Elektrický generátor. Stručná historie a principy činnosti

Elektrický generátor (z latiny – „výrobce“) – zařízení, které generuje elektrickou energii, tj. přeměňuje mechanickou energii na elektrický proud.

Díky vynálezu generátoru měl průmysl i obyvatelstvo již v polovině 19. století reálnou příležitost vyrábět a využívat elektřinu, například k provozu strojů nebo osvětlení budov a ulic. Mimochodem, stejnosměrné elektromotory jsou konstrukčně téměř zcela podobné generátorům. Navíc, pokud otočíte kotvou stejnosměrného elektromotoru (například z elektromobilu nebo jiné hračky), začne stejně jako generátor vyrábět proud.

Princip fungování prvního generátoru

V roce 1831 objevil anglický vědec Michael Faraday elektromagnetickou indukci. Podstata tohoto objevu spočívala v tom, že pokud otáčíte vodič mezi póly magnetu, vznikne v něm elektromagnetické pole. Toto pole vyvolá pohyb elektronů a vodičem začne protékat elektrický proud. Díky tomuto objevu bylo možné vytvořit elektrický generátor a elektromotor.

Jak funguje elektrický generátor?

Činnost elektrického generátoru spočívá v interakci statoru, rotoru a sběracích kroužků. Stator zůstává v zapnutém generátoru nehybný. Vzdálenost mezi statorem a rotorem je jen několik milimetrů, takže mezi nimi vzniká velmi silné magnetické pole a ve vinutí rotoru se objevuje elektrický proud o vysokém výkonu. Statorové vinutí se po připojení napětí z externího zdroje mění na elektromagnet.

Rotor je spojen s hřídelí mechanického zařízení (spalovací motor, větrný nebo vodní motor atd.) a během provozu generátoru se otáčí. Vinutí rotoru při svém pohybu neustále kříží magnetické pole vytvořené vinutími statoru a v něm vzniká elektrický proud.

Tato konstrukce umožnila zbavit se velkých a těžkých permanentních magnetů. Sběrné kroužky jsou určeny k odvádění elektrické energie z vinutí rotoru. Jsou to bubny s mnoha měděnými deskami, ke kterým jsou připojena vinutí rotoru. Na vnější straně jsou s nimi v kontaktu grafitové kartáče, ke kterým je vodiči připojen spotřebič elektrické energie.

Moderní vodní motor

V moderních vodních motorech je kolo s lopatkami nahrazeno rychlejší vodní turbínou (odvozeno od slova „turbo“ – „vír“). Nejčastěji má spirálové pouzdro, tvarované jako šnečí ulita. Voda vstupuje širokým koncem pouzdra. Protože se „chodba“, kterou proudí, neustále zužuje, její tlak se zvyšuje.

Zvýšený průtok vody pak vstupuje do konkávních lopatek turbíny, která se nachází uprostřed „šneka“, a roztáčí ji. Energie proudění vody se tak přeměňuje na mechanickou práci.

Elektřina z vody

V dnešní době se elektřina vyrábí ve vodních elektrárnách, které využívají energii tekoucí vody.

Schéma provozu vodní elektrárny

Vodní elektrárna se skládá ze dvou hlavních částí: energetické jednotky a hráze (nebo hráze), která akumuluje vodu. Energetická jednotka obsahuje generátory, které vyrábějí elektrický proud. Jejich rotory se otáčejí díky vodním turbínám. Takto se energie proudící vody přeměňuje na elektřinu.

Vodní elektrárny-giganti

Jedna z nejvýkonnějších vodních elektráren na světě byla postavena v Číně na řece Jang-c’-ťiang a byla pojmenována „Tři soutěsky“. Její betonová hráz je dlouhá 2309 m a vysoká 185 m. Celková kapacita elektrických generátorů elektrárny je téměř 23 MW (1 MW = 1 milion W). Ročně vyrobí asi 100 miliard kWh elektřiny.

Jen o něco méně elektřiny vyrábí vodní elektrárna Itaipu, která se nachází na řece Paraná (na hranici Brazílie a Paraguaye), a která má největší přehradu. Výška této gigantické stavby dosahuje 196 m a délka je 7235 m.

Každý vůz má vlastní palubní autonomní elektrickou síť se všemi potřebnými prvky, zdrojem energie, úložnou jednotkou a spotřebiči. Každá z jednotek je funkčně kompletní, jsou propojeny elektrickým vedením a parametry sítě jsou jasně standardizovány díky nashromážděným zkušenostem s výrobou automobilových elektrických zařízení.

Zdrojem energie pro elektroniku je generátor, o kterém bude popsáno v tomto článku.

Proč potřebujete generátor v autě?

Veškerá energie v palubní síti pochází ze spalovacího motoru. Mechanická energie otáčení klikového hřídele musí být přeměněna na elektrickou energii. Tuto roli plní generátor.

V typickém provedení je jeho rotor vybaven řemenicí, na které je nasazen pružný řemen, který přenáší rotaci z podobné řemenice na čele klikového hřídele. Souběžně mohou být stejným řemenem poháněny i další namontované jednotky, ale tradičně se tomu říká generátor.

Na výstupu generátoru se vytváří elektrické napětí, které lze udržovat v daném rozsahu při dodávání libovolného proudu od nuly do maxima omezeného jmenovitým výkonem.

Zařízení dodává tento výkon při maximálních přípustných otáčkách rotoru, které jsou vázány na maximální frekvenci otáčení klikového hřídele pomocí zvoleného převodového poměru řemenového pohonu.

druhy

Existují dva hlavní typy automobilových generátorů:

• Stejnosměrný proud generuje napětí určité polarity přímo na vinutích;
• Střídavý proud, protože je stále vyžadováno konstantní napětí, je generátor vybaven vnitřním polovodičovým usměrňovačem.

V současné době se používá pouze druhý typ, protože má nepopiratelné výhody a jeho vinutí produkují třífázové napětí, které snáze vyhlazuje pulzace a umožňuje efektivnější využití hmotnosti a velikosti zařízení.

Co se nachází uvnitř tohoto zařízení, si povíme níže.

Zařízení

Externě jsou všechny generátory na první pohled podobné, ale ti, kteří jsou obeznámeni s elektrotechnikou, mohou snadno určit, se kterým zařízením mají co do činění. Situaci zjednodušuje skutečnost, že stejnosměrné stroje byly používány pouze na velmi reliktních automobilech, které se již dávno nevyráběly.

DC generátor

DC dynamo obsahuje:

• bydlení;
• budicí vinutí na statoru pevně upevněném ve skříni;
• silové vinutí na rotační kotvě;
• sestava kartáčů s měděno-grafitovými nebo uhlíkovými kartáči, které odvádějí proud z komutátoru rotující kotvy;
• regulátor napětí, který stabilizuje výstup regulací budícího proudu ve vinutí elektromagnetů statoru;
• hnací řemenice na hřídeli kotvy;
• ložiska, ve kterých se otáčí hřídel kotvy.

Pro vytvoření přijatelného výstupního výkonu musela být celá jednotka masivní a náročná na kov, takže s příchodem kvalitních usměrňovacích polovodičových zařízení se stejnosměrné generátory přestaly v automobilech používat.

Alternátor

V principu je navržen podobně, ale výstupní výkon je generován vícefázovými statorovými vinutími, vyrobenými ze silného drátu a nevyžadujícími výkonné a nespolehlivé sběrače proudu.

Složení zařízení je také podobné:

• pouzdro s montážními konzolami a elektrickými svorkami;
• statorová vinutí instalovaná v krytu lze vyjmout, když jsou jeho poloviny odpojeny;
• rotor s měkkými elektrickými železnými póly, měděným vinutím a komutátorem;
• sestava kartáčů, kde je obvykle instalována dvojice uhlíkových kartáčů a zabudovaný integrovaný polovodičový regulátor napětí, přes který je ke kartáčům přiváděn budicí výkon;
• usměrňovací blok, kde je umístěn třífázový můstek šesti výkonových ventilů (diod) a tři relativně nízkopříkonové přídavné diody pro napájení budícího vinutí, počet diod se může u specificky řešených moderních konstrukcí lišit;
• ložiska na hřídeli rotoru;
• výstupní konektory, napájení a ovládání, druhý silový kontakt je kovový kryt generátoru;
• hnací řemenice a oběžné kolo s nuceným chlazením.

Celá konstrukce je připevněna k přední části motoru pro pohodlnou organizaci řemenového pohonu od řemenice klikového hřídele. Často se vychylováním generátoru do strany upravuje napnutí řemene v případech, kdy složitější konstrukce pohonu namontovaných jednotek neznamená přítomnost samostatného napínače s válečkem.

Schéma zapojení

Obvod je rozdělen na napájecí a řídicí obvody. Výstup výkonného generátoru je připojen přímo ke kladnému pólu baterie pomocí napájecího konektoru vyrobeného z drátu s velkým průřezem, který je zajištěn maticí na čepu.

Tenký ovládací vodič se nejčastěji jednoduše připojuje k zapalovacímu obvodu přes kontrolku. Existují i jiná schémata, kdy má kontrolka vlastní ovládání ze speciálně navrženého kontaktu na těle.

Princip činnosti

Před zahájením práce se v autě zapne zapalování a na řídicí kontakt generátoru se přes žárovku přivede napětí. Protože generátor v tomto okamžiku negeneruje energii, na kontaktu není žádné napětí a žárovka je na potenciálu akumulátoru. Kontrolka se rozsvítí, budicím vinutím protéká počáteční proud.

Po spuštění motoru vytvoří rotující pole budicího vinutí na rotoru odezvu indukce ve vinutích statoru a generátor začne generovat elektřinu. Další diody zvýší napětí na kontaktu žárovky, na něm se žádný rozdíl neobjeví a ta přestane svítit, což signalizuje, že je vše v pořádku, generátor pracuje.

Elektronický obvod v relé-regulátoru kartáčové sestavy monitoruje výstupní napětí, zvyšuje nebo snižuje budicí proud, čímž udržuje výstup na nastavené úrovni, obvykle 14-15 voltů, v závislosti na typu použité baterie a její teplotě.

Při takovém napětí baterie přestane dodávat proud a přejde do režimu nabíjení nebo udržování, kde funguje jako další filtrační prvek, protože napětí generátoru pulzuje na frekvenci třífázového usměrňovače.

Pokud je zapnuto mnoho spotřebičů a otáčky motoru jsou nízké, zařízení není schopno dodat požadovaný výkon, napětí klesá a některé spotřebiče začnou být napájeny z baterie.

Při přidávání otáček generátor zvyšuje výkon, napájí spotřebiče a jeho přebytek jde na nabíjení baterie. Pokud je baterie nabitá a výkon je nadměrný, relé-regulátor snižuje budicí proud, aby se zabránilo nebezpečnému zvýšení napětí v síti.

Závažné poruchy

Projevem poruch je napětí v síti překračující stanovené limity a také cizí zvuky z pracujícího generátoru.

Důvody mohou být různé:

• opotřebení kartáčové sestavy, vyměňuje se spolu s integrovaným relé;
• hluboké opotřebení kolektoru kartáči, pokud jej již nelze odstranit broušením, vymění se kontaktní kroužky nebo kotevní sestava;
• selhání kotevních ložisek, lze je snadno vyměnit po úplné nebo částečné demontáži generátoru;
• vyhoření usměrňovacích diod, v současné době se nemění jednotlivě, je nutné vyměnit celý diodový můstek;
• zkraty mezi závity nebo přerušení kotvy nebo statoru, odpovídající díly se vymění;
• spálení nebo koroze kontaktů, lze je také vyměnit nebo vyčistit.

Není to přímo spojeno s generátorem, ale častou poruchou je hlasité pískání při přidávání otáček motoru. To naznačuje, že řemen prokluzuje na hnacích kladkách, napětí lze nastavit, ale je lepší takový řemen vyměnit.

Při demontáži generátoru za účelem opravy je vhodné okamžitě vyměnit diodový můstek, ložiska a relé-regulátor za kartáče. Tímto způsobem získá opravené zařízení nejvyšší možnou spolehlivost, i když plnou záruku může poskytnout pouze nový generátor od renomovaného výrobce.

Jak otestovat alternátor v autě

V ideálním případě by měl být generátor zkontrolován na stojanu, kde bude roztočen na jmenovité otáčky a zatížen na maximum, přičemž se kontroluje výstupní výkon v tomto režimu.

Můžete to ale přibližně zkontrolovat, aniž byste ho vyjímali z auta.

1. Na výstupní svorku generátoru je připojen digitální voltmetr (například jako součást multimetru).
2. Motor se spustí. Hodnoty voltmetru by se měly zvýšit na nominálních 14 – 14,5 voltů. Výjimkou bude případ, kdy je baterie velmi vybitá, pak se napětí bude postupně zvyšovat, jak se nabíjí.
3. Motor se uvede na střední nebo vysokou rychlost a zapnou se světlomety automobilu a další výkonní spotřebiče, přičemž celkový požadavek nepřesáhne plný výkon generátoru. Napětí by mělo zůstat stabilní, což znamená, že generátor dodává požadovaný výkon.
4. Generátor by neměl vydávat charakteristické vytí opotřebovaných ložisek. V případě pochybností jednoduše sejměte řemen a řemenici otočte rukou. Rotor se musí otáčet naprosto hladce, bez vibrací nebo vůle.

Nový generátor je velmi spolehlivý a první problémy mohou nastat až po ujetí 100-150 tisíc kilometrů. Tato zařízení však často vydrží mnohem déle, zejména při přechodné výměně sestavy kartáče.