "холодним" запасом) або використовуються не на повну потужність (обіговий "гарячий" запас). Це вигідно під час досягнення перевантаження, але, натомість, сприяє поганому використанню інвестованого капіталу. Різні джерела енергії можуть застосовуватися на великій географічній території, наприклад, практично вся Північна Америка приєднана до великої енергосистеми. Електростанції часто дуже складні та дорогі, тому заощадження за рахунок їх об'єднання, привабливе для використання у великій взаємозалежній системі, де джерелами енергії, є величезні електростанції.

Дивіться також[ред. | ред. код]