Naizmjenična struja je pokretačka snaga mnogih industrija i transporta, posebno automobila. Postoje i mali modeli veličine šake i džinovski uređaji visoki nekoliko metara.
Generator je isti tehnički sistem koji pretvara mehaničku (kinetičku) energiju u električnu energiju. Kako radi generator?
Bez obzira na to kako je generator uređen, njegovo djelovanje se zasniva na procesu elektromagnetna indukcija- pojava u zatvorenom kolu električne struje pod utjecajem modificiranog magnetskog fluksa.
Generator je konvencionalno podijeljen na 2 dijela: induktor i armaturu.
Induktor je dio uređaja u kojem se stvara magnetsko polje, a armatura je polovina gdje se stvara elektromotorna sila ili struja.
Njegova tehnička struktura ostaje konstantna: namotaj žice i magnet.
Pod utjecajem magnetskog polja u namotu se stvara elektromotorna sila. Ovo je osnova za generator. Ali snažna naizmjenična struja ne može se dobiti iz tako primitivnog dizajna. Za konverziju je potreban jak magnetni tok.
Za to se žičanom namotu dodaju 2 čelična jezgra, koja određuju namjenu i strukturu alternatora. To su stator i rotor. Namotaj koji stvara magnetsko polje postavljen je u utor jedne jezgre - ovo je stator ili induktor. Ostaje nepomičan, za razliku od rotora. Stator se napaja jednosmernom strujom. Oni su bipolarni ili multipolarni.
Rotor, ili također armatura, aktivno se rotira uz pomoć ležajeva i proizvodi elektromotornu silu ili naizmjeničnu struju. Ima unutrašnje jezgro sa namotanom bakrenom žicom.
Generator ima robusno metalno kućište sa više izlaza, ovisno o namjeni uređaja. Broj namotanih kalemova je promjenjiv.
Razumijemo karakteristike rada jedinice
Sada ćemo saznati na kojem principu se zasniva rad alternatora. Shema rada je prilično jednostavna i jasna. Uz konstantnu brzinu rotora, električna struja će se proizvoditi u jednom toku.
Rotacija rotora izaziva promjenu magnetskog fluksa. Zauzvrat, električno polje stvara pojavu električne struje. Kroz kontakte s prstenovima na kraju, struja iz rotora prelazi u električni krug uređaja. Prstenovi imaju dobra klizna svojstva. Čvrsto su u kontaktu sa četkicama, koje su stalni, stacionarni provodnici između električnog kola i namotaja bakarne žice rotora.
U bakrenom namotu oko magneta postoji struja, ali je vrlo slaba u poređenju sa jačinom električne struje koja teče od rotora kroz strujni krug do uređaja.
Iz tog razloga, samo slaba struja dovedena na klizne kontakte se koristi za rotaciju rotora.
Prilikom sastavljanja alternatora vrlo je važno održavati proporcije dijelova, veličinu, veličinu praznina, debljinu žica.
Alternator možete sastaviti ako u svom domu imate sve potrebne dijelove i dovoljnu količinu bakarne žice. Sasvim je moguće napraviti malu jedinicu. Ili postoje detaljna uputstva za upotrebu.
Uređaj i princip rada alternatora u videu
Generator struje pretvara mehaničku (kinetičku) energiju u električnu energiju. U elektroprivredi se koriste samo generatori rotirajućih električnih mašina, zasnovani na pojavi elektromotorne sile (EMS) u provodniku, na koju na neki način deluje promenljivo magnetno polje. Dio generatora koji je dizajniran za stvaranje magnetskog polja naziva se induktor, a dio u kojem se indukuje EMF naziva se armatura.
Rotirajući dio mašine se zove rotor, a stacionarni dio - stator... U sinhronim mašinama naizmenične struje induktor je obično rotor, a kod DC mašina stator. U oba slučaja induktor je obično dvo- ili višepolni elektromagnetski sistem opremljen uzbudnim namotajem koji se napaja jednosmernom strujom (pobudna struja), ali postoje i induktori koji se sastoje od sistema trajnih magneta. U indukciji (asinhroni) alternatori induktor i armatura se ne mogu jasno (strukturno) razlikovati jedni od drugih (možemo reći da su stator i rotor i induktor i armatura u isto vrijeme).
Više od 95% električne energije u svjetskim elektranama se proizvodi korištenjem sinhroni alternatori... Uz pomoć rotirajućeg induktora, u ovim generatorima se stvara rotirajuće magnetsko polje koje indukuje promjenjivu EMF u namotaju statora (obično trofaznog), čija frekvencija točno odgovara brzini rotora (sinhronizirano sa brzinom induktora) . Ako induktor, na primjer, ima dva pola i rotira se frekvencijom od 3000 r / min (50 r / s), tada se u svakoj fazi namotaja statora inducira naizmjenični EMF s frekvencijom od 50 Hz. Dizajn takvog generatora je pojednostavljen na Sl. jedan.
Rice. 1. Princip rada dvopolnog sinhronog generatora. 1 stator (armatura), 2 rotora (induktor), 3 osovine, 4 kućišta. U-X, V-Y, W-Z - dijelovi namotaja tri faze smješteni u utorima statora
Magnetni sistem statora je komprimovani paket tankih čeličnih limova, u čijim se žljebovima nalazi namotaj statora. Namotaj se sastoji od tri faze, pomaknute u slučaju dvopolne mašine jedna u odnosu na drugu za 1/3 perimetra statora; u faznim namotajima, dakle, indukuju se EMF, pomereni jedan u odnosu na drugi za 120o. Namotaj svake faze, zauzvrat, sastoji se od zavojnica sa više zavoja povezanih serijski ili paralelno. Jedna od najjednostavnijih opcija dizajna takvog trofaznog namota dvopolnog generatora pojednostavljena je na Sl. 2 (obično je broj zavojnica u svakoj fazi veći nego što je prikazano na ovoj slici). Oni dijelovi zavojnica koji se nalaze izvan žljebova na prednjoj površini statora nazivaju se krajnji spojevi.
Rice. 2. Najjednostavniji princip rasporeda namotaja statora trofaznog dvopolnog sinhronog generatora u slučaju dva namotaja u svakoj fazi. 1 skeniranje površine magnetnog sistema statora, 2 namotaja, U, V, W početak faznih namotaja, X, Y, Z krajevi faznih namotaja
Polovi induktora i, u skladu s tim, polovi polova statora mogu biti više od dva. Što se rotor sporije rotira, to bi veći broj polova trebao biti na datoj frekvenciji struje. Ako se, na primjer, rotor okreće frekvencijom od 300 o/min, tada bi broj polova generatora, da bi se dobila frekvencija naizmjenične struje od 50 Hz, trebao biti 20. Na primjer, u jednoj od najvećih hidroelektrana u U svijetu, HE Itaipu (Itaipu, vidi sliku 4) generatori koji rade na 50 Hz su 66-polni, a generatori koji rade na 60 Hz su 78-polni.
Pobudni namotaj dvo- ili četveropolnog generatora postavljen je kako je prikazano na sl. 1, u žljebovima masivnog čeličnog jezgra rotora. Ovakav dizajn rotora je neophodan u slučaju generatora velike brzine koji rade pri brzini od 3000 ili 1500 o/min (posebno za turbinske generatore namijenjene spajanju na parne turbine), jer pri ovoj brzini na rotor djeluju velike centrifugalne sile. namotavanje. Sa većim brojem polova, svaki pol ima poseban namotaj polja (slika 3.12.3). Ovaj princip isturenog pola uređaja koristi se, posebno, u slučaju generatora male brzine koji su namijenjeni za povezivanje sa hidrauličkim turbinama (hidrogeneratorima), koji obično rade pri brzini od 60 o/min do 600 o/min.
Vrlo često se takvi generatori, u skladu s dizajnom snažnih hidrauličnih turbina, izrađuju s okomitom osovinom.
Rice. 3. Princip konstrukcije rotora sinhronog generatora male brzine. 1 pol, 2 pobudna namotaja, 3 pričvrsna točka, 4 osovina
Pobudni namotaj sinhroni generator obično se napaja jednosmjernom strujom iz vanjskog izvora kroz klizne prstenove na osovini rotora. Ranije je za to bio predviđen poseban generator istosmjerne struje (uzbuđivač), kruto povezan s osovinom generatora, a sada se koriste jednostavniji i jeftiniji poluvodički ispravljači. Postoje i sistemi pobude ugrađeni u rotor, u kojima se EMF indukuje namotajem statora. Ako se trajni magneti koriste za stvaranje magnetskog polja umjesto elektromagnetnog sistema, tada izvor struje pobude nestaje i generator postaje mnogo jednostavniji i pouzdaniji, ali u isto vrijeme i skuplji. Stoga se trajni magneti obično koriste u generatorima relativno male snage (do nekoliko stotina kilovata).
Dizajn turbinskih generatora, zahvaljujući relativno malom promjeru cilindričnog rotora, vrlo je kompaktan. Njihova specifična težina je obično 0,5 ... 1 kg / kW, a nazivna snaga može doseći 1600 MW. Uređaj hidrogeneratora je nešto složeniji, promjer rotora je velik i njihova specifična težina je stoga obično 3,5 ... 6 kg / kW. Do sada su se proizvodili sa nazivnom snagom do 800 MW.
Kada generator radi, u njemu nastaju gubici energije uzrokovani aktivnim otporom namotaja (gubici u bakru), vrtložnim strujama i histerezom u aktivnim dijelovima magnetskog sistema (gubici u čeliku) i trenjem u ležajevima rotacije. dijelovi (gubici zbog trenja). Unatoč činjenici da ukupni gubici obično ne prelaze 1 ... 2% snage generatora, uklanjanje topline oslobođene kao rezultat gubitaka može biti teško. Ako na pojednostavljen način pretpostavimo da je masa generatora proporcionalna njegovoj snazi, tada su njegove linearne dimenzije proporcionalne kubnom korijenu snage, a dimenzije površine proporcionalne snazi na snagu 2/3. S povećanjem snage, dakle, površina hladnjaka raste sporije od nazivne snage generatora. Ako je pri kapacitetima od nekoliko stotina kilovata dovoljno koristiti prirodno hlađenje, onda je pri većim kapacitetima potrebno preći na prisilnu ventilaciju i, počevši od oko 100 MW, koristiti vodonik umjesto zraka. Kod još većih kapaciteta (npr. više od 500 MW) potrebno je hlađenje vodonikom dopuniti vodenim hlađenjem. U velikim generatorima ležajevi moraju biti posebno hlađeni, obično pomoću cirkulacije ulja.
Rasipanje toplote generatora može se značajno smanjiti upotrebom supravodljivih pobudnih namotaja. Prvi takav generator (4 MVA), namenjen za upotrebu na brodovima, proizvela je 2005. godine nemačka elektrotehnička firma Siemens (Siemens AG). Nazivni napon sinhronih generatora, ovisno o snazi, obično je u rasponu od 400 V do 24 kV. Korišćeni su i viši nazivni naponi (do 150 kV), ali izuzetno retko. Pored sinhronih generatora mrežne frekvencije (50 Hz ili 60 Hz), proizvode se visokofrekventni generatori (do 30 kHz) i generatori smanjene frekvencije (16,67 Hz ili 25 Hz), koji se koriste na elektrificiranim prugama nekih evropske zemlje. Sinhroni generatori, u principu, uključuju i sinhroni kompenzator, koji je sinhroni motor koji radi u praznom hodu i isporučuje reaktivnu snagu u visokonaponsku distributivnu mrežu. Uz pomoć takve mašine moguće je pokriti potrošnju reaktivne energije lokalnih industrijskih električnih potrošača i osloboditi glavnu mrežu elektroenergetskog sistema od prenosa reaktivne snage.
Pored sinhronih generatora, relativno su rijetki i pri relativno malim snagama (do nekoliko megavata) asinhroni generatori... U namotu rotora takvog generatora struja se inducira magnetskim poljem statora ako se rotor rotira brže od rotirajućeg magnetnog polja statora frekvencije mreže. Potreba za ovakvim generatorima obično se javlja kada je nemoguće osigurati konstantnu brzinu rotacije glavnog pokretača (na primjer, vjetroturbina, neke male hidroturbine itd.).
Imati DC generator magnetni polovi zajedno sa namotom polja obično se nalaze u statoru, a namotaj armature se nalazi u rotoru. Budući da se u namotu rotora prilikom njegove rotacije inducira promjenjivi EMF, armatura mora biti snabdjevena kolektorom (komutatorom), uz pomoć kojeg se na izlazu generatora (na četkama kolektora) dobiva konstantna EMF. Trenutno se DC generatori rijetko koriste, jer je jednosmjernu struju lakše dobiti pomoću poluvodičkih ispravljača.
Generatori električnih mašina uključuju elektrostatički generatori, na čijem se rotirajućem dijelu trenjem (triboelektrično) stvara električni naboj visokog napona. Prvi takav generator (ručno rotirana sumporna kugla, koja je naelektrisana trenjem o ljudsku ruku) napravio je 1663. godine gradonačelnik grada Magdeburga (Magdeburg, Nemačka) Otto von Guericke (1602-1686). U toku svog razvoja, takvi su generatori omogućili otkrivanje mnogih električnih fenomena i obrazaca. Ni sada nisu izgubili na značaju kao sredstvo za provođenje eksperimentalnih istraživanja u fizici.
Prvu je napravio 4. novembra 1831. godine profesor Kraljevske ustanove (Royal Institution) Michael Faraday (Michael Faraday, 1791-1867). Generator se sastojao od stalnog magneta u obliku potkovice i bakrenog diska koji se okreće između magnetnih polova (slika 3.12.4). Kada je disk rotirao između svoje ose i ivice, indukovana je konstantna EMF. Napredniji unipolarni generatori su uređeni po istom principu, koji se i danas koriste (iako relativno rijetko).
Rice. 4. Princip rada uređaja unipolarni generator Michael Faraday. 1 magnet, 2 rotirajuća bakrena diska, 3 četke. Drška diska nije prikazana
Michael Faraday je rođen u siromašnoj porodici i nakon osnovne škole, sa 13 godina, postao je šegrt knjigoveza. Iz knjiga je samostalno nastavio školovanje, a iz Britanske enciklopedije upoznao se sa strujom, napravio elektrostatički generator i Leyden teglu. Kako bi proširio svoje znanje, počeo je pohađati javna predavanja o hemiji kod direktora Kraljevskog instituta Humphreya Davyja (1778–1829), a 1813. je unapređen u svog asistenta. Godine 1821. postao je glavni inspektor ovog instituta, 1824. godine - član Kraljevskog društva (Royal Society), a 1827. godine - profesor hemije na Kraljevskom institutu. Godine 1821. započeo je svoje čuvene eksperimente na elektricitetu, tokom kojih je predložio princip rada elektromotora, otkrio fenomen elektromagnetne indukcije, princip magnetoelektričnog generatora, zakone elektrolize i mnoge druge fundamentalne fizičke pojave. Godinu dana nakon gore opisanog Faradejevog eksperimenta, 3. septembra 1832. godine, pariski mehaničar Hipolit Piksi (1808-1835) proizveo je, po narudžbi i pod vodstvom osnivača elektrodinamike Andre Marie Amperea (1775-1836), generator sa ručno rotiranim na Faradayu, magnetom (slika 5). Promjenjivi EMF se indukuje u namotaju armature Pixie generatora. Da bi se ispravila rezultujuća struja, na generator je najprije pričvršćena otvorena živina sklopka, koja je mijenjala polaritet EMF-a pri svakom pola okretaja rotora, ali je ubrzo zamijenjena jednostavnijim i sigurnijim cilindričnim četkčastim kolektorom prikazanim na Sl. 5.
Rice. 5. Princip rada uređaja magnetoelektrični generator Ippolita Pixie (a), grafik induciranog EMF-a (b) i graf pulsirajuće konstantne EMF dobijen uz pomoć kolektora (c). Ručka i konusni zupčanik nisu prikazani
Generator, izgrađen na principu Pixie, prvi je 1842. godine u svojoj tvornici u Birminghamu upotrijebio engleski industrijalac John Stephen Woolrich (1790–1843), koristeći parnu mašinu od 1 litre kao pogonsku mašinu za napajanje galvanskih kupki. With. Napon generatora mu je bio 3 V, nazivna struja 25 A, a efikasnost oko 10%. Isti, ali snažniji generatori brzo su počeli da se uvode u druga preduzeća za galvanizaciju u Evropi. Godine 1851. njemački vojni doktor Wilhelm Josef Sinsteden (1803-1891) predložio je korištenje elektromagneta umjesto trajnih magneta u induktoru i njihovo napajanje strujom iz manjeg pomoćnog generatora; takođe je otkrio da bi se efikasnost generatora povećala ako čelično jezgro elektromagneta nije napravljeno od masivnog materijala, već od paralelnih žica. Međutim, Sinstedenove ideje počeo je zapravo koristiti tek 1863. godine engleski samouki inženjer elektrotehnike Henry Wilde (1833-1919), koji je, između ostalih inovacija, predložio da se na osovinu generatora postavi pobuđivač (engleski exitatrice). Godine 1865. proizveo je generator neviđene snage od 1 kW, s kojim je čak mogao demonstrirati topljenje i zavarivanje metala.
Najvažnije poboljšanje DC generatori postao njihov samouzbuđenje, čiji je princip patentirao 1854. glavni inženjer državnih željeznica Danske Soren Hjorth (Soren Hjorth, 1801-1870), ali u to vrijeme nije našao praktičnu primjenu. Godine 1866. ovaj princip je ponovo samostalno otkrilo nekoliko inženjera elektrotehnike, uključujući već spomenutog G. Wildea, ali je postao nadaleko poznat u decembru 1866. godine, kada ga je njemački industrijalac Ernst Werner von Siemens (1816-1892) primijenio u mom kompaktu i visoko efikasan generator. Dana 17. januara 1867. godine u Berlinskoj akademiji nauka pročitano je njegovo čuveno predavanje o dinamo-električnom principu (samopobuda). Samouzbuđenje omogućilo je odustajanje od pomoćnih generatora pobude (od pobuđivača), što je omogućilo proizvodnju mnogo jeftinije električne energije u velikim količinama. Iz tog razloga se 1866. godina često smatra godinom rođenja visokostrujne elektrotehnike. U prvim samouzbudnim generatorima, pobudni namotaj je bio uključen, kao i kod Siemensa, u seriju (serijski) sa namotajem armature, ali je u februaru 1867. engleski elektroinženjer Charles Wheatstone (1802-1875) predložio paralelnu pobudu, koja omogućava bolju regulaciju EMF generatora, do čega je došao i prije izvještaja o sekvencijalnim pobudama koje je otkrio Siemens (slika 6).
Rice. 6. Razvoj sistema pobude za DC generatore. a trajnim magnetom pobuda (1831), b eksterna ekscitacija (1851), c sekvencijalna samopobuda (1866), d paralelna samopobuda (1867). 1 armatura, 2 pobudna namotaja. Regulacioni reostati struje pobude nisu prikazani.
Potreba za alternatori nastao 1876. godine, kada je ruski elektroinženjer Pavel Jabločkov (1847–1894), radeći u Parizu, počeo da osvetljava gradske ulice uz pomoć lučnih lampi naizmenične struje (Jabločkovih sveća) koje je proizvodio. Prve generatore potrebne za to stvorio je pariski izumitelj i industrijalac Zenobe Theophile Gramme (1826-1901). S početkom masovne proizvodnje sijalica sa žarnom niti 1879. godine, naizmjenična struja je na neko vrijeme izgubila svoju vrijednost, ali je ponovo dobila na važnosti zbog povećanja udaljenosti prijenosa električne energije sredinom 1880-ih. Godine 1888-1890, vlasnik vlastite istraživačke laboratorije Tesla-Electric (Tesla-Electric Co., New York, USA), srpski inženjer elektrotehnike koji je emigrirao u Sjedinjene Države, Nikola Tesla (Nikola Tesla, 1856-1943) i glavni inženjer kompanije AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft), ruski inženjer elektrotehnike Mihail Dolivo-Dobrovolsky (1862-1919) koji je emigrirao u Njemačku, razvio je trofazni sistem naizmjenične struje. Kao rezultat toga, proizvodnja je sve snažnija sinhroni generatori za termo i hidroelektrane u izgradnji.
Važnom etapom u razvoju turbinskih generatora može se smatrati razvoj cilindričnog rotora 1898. godine od strane suvlasnika švicarske fabrike elektrotehnike Brown, Boveri i kompanije (Brown, Boveri & Cie., BBC) Charles Eugen Lancelot Brown (1863-1924). Prvi generator hlađen vodonikom (snage 25 MW) proizvela je 1937. američka kompanija General Electric, a sa linijskim vodenim hlađenjem - 1956. godine engleska kompanija Metropolitan Vickers.
Trenutno se sinhroni generatori uglavnom koriste za proizvodnju električne energije. Asinhrone mašine se najčešće koriste kao motori.
Generatori naizmjenične struje uglavnom se sastoje od fiksnog namotaja - statora i pokretnog - rotora.
Razlika između sinhrone mašine i asinhrone mašine je u tome što se kod prvih magnetno polje statora rotira istovremeno sa kretanjem rotora, a kod asinhronih mašina ono napreduje ili zaostaje za poljem u rotoru.
Široka upotreba sinhronih mašina je zbog njihovih parametara kvaliteta. Sinhroni generatori proizvode visoko stabilan napon pogodan za povezivanje širokog spektra električnih uređaja.
Kod kratkog spoja u opterećenju ili velike potrošnje energije, kroz namote statora teče značajna struja, što može dovesti do kvara generatora. Za takve strojeve potrebno je hlađenje - turbina se postavlja na osovinu rotora, koja hladi cijelu strukturu.
S obzirom na to, sinhroni generatori su osjetljivi na uvjete okoline.
Asinhroni generatori u većini slučajeva imaju zatvoreno kućište i neosjetljivi su na veliku startnu struju potrošača električne energije.
Međutim, za njihov rad potrebna je eksterna snažna struja prednapona. Općenito, indukcijski generatori proizvode nestabilne napone. Takvi generatori se široko koriste kao izvori energije za aparate za zavarivanje.
Sinhroni generatori su rasprostranjeni kao pretvarači mehaničke energije u električnu energiju u hidroelektranama, termoelektranama, kao benzinski i dizel generatori za domaćinstvo, kao izvori energije na brodu u transportu.
Statori sinkronog i asinhronog generatora ne razlikuju se jedan od drugog u dizajnu.
Jezgro statora sastoji se od nekoliko ploča od električnog čelika, izolovanih jedna od druge i sastavljenih u jednu strukturu (slika 1). Namotaji su postavljeni na žljebove na unutrašnjoj strani statora.
Za svaku fazu, namotaj uključuje dva namotaja postavljena jedan naspram drugog i povezana u seriju. Takva shema namotaja naziva se dvopolna.
Ukupno su na stator postavljene tri grupe zavojnica (slika 2), sa pomakom od 120 stepeni. Fazne grupe su međusobno povezane u "zvijezdu" ili "trokut". Postoje grupe zavojnica sa velikim brojem polova. Injekcija 
pomak zavojnice jedan u odnosu na drugi općenito se izračunava po formuli (2π / 3) / n, gdje je n broj polova namotaja.
Rotor generatora je elektromagnet koji pobuđuje naizmjenično magnetsko polje u statoru. Za male generatore male snage, obični magneti se često nalaze na rotoru.
.
Rotoru sinhronog generatora potreban je vanjski uzbudnik - generator jednosmjerne struje, u najjednostavnijem slučaju, instaliran na istoj osovini kao i rotor.
Pobuđivač mora osigurati promjenu struje u rotoru za regulaciju načina rada i mogućnost brzog gašenja magnetnog polja u slučaju isključivanja u nuždi.
Rotori se dijele na istaknute i neupadljive. Konstrukcija rotora sa istaknutim polovima (slika 3) sastoji se od polova elektromagneta 1 formiranih od polnih namotaja 2 povezanih sa jezgrom 3. Pobuda se dovodi do namotaja preko prstenastih kontakata 4.
Takvi se rotori koriste pri malim brzinama rotacije, na primjer, u hidrauličnim turbinama. Bržom rotacijom osovine nastaju značajne centrifugalne sile koje mogu uništiti rotor.
U ovom slučaju se koriste rotori ne-izrazitih polova (slika 4). Neizraženi rotor sadrži žljebove 1 formirane u jezgru 2. Namotaji rotora su fiksirani u žljebovima (nije prikazano na slici 4). Eksterna pobuda se prenosi i preko kontakata 3. Dakle, rotor sa implicitnim polovima je stator "iznutra prema van". 
Magnetno bipolarno polje rotirajućeg rotora može se zamijeniti sličnim poljem stalnog magneta koji rotira ugaonom brzinom rotora. Smjer struje u svakom namotu je određen pravilom kardana.
Ako je struja, na primjer, usmjerena od početka namotaja A do točke X, tada će se takva struja konvencionalno uzeti kao pozitivna (slika 5). Kada se rotor rotira, u namotaju statora dolazi do naizmjenične struje, s faznim pomakom od 2 π / 3. 
Da biste povezali promjenu struje faze A sa grafikonom, razmotrite rotaciju u smjeru kazaljke na satu. U početnom trenutku vremena magnetno polje rotora ne stvara struju u grupi zavojnica faze A, (slika 6, pozicija a).
U namotu faze B djeluju negativne struje (od kraja namotaja do početka), a u namotu faze C pozitivne struje. Daljnjom rotacijom rotor se pomera za 90 stepeni udesno (slika 6, b). Struja u namotu A ima maksimalnu pozitivnu vrijednost, au faznim namotajima B i C - srednju negativnu.
Magnetno polje rotora je pomereno za još jednu četvrtinu perioda, rotor je pomeren za 180 stepeni (slika 6, c). Struja u namotu A ponovo dostiže nulu, u namotu B je pozitivna, u namotu faze C negativna.
Daljnjom rotacijom rotora u tački, fazna struja u namotu A dostiže maksimalnu negativnu vrijednost, struja u namotajima B i C je pozitivna (slika 6, d). Daljnja rotacija rotora ponavlja sve prethodne faze.
Sinhroni generatori su dizajnirani za povezivanje opterećenja sa visokim faktorom snage (cosϕ> 0,8). S povećanjem induktivne komponente opterećenja dolazi do efekta demagnetizacije rotora, što dovodi do smanjenja napona na stezaljkama.
Da bi se to nadoknadilo, potrebno je povećati struju pobude, što dovodi do povećanja temperature namotaja. Kapacitivno opterećenje, s druge strane, povećava magnetizaciju rotora i povećava napon.
Monofazni generatori se ne koriste široko u industriji. Da bi se dobila jednofazna struja, trofazni fazni namotaji su povezani u zajednički krug. U ovom slučaju postoje mali gubici snage u poređenju sa trofaznim prebacivanjem.
Pišite komentare, dopune članka, možda sam nešto propustio. Pogledajte, bit će mi drago ako nađete još nešto korisno kod mene.
Nakon otkrića fenomena elektromagnetne indukcije, M. Faraday je 1831. izumio razne električne mašine. Električni generatori među njima su okosnica svih modernih električnih mreža. Oni su izvori električne energije i prvi određuju njenu količinu i kvalitet. Prije nego što potrošačima bude omogućeno korištenje električne energije, potrebno je izvršiti konverziju napona više puta kako bi se smanjili gubici uzrokovani prijenosom električne energije.
Iz tog razloga, AC mreže su dugo bile najefikasnije. Njihova frekvencija u različitim zemljama bira se ili 50 ili 60 Herca, jer su ove vrijednosti opet ekonomski najopravdanije u sadašnjoj fazi razvoja nauke i tehnologije. Na samom početku svake električne mreže nalazi se jedan ili više sinhronih alternatora.
Princip rada
Da bi se električna struja pojavila u vodiču, linije sile magnetskog polja moraju biti pomične u odnosu na ovaj provodnik. U tu svrhu u alternatoru se nalazi pokretni rotirajući magnet, koji svojim magnetnim poljem prelazi preko stacionarnih provodnika. Nalazi se na osovini koju pokreće vanjski izvor mehaničke energije.
Osovina s magnetom naziva se rotor ili induktor. Strukturno, rotor se može izraditi ili sa trajnim magnetom od posebnog magnetskog materijala, ili sa elektromagnetom. Takva električna mašina naziva se sinhrona jer se magnetsko polje u njoj rotira s rotorom.
Da bi se postiglo najefikasnije magnetno polje, najrasprostranjeniji dizajn je sa rotorom napravljenim od posebnih legura u obliku jezgra okruženog zavojima namotaja, kroz koje teče jednosmerna struja. Namotaj se naziva "namotaj polja". Izvor struje pobude može biti vanjski ili ugrađen u rotor. Eksterni izvor je povezan na dvije fiksne četke.
Potonji se nalaze na bazi, u odnosu na koju rotor rotira, i formiraju klizne kontakte sa dva odgovarajuća prstena koja se nalaze na rotoru. Ugrađeni izvor je odvojeni namotaj sa AC ispravljačem. Njegova prednost je što su klizni kontakti isključeni iz ovog dizajna. Rotori mogu biti strukturno različiti. Učinjeni su istaknutim, implicitnim, snabdjeveni prigušnim namotajima.
Da bi se dobila potrebna vrijednost strujne frekvencije i napona, potrebno je dobiti određeni broj presjeka linija sile magnetskog polja sa vodičem u jedinici vremena. U cilju što efikasnije interakcije magnetnog polja i provodnika, napravljen je u obliku zavoja namotaja koji se nalaze na jezgru od posebne legure. Izrađuje se onoliko takvih jezgara koliko je potrebno u skladu sa tehničkim problemom koji treba riješiti.
Nalaze se oko rotora i nazivaju se stator. Svako jezgro statora sastoji se od dva dijela, između kojih se nalazi rotor s određenim razmakom. Ova dva dijela čine takozvani par polova električnog generatora. Dok se rotira, suprotni magnetni polovi rotora pomiču se pored suprotnih dijelova jezgre statora.
Parovi polova nalaze se na bazi u odnosu na koju se rotor kreće. Strukturno, ova baza je napravljena u obliku kućišta alternatora. Stator, četke, prstenovi i rotor su skriveni unutar kućišta. Osovina i terminali četkica vire iz njega. Kada se osovina okreće vanjskom silom, na primjer, turbinom, stator je izvor EMF. Frekvencija napona i struje u statoru zavisi od toga koliko puta u jedinici vremena magnetni pol rotora prođe pored jezgara statora.
Konstruktivne sorte
Stoga na frekvenciju napona i struje može uticati ili brzina rotora, ili broj parova polova, ili oboje zajedno. Prilikom usporavanja brzine rotora, broj parova polova se mora povećati kako bi se održali napon i frekvencija struje. To razlikuje generatore termoelektrana od generatora hidroelektrana i vjetroturbina.
Parna turbina se brzo okreće, a vodena polako. Ali u isto vrijeme, frekvencija napona i struje koju proizvode oba ova generatora su iste. Međutim, hidroelektrični generator ima nekoliko puta veći broj parova polova, a najčešće se izrađuju sa rotorima sa istaknutim polovima. Generatori u termoelektranama, zbog velikih brzina rotacije od 1500 i 3000 o/min, izrađuju se sa implicitnim rotorima. Broj parova polova zavisi i od broja faza. Jedna faza odgovara jednom paru polova statora. Stoga trofazne verzije sadrže najmanje tri para polova.
- Prostorni raspored parova polova u višefaznim generatorima određuje fazni pomak napona i struja u faznim namotajima.
Prostorni raspored generatora u radnom stanju duž položaja ose rotacije rotora može biti horizontalan i vertikalni. Rad sa parnom ili plinskom turbinom, zbog velikih centrifugalnih opterećenja, zahtijeva samo horizontalni raspored, najmanji mogući promjer i najveću moguću dužinu generatora. Primjer takve električne mašine prikazan je na donjoj slici:
U hidroelektranama, u zavisnosti od pritiska vode, mogu se koristiti i horizontalne i vertikalne konstrukcije ovih električnih mašina. Postoje posebne izvedbe generatora sa istaknutim polovima relativno malih snaga reda deset kilovata. U njima je induktor (koji je obično rotor) nepomičan, a armatura (koja je obično stator) rotira. Proizvedena električna energija se opskrbljuje teretu kroz prstenove i četke.
Druga vrsta izvora električne energije je asinhroni alternator. Ima najjednostavniji dizajn i visoku pouzdanost. Ali njegove energetske karakteristike, stabilnost napona i struje frekvencije su male u poređenju sa sinhronim mašinama. Ovo ograničava opseg upotrebe asinhronih generatora. Koriste se samo tamo gdje se zahtijevaju jednostavnost, pouzdanost i najniža cijena.
Više od jednog stoljeća čovječanstvo koristi električnu energiju u svim sferama aktivnosti. Bez toga je jednostavno nemoguće zamisliti normalan život. Uz pomoć specijalnih mašina mehanička energija se pretvara u naizmjeničnu ili jednosmjernu struju. Da biste bolje razumjeli kako se to događa, morate razumjeti od čega se generator sastoji i kako radi.
Pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju
U srcu svakog generatora leži princip magnetne indukcije... Prvi električni automobili pojavili su se u drugoj polovini 19. veka. Njihovi izumitelji bili su Michael Faraday i Hippolyte Pixie. Godine 1886. održana je javna demonstracija alternatora, uređaja sposobnog da generiše struju iz mehaničkog kretanja.
Prvi trofazni alternator razvio je ruski državljanin Dolivo-Dobrovolsky. Godine 1903. izgradio je i prvu industrijsku elektranu na Zemlji, koja je postala izvor energije za lift.
Najjednostavniji krug za alternator je žičani zavoj koji se vrti u magnetskom polju. Alternativa je kada kalem ostane nepomičan i presijeca ga magnetsko polje. U oba slučaja će se proizvoditi električna energija. Dok se kretanje nastavlja, u vodiču se stvara naizmjenična struja. Generatori se koriste za stvaranje struje u cijelom svijetu. Oni su dio globalnog sistema napajanja svijeta.
Način rada generatora ovisi o njegovoj namjeni, a moguće su i razne modifikacije. ali postoje dvije glavne komponente:
- Rotor je pokretni element napravljen od čvrstog gvožđa.
- Stator je nepokretan, sastavljen je od izolovanih gvozdenih limova. Unutra ima žljebove u kojima prolazi namotaj žice.
Da bi se postigla najveća gustoća magnetskog fluksa, udaljenost između ovih dijelova jedinice treba biti što manja. Pobudni namotaj, koji se nalazi na rotoru, napaja se kroz sistem četkica.
Postoje dvije vrste gradnje:
- sa rotirajućom armaturom i stacionarnim magnetnim poljem;
- magnetno polje rotira, ali armatura ostaje na mjestu.
Najrasprostranjenije mašine su mašine sa pokretnim magnetnim polovima. Mnogo je zgodnije crpiti struju iz statora nego iz rotora. Generalno, generator je izgrađen na isti način kao i električni motor.
Klasifikacija i vrste jedinica
Jedinice za pretvaranje mehaničke energije u električnu imaju sličan dizajn. Mogu se razlikovati u principu rada generatora i namota polja:
Po dizajnu:
- izraženi polovi;
- nije izraženo.
Metodom povezivanja namotaja:
U zavisnosti od broja faza:
- jednofazni;
- biphasic;
- trofazni.
DC jedinice su dizajnirane na način da se mehanizam za uklanjanje energije sastoji od dva izolirana poluprstena, od kojih svaki prima naboj određenog potencijala. Na izlazu se dobiva pulsirajuća struja jednog smjera.
Sinhroni generatori imaju armaturu s namotom koji se napaja jednosmjernom strujom. Podešavanjem njegove vrijednosti možete promijeniti jačinu magnetnog polja i kontrolirati izlazni napon. Kod asinhronih nema namotaja, već se koristi efekat magnetiziranja.
Glavna područja primjene
Vrijedi zapamtiti da obična struja u utičnicama dolazi od rada ogromnih alternatora u termoelektranama. Obim ovih električnih mašina uključuje sve vrste ljudskih aktivnosti:
- koriste se kao rezervni izvor energije u objektima u kojima ne smiju biti dozvoljeni nestanci struje;
- nezamjenjiv na mjestima gdje nema dalekovoda;
- većina vozila je opremljena generatorom, on proizvodi električnu energiju za mrežu na vozilu;
- napajanje za hidrolizne jedinice;
- industrija;
- u nuklearnim i hidroelektranama.
U posljednje vrijeme kućanski aparati za proizvodnju električne energije dobijaju sve veću popularnost. Kompaktne su veličine i niske potrošnje goriva. Mogu raditi na benzin i dizel. Koriste se u terenskim uslovima, na selu ili kao izvor napajanja u nuždi.
Pronalazak metode za proizvodnju električne energije mehaničkim kretanjem bio je od epohalnog značaja za razvoj moderne civilizacije. Svijet oko nas prepun je misterija čiji su odgovori nepoznati, ali ljude, možda, čekaju druga važna otkrića koja mogu promijeniti njihove živote.
