Generatory

Generatory to urządzenia, które przetwarzają inne formy energii w energię elektryczną. W 1832 roku Francuz Bixi wynalazł generator.

Generator składa się z wirnika i stojana. Wirnik znajduje się w centralnej komorze stojana. Jego bieguny magnetyczne na wirniku generują pole magnetyczne. Gdy główny napęd wprawia wirnik w ruch obrotowy, przekazywana jest energia mechaniczna. Bieguny magnetyczne wirnika obracają się z dużą prędkością wraz z wirnikiem, powodując oddziaływanie pola magnetycznego z uzwojeniem stojana. To oddziaływanie powoduje, że pole magnetyczne przecina przewody uzwojenia stojana, generując indukowaną siłę elektromotoryczną i przekształcając w ten sposób energię mechaniczną w energię elektryczną. Generatory dzielą się na prąd stały i prąd przemienny, które są szeroko stosowane w produkcji przemysłowej i rolnej, obronie narodowej, nauce i technice oraz życiu codziennym.

Parametry strukturalne

Generatory zazwyczaj składają się ze stojana, wirnika, pokryw końcowych i łożysk.

Stojan składa się z rdzenia stojana, uzwojeń drutu, ramy i innych części konstrukcyjnych, które mocują te części.

Wirnik składa się z uzwojenia rdzenia wirnika (lub bieguna magnetycznego, dławika magnetycznego), pierścienia ochronnego, pierścienia środkowego, pierścienia ślizgowego, wentylatora i wału wirnika oraz innych elementów.

Stojan i wirnik generatora są połączone i zmontowane za pomocą łożysk i zaślepek, dzięki czemu wirnik może obracać się w stojanie i wykonywać ruch przecinania linii sił magnetycznych, generując w ten sposób indukowany potencjał elektryczny, który jest wyprowadzany przez zaciski i podłączany do obwodu, dzięki czemu wytwarzany jest prąd elektryczny.

Cechy funkcjonalne

Wydajność generatora synchronicznego jest charakteryzowana głównie przez charakterystykę pracy bez obciążenia i pod obciążeniem. Te charakterystyki stanowią istotną podstawę doboru generatorów przez użytkowników.

Charakterystyka bez obciążenia:Gdy generator pracuje bez obciążenia, prąd twornika jest zerowy, co jest stanem znanym jako praca w obwodzie otwartym. W tym momencie trójfazowe uzwojenie stojana silnika ma jedynie siłę elektromotoryczną stanu jałowego E0 (symetria trójfazowa) indukowaną przez prąd wzbudzenia If, a jej wartość rośnie wraz ze wzrostem If. Jednakże, te dwie wartości nie są proporcjonalne, ponieważ rdzeń obwodu magnetycznego silnika jest nasycony. Krzywa odzwierciedlająca zależność między siłą elektromotoryczną stanu jałowego E0 a prądem wzbudzenia If nazywana jest charakterystyką stanu jałowego generatora synchronicznego.

Reakcja armatury:Gdy generator jest podłączony do symetrycznego obciążenia, prąd trójfazowy w uzwojeniu wirnika generuje inne wirujące pole magnetyczne, zwane polem reakcji wirnika. Jego prędkość jest równa prędkości wirnika, a oba obracają się synchronicznie.

Zarówno pole reaktywne twornika, jak i pole wzbudzenia wirnika generatorów synchronicznych można aproksymować jako rozkład sinusoidalny. Ich przestrzenna różnica faz zależy od różnicy faz w czasie między siłą elektromotoryczną bez obciążenia E0 a prądem twornika I. Ponadto pole reakcji twornika jest również powiązane z warunkami obciążenia. Gdy obciążenie generatora ma charakter indukcyjny, pole reakcji twornika ma efekt rozmagnesowujący, co prowadzi do spadku napięcia generatora. Z kolei, gdy obciążenie ma charakter pojemnościowy, pole reakcji twornika ma efekt magnesujący, co zwiększa napięcie wyjściowe generatora.

Charakterystyka pracy obciążenia:Odnosi się głównie do charakterystyk zewnętrznych i charakterystyk regulacji. Charakterystyka zewnętrzna opisuje zależność między napięciem na zaciskach generatora U a prądem obciążenia I, przy stałej prędkości znamionowej, prądzie wzbudzenia i współczynniku mocy obciążenia. Charakterystyka regulacji opisuje zależność między prądem wzbudzenia If a prądem obciążenia I, przy stałej prędkości znamionowej, napięciu na zaciskach i współczynniku mocy obciążenia.

Szybkość zmian napięcia generatorów synchronicznych wynosi około 20–40%. Typowe obciążenia przemysłowe i domowe wymagają względnie stałego napięcia. Dlatego prąd wzbudzenia musi być odpowiednio dostosowywany wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Chociaż trend zmian charakterystyki regulacji jest odwrotny do trendu charakterystyki zewnętrznej, wzrasta on w przypadku obciążeń indukcyjnych i czysto rezystancyjnych, podczas gdy na ogół maleje w przypadku obciążeń pojemnościowych.

Zasada działania

Generator diesla

Silnik wysokoprężny napędza generator, przetwarzając energię oleju napędowego na energię elektryczną. Wewnątrz cylindra silnika wysokoprężnego czyste powietrze, przefiltrowane przez filtr powietrza, dokładnie miesza się z rozpylonym olejem napędowym pod wysokim ciśnieniem wtryskiwanym przez wtryskiwacz. Gdy tłok porusza się w górę, sprężając mieszankę, jej objętość maleje, a temperatura gwałtownie rośnie, aż do osiągnięcia punktu zapłonu. Powoduje to zapłon oleju napędowego, powodując gwałtowny zapłon mieszanki. Gwałtowne rozprężanie się gazów powoduje następnie ruch tłoka w dół, co jest procesem znanym jako „praca”.

Generator benzynowy

Silnik benzynowy napędza generator, przetwarzając energię chemiczną benzyny na energię elektryczną. Wewnątrz cylindra silnika benzynowego mieszanka paliwa i powietrza ulega szybkiemu spalaniu, co powoduje gwałtowne zwiększenie objętości, które powoduje ruch tłoka w dół, wykonującego pracę.

Zarówno w generatorach diesla, jak i benzynowych, każdy cylinder pracuje sekwencyjnie w określonej kolejności. Siła wywierana na tłok jest przekształcana przez korbowód w siłę obrotową, która napędza wał korbowy. Bezszczotkowy synchroniczny generator prądu przemiennego, współosiowo zamontowany z wałem korbowym silnika, umożliwia napędzanie wirnika generatora przez obroty silnika. Opierając się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, generator wytwarza następnie indukowaną siłę elektromotoryczną, generując prąd w zamkniętym obwodzie obciążenia.