Generátor proudu. Zařízení a princip činnosti generátoru.

Generátor proudu přeměňuje mechanickou (kinetickou) energii na energii elektrickou. V energetice se používají pouze točivé generátory elektrických strojů, založené na generování elektromotorické síly (EMF) ve vodiči, který je nějak ovlivněn měnícím se magnetickým polem. Část generátoru, která je určena k vytvoření magnetického pole, se nazývá induktor a část, ve které je indukováno EMF, se nazývá kotva.

Rotující část stroje se nazývá rotora pevná část – stator. U střídavých synchronních strojů je induktor obvykle rotor a u stejnosměrných strojů stator. V obou případech je induktorem zpravidla dvou- nebo vícepólový elektromagnetický systém vybavený budicím vinutím napájeným stejnosměrným proudem (budicím proudem), existují však i induktory tvořené soustavou permanentních magnetů. Na indukci (asynchronní) generátory střídavého proudu induktor a kotva od sebe nelze jasně (konstrukčně) odlišit (můžeme říci, že stator a rotor jsou induktorem i kotvou).

Více než 95 % světové elektřiny se vyrábí pomocí synchronní generátory střídavého proudu. Tyto generátory pomocí rotující tlumivky vytvářejí rotující magnetické pole, které ve statorovém (obvykle třífázovém) vinutí indukuje střídavé EMF, jehož frekvence přesně odpovídá frekvenci otáčení rotoru (je v synchronizaci s frekvencí otáčení tlumivky). Pokud má induktor například dva póly a otáčí se frekvencí 3000 ot/min (50 ot/s), pak se v každé fázi statorového vinutí indukuje střídavé EMF s frekvencí 50 Hz. Návrh takového generátoru je zjednodušený a znázorněný na obr. 1. Obr.

Rýže. 1. Princip zařízení dvoupólového synchronního generátoru. 1 stator (kotva), 2 rotor (induktor), 3 hřídel, 4 pouzdro. UX, VY, WZ – části vinutí tří fází umístěné ve štěrbinách statoru

Magnetický systém statoru je lisovaný balík tenkých ocelových plechů, v jejichž drážkách je umístěno vinutí statoru. Vinutí se skládá ze tří fází, posunutých u dvoupólového stroje vůči sobě o 1/3 obvodu statoru; Ve fázových vinutích se tedy indukují EMF, které jsou vůči sobě posunuty o 120o. Vinutí každé fáze se zase skládá z víceotáčkových cívek zapojených do série nebo paralelně. Jedna z nejjednodušších konstrukčních možností takového třífázového vinutí dvoupólového generátoru je ve zjednodušené podobě znázorněna na obr. 2 (většinou je počet cívek v každé fázi větší, než je na tomto obrázku znázorněno). Ty části cívek, které jsou mimo štěrbiny, na čelní ploše statoru, se nazývají koncové spoje.

Rýže. 2. Nejjednodušší princip zařízení statorového vinutí třífázového dvoupólového synchronního generátoru v případě dvou cívek v každé fázi. 1 sken povrchu magnetického systému statoru, 2 cívky vinutí, U, V, W začátky fázových vinutí, X, Y, Z konce fázových vinutí

Mohou existovat více než dva póly induktoru a v souladu s tím dělení statorových pólů. Čím pomaleji se rotor otáčí, tím větší musí být počet pólů pro danou proudovou frekvenci. Pokud se například rotor otáčí frekvencí 300 ot./min., musí být počet pólů generátoru, aby se získala frekvence střídavého proudu 50 Hz, 20. Například v jedné z největších vodních elektráren na světě, vodní elektrárně Itaipu (viz obr. 4), pracují generátory s frekvencí 50 pólů 66 Hz a generátory s frekvencí 60 pólů 78 Hz .

Budicí vinutí dvou nebo čtyřpólového generátoru je umístěno tak, jak je znázorněno na obr. 1, v drážkách masivního ocelového jádra rotoru. Tato konstrukce rotoru je nezbytná u rychloběžných generátorů pracujících s otáčkami 3000 nebo 1500 ot/min (zejména u turbogenerátorů určených pro připojení k parním turbínám), neboť při takové rychlosti působí na vinutí rotoru velké odstředivé síly. Při větším počtu pólů má každý pól samostatné budicí vinutí (obr. 3.12.3). Tento princip vyčnívajících pólů zařízení se využívá zejména u pomaloběžných generátorů určených pro spojení s vodními turbínami (hydrogenerátory), pracujících obvykle s frekvencí otáček 60 ot/min až 600 ot/min.

Velmi často jsou takové generátory v souladu s konstrukcí výkonných hydroturbin vyrobeny s vertikální hřídelí.

Rýže. 3. Princip konstrukce rotoru pomaloběžného synchronního generátoru. 1 pól, 2 budicí vinutí, 3 montážní kolečko, 4 hřídel

Budicí vinutí synchronní generátor Obvykle jsou napájeny stejnosměrným proudem z externího zdroje přes sběrací kroužky na hřídeli rotoru. Dříve se pro tento účel poskytoval speciální stejnosměrný generátor (budič), pevně spojený s hřídelí generátoru, v současnosti se však používají jednodušší a levnější polovodičové usměrňovače. V rotoru jsou zabudovány také budicí systémy, ve kterých je EMF indukováno vinutím statoru. Pokud se pro vytvoření magnetického pole místo elektromagnetického systému použijí permanentní magnety, pak odpadá zdroj budícího proudu a generátor se výrazně zjednoduší a bude spolehlivější, ale zároveň dražší. Proto se permanentní magnety obvykle používají v generátorech s relativně nízkým výkonem (s kapacitou až několik set kilowattů).

Konstrukce turbogenerátorů je díky válcovému rotoru relativně malého průměru velmi kompaktní. Jejich specifická hmotnost je obvykle 0,5…1 kg/kW a jejich jmenovitý výkon může dosáhnout 1600 MW. Konstrukce hydrogenerátorů je poněkud složitější, průměr rotoru je velký a jejich měrná hmotnost je proto obvykle 3,5…6 kg/kW. Dosud se vyráběly s nominálním výkonem až 800 MW.

Při provozu generátoru v něm dochází ke ztrátám energie aktivním odporem vinutí (ztráty mědi), vířivými proudy a hysterezí v aktivních částech magnetického systému (ztráty oceli) a třením v ložiskách rotujících částí (ztráty třením). Ačkoli celkové ztráty obvykle nepřesahují 1-2 % výkonu generátoru, odstranění tepla uvolněného v důsledku ztrát může být obtížné. Pokud jednoduše předpokládáme, že hmotnost generátoru je úměrná jeho výkonu, pak jeho lineární rozměry jsou úměrné třetí odmocnině výkonu a jeho povrchové rozměry jsou úměrné výkonu zvýšenému na 2/3. S rostoucím výkonem proto povrch chladiče roste pomaleji než jmenovitý výkon generátoru. Pokud při výkonech řádově několik stovek kilowattů stačí použít přirozené chlazení, pak při vyšších výkonech je nutné přejít na nucené větrání a od cca 100 MW použít místo vzduchu vodík. Pro ještě vyšší výkony (např. více než 500 MW) je nutné vodíkové chlazení doplnit vodním. U velkých generátorů je také potřeba ložiska speciálně chladit, obvykle se k tomu používá cirkulace oleje.

Vývin tepla generátoru lze výrazně snížit použitím supravodivých budicích vinutí. První takový generátor (o výkonu 4 MVA), určený pro použití na lodích, vyrobila v roce 2005 německá elektrotechnická společnost Siemens (Siemens AG) [3.24]. Jmenovité napětí synchronních generátorů se v závislosti na výkonu obvykle pohybuje v rozmezí od 400 V do 24 kV. Používala se i vyšší jmenovitá napětí (až 150 kV), ale velmi zřídka. Kromě synchronních generátorů síťové frekvence (50 Hz nebo 60 Hz) se vyrábí také vysokofrekvenční generátory (do 30 kHz) a nízkofrekvenční generátory (16,67 Hz nebo 25 Hz), používané na elektrifikovaných železnicích v některých evropských zemích. Součástí synchronních generátorů je v zásadě také synchronní kompenzátor, což je synchronní motor běžící naprázdno a dodávající jalový výkon do vysokonapěťové distribuční sítě. Pomocí takového stroje je možné pokrýt spotřebu jalového výkonu místních průmyslových spotřebitelů elektřiny a osvobodit hlavní rozvodnou síť od přenosu jalového výkonu.

Kromě synchronních generátorů je lze relativně zřídka a při relativně nízkém výkonu (do několika megawattů) použít také asynchronní generátory. Ve vinutí rotoru takového generátoru je proud indukován magnetickým polem statoru, pokud se rotor otáčí rychleji než magnetické pole statoru o síťové frekvenci. Potřeba takových generátorů vzniká obvykle tehdy, když není možné zajistit konstantní rychlost otáčení hnacího stroje (např. větrná turbína, některé malé vodní turbíny atd.).

У DC generátor Magnetické póly spolu s budícím vinutím jsou obvykle umístěny ve statoru a vinutí kotvy je umístěno v rotoru. Protože se ve vinutí rotoru při jeho otáčení indukuje proměnná EMF, musí být kotva vybavena kolektorem (komutátorem), pomocí kterého se na výstupu generátoru (na kartáčích kolektoru) získá konstantní EMF. V současné době se generátory stejnosměrného proudu používají zřídka, protože stejnosměrný proud je snazší získat pomocí polovodičových usměrňovačů.

Patří sem také elektrické strojní generátory elektrostatické generátory, na jehož rotující části se třením (triboelektricky) vytváří vysokonapěťový elektrický náboj. První takový generátor (ručně otáčená sirná koule, která se při otírání o ruku člověka zelektrizovala) vyrobil v roce 1663 starosta města Magdeburg (Magdeburg, Německo) Otto von Guericke (1602–1686). Takové generátory během svého vývoje umožnily objevit mnoho elektrických jevů a vzorců. Neztratily svůj význam jako prostředek k provádění experimentálního výzkumu ve fyzice.

První magnetoelektrický generátor Byl vyroben 4. listopadu 1831 profesorem Michaelem Faradayem (1791–1867) z Royal Institution of London. Generátor se skládal z permanentního magnetu ve tvaru podkovy a měděného disku rotujícího mezi magnetickými póly (obr. 3.12.4). Při otáčení disku se mezi jeho osou a okrajem indukovalo konstantní EMF. Pokročilejší unipolární generátory jsou konstruovány na stejném principu a používají se (byť poměrně zřídka) dodnes.

Rýže. 4. Princip zařízení unipolární generátor Michael Faraday. 1 magnet, 2 rotující měděný kotouč, 3 kartáče. Rukojeť disku není zobrazena.

Michael Faraday se narodil v chudé rodině a po základní škole se ve 13 letech vyučil knihařem. Pokračoval ve vzdělávání nezávisle na knihách az Encyclopedia Britannica se dozvěděl o elektřině, vyrobil elektrostatický generátor a Leydenskou nádobu. Aby si rozšířil své znalosti, začal navštěvovat veřejné přednášky o chemii pořádané ředitelem Royal Institution Humphrey Davy (1778–1829) a v roce 1813 získal místo jeho asistenta. V roce 1821 se stal generálním inspektorem institutu, v roce 1824 členem Královské společnosti a v roce 1827 profesorem chemie na Royal Institution. V roce 1821 zahájil své slavné experimenty s elektřinou, během nichž navrhl princip činnosti elektromotoru, objevil fenomén elektromagnetické indukce, princip magnetoelektrického generátoru, zákony elektrolýzy a mnoho dalších zásadních fyzikálních jevů. Rok po výše popsaném Faradayově experimentu, 3. září 1832, vyrobil pařížský mechanik Hippolyte Pixii (1808–1835) na objednávku a pod dohledem zakladatele elektrodynamiky Andre Marie Ampere (1775–1836) generátor s manuálně otáčeným magnetem, jako má Faraday (obr. 5). Ve vinutí kotvy generátoru Pixie se indukuje střídavé EMF. Pro usměrnění výsledného proudu byl zpočátku ke generátoru připojen otevřený rtuťový komutátor, který přepínal polaritu EMF s každou půlotáčkou rotoru, ale brzy byl nahrazen jednodušším a bezpečnějším válcovým kartáčovým kolektorem, znázorněným na obr. 5.

Rýže. 5. Princip zařízení magnetoelektrický generátor Ippolita Pixie (a), graf indukovaného EMF (b) a graf pulzujícího konstantního EMF získaného pomocí kolektoru (c). Rukojeť a kuželový převod nejsou zobrazeny

Generátor postavený na principu Pixie poprvé použil v roce 1842 ve své továrně v Birminghamu k zásobování elektřinou galvanické lázně anglický průmyslník John Stephen Woolrich (1790–1843), přičemž jako hnací motor použil parní stroj o výkonu 1 hp. S. Napětí jeho generátoru bylo 3 V, jmenovitý proud 25 A a účinnost asi 10 %. Podobné, ale výkonnější generátory se rychle začaly zavádět do dalších galvanických závodů v Evropě. V roce 1851 navrhl německý vojenský lékař Wilhelm Josef Sinsteden (1803–1891) použít v induktoru místo permanentních magnetů elektromagnety a napájet je proudem z menšího pomocného generátoru; Zjistil také, že účinnost generátoru by se zvýšila, pokud by ocelové jádro elektromagnetu nebylo vyrobeno masivní, ale z paralelních drátů. Sinstedenovy myšlenky však prakticky využil až v roce 1863 anglický elektroinženýr-samouk Henry Wilde (1833–1919), který kromě jiných inovací navrhl namontovat na hřídel generátoru budicí stroj (anglicky exitatrice). V roce 1865 vyrobil generátor o nebývalém výkonu 1 kW, se kterým mohl dokonce předvádět tavení a svařování kovů.

Nejdůležitější zlepšení DC generátory se stal jejich sebebuzení, jehož princip si nechal v roce 1854 patentovat hlavní inženýr dánských státních drah Soren Hjorth (1801–1870), který však v té době nenašel praktické uplatnění. V roce 1866 tento princip nezávisle na sobě znovu objevilo několik elektrotechniků, včetně již zmíněného H. Wildea, ale do širokého povědomí se dostal v prosinci 1866, kdy jej německý průmyslník Ernst Werner von Siemens (1816–1892) použil ve svém kompaktním a vysoce účinném generátoru. 17. ledna 1867 byla na berlínské akademii věd přečtena jeho slavná zpráva o dynamoelektrickém principu (samobuzení). Sebebuzení umožnilo odstranit pomocné budicí generátory (budiče), které umožnily vyrábět mnohem levnější elektřinu ve velkém množství. Z tohoto důvodu je rok 1866 často považován za rok zrodu silnoproudé elektrotechniky. U prvních samobuzených generátorů bylo budicí vinutí zapojeno jako u Siemensu do série s vinutím kotvy, ale v únoru 1867 anglický elektroinženýr Charles Wheatstone (1802–1875) navrhl paralelní buzení, které umožňovalo lepší regulaci EMF generátoru, k němuž dospěl ještě před zprávami o sériovém buzení objeveným Siemensem (obr.6).

Rýže. 6. Vývoj budicích systémů pro stejnosměrné generátory. a buzení pomocí permanentních magnetů (1831), b externí buzení (1851), c sériové samobuzení (1866), d paralelní samobuzení (1867). 1 kotva, 2 budicí vinutí. Reostaty řízení budícího proudu nejsou zobrazeny.

Potřeba pro generátory střídavého proudu vznikl v roce 1876, kdy ruský elektrotechnik Pavel Jabločkov (1847–1894), působící v Paříži, začal osvětlovat městské ulice pomocí jím vyrobených střídavých obloukových lamp (Jabločkovových svíček). První generátory potřebné k tomu vytvořil pařížský vynálezce a průmyslník Zenobe Theophile Gramme (1826–1901). S příchodem masové výroby žárovek v roce 1879 ztratil střídavý proud na čas svůj význam, ale znovu získal svůj význam se zvýšením dosahu elektrického přenosu v polovině 1880. let 1888. století. V letech 1890–1856 majitel vlastní výzkumné laboratoře Tesla-Electric (Tesla-Electric Co., New York, USA), srbský elektroinženýr Nikola Tesla (1943–1862), který emigroval do USA, a hlavní inženýr firmy AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft), ruský 1919brovol Elektricitats-Gesellschaft (XNUMXvol.XNUMX Dol. emigroval do Německa, vyvinul systém třífázového střídavého proudu. V důsledku toho začala výroba stále výkonnějších synchronní generátory pro tepelné a vodní elektrárny ve výstavbě.

Za důležitou etapu ve vývoji turbogenerátorů lze považovat vývoj válcového rotoru v roce 1898 spolumajitelem švýcarského elektrotechnického závodu Brown, Boveri & Cie.(BBC) Charlesem Eugenem Lancelotem Brownem (1863–1924). První generátor s vodíkovým chlazením (o výkonu 25 MW) byl uveden na trh v roce 1937 americkou společností General Electric a s in-line vodním chlazením – v roce 1956 anglickou společností Metropolitan Vickers.

Promluvme si o tom, co je generátor stejnosměrného proudu a proč je potřeba, a také o tom, jak se liší od podobných systémů. I když inženýři vytvořili pokročilejší a výkonnější systémy současné generace, hlavní postava diskuse je stále široce používána. Začněme definováním tohoto detailu.

Co je stejnosměrný generátor?

Nejprve byste měli zjistit, co je generátor stejnosměrného proudu a co představuje. Tento termín označuje zařízení pro vytváření konstantního napětí. Byl vynalezen na konci 19. století, ale až dosud zařízení nedoznalo výrazných změn.

Provoz generátoru je založen na zákonu elektromagnetické indukce. V důsledku interakce vodiče a permanentního magnetu se začne generovat síla elektromotoru. Je rozveden speciálními vodiči po celém napájecím systému a napájí jej. Vzhledem k poměrně složitému zařízení může být někdy nutné opravit generátor automobilu ve specializovaném servisním středisku.

I přes složitost konstrukce a možnost poruchy nelze podceňovat roli stejnosměrného generátoru při provozu elektrických systémů. Podívejme se blíže na otázku, proč je v autě potřeba stejnosměrný generátor.

Proč potřebujete stejnosměrný generátor?

Proč tedy potřebujete stejnosměrný generátor a proč se bez něj neobejdete? Je těžké si představit provoz auta bez elektřiny. Za jeho výrobu je zodpovědný generátor. Používají se v zařízeních s nízkým výkonem. Má to výhody i nevýhody.

Mezi výhody patří generování stejnosměrného proudu, který v čase nemění velikost ani směr. Proud nemění vektor pohybu v síti, takže použití usměrňovače není nutné. Polní vinutí je umístěno na pólech.

Mezi nevýhody patří ztráta výkonu mezi kartáči a komutátorem. Výkonová hustota stejnosměrného generátoru je nižší než u jeho analogů. Vzhledem ke složité konstrukci mohou být nutné opravy solenoidového relé spouštěče nebo jiných dílů. Podívejme se blíže na strukturu této části.

Z čeho se skládá stejnosměrný generátor?

Stojí za to zjistit, z čeho se stejnosměrný generátor skládá a na co byste měli věnovat zvláštní pozornost. Konstrukce obsahuje kotvu a stator. Přítomnost těchto dvou částí je typická pro všechny elektrické stroje. Vinutí jsou umístěna v tělese kotvy. K tomu jsou určeny speciální prohlubně.

Konce vinutí jsou spojeny s měděnými deskami oddělenými dielektrikem, které se nazývají kolektor. Pro umístění vinutí budicí cívky slouží stator, v jehož jádru se vytváří magnetické pole. Dalším důležitým pojmem je, co je převodovka a k čemu slouží.

Magnety jsou připevněny k tělu generátoru spolu s vinutím. Přítomnost spínací jednotky umožňuje použití grafitových kartáčů. Vytvářejí kontakt a přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii.

Elektrický systém stejnosměrného generátoru má dostatečný počet dílů, které pomáhají přenášet energii. Pokud je napětí prvků nedostatečné, stojí za to zkontrolovat provoz každého z nich. Chcete-li to provést, stojí za to se seznámit s tím, co jsou a jsou přesuvná spojka generátoru a další části. Kvalita stejnosměrného napájení vozidla bude záviset na provozu každého prvku.

Jaký je rozdíl mezi DC a AC generátorem?

Na závěr stojí za to zvážit, jak se stejnosměrný a střídavý generátor liší a proč je každý potřebný. Každý z nich má své vlastní zařízení a účel. Výše jsme podrobně rozebrali, jak funguje generátor střídavého proudu a jak to funguje.

Alternátor se liší nejen svou konstrukcí, ale také rozsahem použití. Má jednodušší strukturu, vysoký výkon, ale proud v něm generovaný nemá konstantní směr. Oba přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii, ale dělají to různými způsoby. Pokud se některý z nich porouchá, měli byste svěřit opravu spouštěče generátoru v Petrohradě a dalších městech odborníkům, kteří mají v této oblasti zkušenosti.

DC generátor je důležitou součástí provozu automobilu. Pro prodloužení doby jeho provozu je nutné podstoupit diagnostiku a včas vyměnit díly. Díky tomu bude elektrická soustava vozidla nepřetržitě napájena stejnosměrným proudem.