Електричен генератор

Електричен генератор (струјотвор) — вртечка машина којашто механичката енергија ја претвора во електрична.

Во производството на електрична енергија, електричниот генератор е уред кој ја претвора механичката енергија во електрична енергија. Обратното претворање на електричната енергија во механичката енергија се врши со помош на електромотор; моторите и генераторите имаат многу сличности. Генераторот ги присилува електроните во намотките да течат низ надворешните електрични кола. Може да се направи аналогија со пумпа за вода, таа создава проток на вода, но не создава вода во внатрешноста. Извор на механичка енергија може да биде парна турбина, вода која паѓа низ турбина или тркало, мотор со внатрешно согорување, турбина на ветер, компресиран воздух или кој било друг извор на механичка енергија.

Историски развој

Пред да се открие врската помеѓу магнетизмот и електрицитетот, електростатичките генератори биле измислени користејки ги електростатичките принципи. Овие генерирале многу висок напон и ниски струи. Тие работеле со помош на подвижни електрично наелектризирани ремени, плочки и дискови за да го пренесат полнежот до електрода на висок потенцијал. Полнеж е генериран користејки било кој до овие два механизма:

Електростатичка индукција
Трибоелектричен ефект каде контактот помеѓу два изолатори ги остава наелектризирани.

Поради нивната неефикасност и тешкотијата да се изолираат машини кои произведуваат многу висок напон, електростатичките генератори имаат низок рејтинг и никогаш не биле користени за производство на комерцијално значителни количини на електрична енергија. Машината Wimshurst и Ван де Графов генератор се примери од ваквите машини кои се користат и денес.

Једликово динамо

Во 1827, Унгарецот Ањош Једлик започнал експериментирање со вртечки електромагнетни уреди, кои ги нарекол електромагнетни авто-ротори. Во прототип на еден електричен столб стартер (завршен помеѓу 1852 и 1854) и фиксните и вртечките делови се електромагнетни. Тој го формулирал концептот на динамо најмалку 6 години пред Сименс и Витстон, но не го патентирал тоа бидејќи мислел дека тој не е првиот кој го направил ова. Во суштина, концептот е дека наместо постојани магнети, два електромагнети спротивни еден на друг го произведуваат магнетното поле околу роторот. Исто така е и откривањето на принципот на само поттикнувањето.

Фарадеевиот диск

Фарадеевиот дикск-генератор

Во годините 1831-1832 Мајкл Фарадеј го открил принципот на работење на електромагнетните генератори. Овој принцип, подоцна наречен Фарадеев закон, кажува дека потенцијална разлика е генерирана на краевите на електричен проводник кој има магнетен флукс кој варира. Тој исто така го изградил првиот електромагнетик генератор, наречен Фарадеевиот диск, еден вид на homopolar генератор кој користи бакарен диск кој врти помеѓу половите на магнет во форма на потковица. Тој произвел мал DC напон. Овој дизајн бил неефикасен поради само поништувањето на counterflows на струјата во регион кој не е под влијание на магнетно поле. Додека струја се појавиле директно под магнетот, таа треба да циркулира назад во региони кои се надвор од влијанието на магнетното поле. Овој против проток ја ограничува излезната мок на пикап жиците и поттикнува греење на бакарниот диск. Подоцна, во хомополарни генераторите овој проблеммсе решава со помош на низа на магнети наредени околу периметарот на дискот за да се одржува стабилно поле во една насока на струјата. Друг недостаток е што излезниот напон е многу низок, поради тоа што има само едне струен тек преку магнетниот флукс. Експериментаторите покажале дека завртувајки ја жицата повеќе пати во серпентина би можел да произведе поголем напон кој е повеќе корисен. Бидејќи излезниот напон е пропорционален со бројот на завртувања,генераторите можат лесно да се наменат за производство на саканиот напот со различен број на завртувања. Намотките од жици станаа основна одлика на сите наредни дизајни на генератор.

Динамо

Динамо е првиот електричен генератор кој е способен за произведување електрична енергија за индустријата. Динамото користи електромагнетни принципи за претворање на механничкото вртење во пулсирана еднонасочна струја преку користење на комутатор. Првото динамо било изградено од страна на Иполит Риксии во 1832 година. Преку серија на случајни откритија, динамото стана извор на многу пронајдоци, вклучувајќи ги DC електричен мотор, AC алтернатор, AC синхрони мотори и вртежен претворач. Динамото се состои од стационарна структура, која обезбедува постојано магнетно поле, и сет од вртечки намотки кои се вртат во рамките на тоа поле. Кај малите машини константното магнетно поле може да се обезбеди од страна на еден или повеќе постојани магнети; Поголемите машини имаат постојано магнетно поле од страна на еден или повеќе електромагнети кои обично се нарекуваа намотки на полето. Динамо кое произведува голема енергија во моментот се наоѓа многу ретко, поради речици универзалната употреба на наизменичната струја за употреба на електрична енергија, и електронски уреди за претворање на еднонасочна во наизменична струја. Но, пред да се откријат принципите на наизменичната струја, многу големи донама биле единствените средства за производство и дистрибуција на електрична енергија. Сега, динамота се претежно куриозитет.

Алтернатори на почетокот на XX век, сликани од С.М. Прокудин-Горски.

Други вртечки електромагнетни генератори

Без комутаторот, динамото станува алтернатор, синхронизиран поединечно напојуван генератор.Кога се користи за напојување на мрежата со електрична енергија, алтернаторот мора да работи со постојана брзина која е прецизно синхронизирана со електричната честота на електричната мрежа. Генератор на наизменична струја може да работи на било која брзина во рамките на механичките граници, но секад прозведува бран од еднонасочна струја. Други видови на енергија, како што се асинхрони или индукционо поединечно напојувани генератори, двојно напојуван генератор, не вклучуваат постојани магнети или намотки (електромагнети) за да воспостават постојано магнетно поле, и како резултат, имаат успех во апликации со променлива брзина константа честота, како што се ветерниците или други технологии за произведување на обновлива енергија. Излезот на енергија на еден генератор може да биде оптимизиран со електронска контрола, но само двојно напојуваните генератори вклучуваат електронска контрола со моќ која е значително помала од моќноста на генераторот под контола, што само по себе нуди бенефиции на цената, сигурноста и ефикасноста.

МХД-генератор

Магнетно хидродинамички генератор директно ја екстрктира електричната енергија од дижечки гасови низ магнетното поле, без употреба на електромагнетни вртечки машини. МHD генераторите првично биле развиени бидејќи производот на плазмен магнетнохидродинамички генератор (МХД) е пламен кој дури може и да ги грее котлите на парна централа. Првиот практичен дизајн бил AVCO Mk. 25 развиен во 1965 г. Американската влада финансирала значителен развој, кој кулуминирал во 25 мегавати демонстрациона фабрика во 1987. Во Советскиор сојуз од 1972 до крајот на 1980, фабриката МХД У25 била во редовна комерцијална работа на московскиот систен со функционалност од 25MW , најголемаа фабрика од ваков вид во светот во тоа време. Генераторите кои фунционираат како topping cycle во моментов (2007) имаат помала ефикаснос од комбиниранот циклус гасни турбини.

Терминологија

Пресек на водна турбина со генератор

Двата главни делови на генератор или мотор можат да се опишат со механички или електрични термини:

Механички

Ротор: вртечки (ротирачки) дел на електричните машини
Статор: дел од електричната машина кој е во мирување

Електрични

Арматура: Компонент од електричната машина кој произведува електрична енергија. Во генератор, алтернатор или динамо намотките на арматурата ја генерираат електричната струја. Арматурата може да биде поставена и на роторот и на статорот.
Поле: Ова е компонента на магнетното поле на електричната машина. Магнетното поле на динамо или алтернатор може да биде произведено од страна на електромагнети или постојани магнети поставени на роторот или на статорот.

Бидејќи моќта пренесена преку полето е помала отколку во колото на арматурата AC генераторите секогаш ги имаат намотките на роторот и статорот како коло на арматурата. Само мала количина на струја од полето може да биде префрлена во движечкиот ротор, користејки лизгачки прстени. Машините кои произведуваат еднонасочна струја (динамо) имаат комутатор на вртежната оска за да ја претворат наизменичната струја од страна на арматурата во еднонасочна струја, така да намотките од арматурата се на роторот на машината.

Поттикнување

Електричен генератор или електричен мотор кој користи калеми, наместо постојани магнети, треба да има присутно струја во калемите за да може уредот да работи. Ако калемите не се напојуваат, роторот во генератор може да се врти без да произведе употреблива електрична енергија, додека роторот на моторот може да не се врти воопшто. Некогаш помалите генератори се self excited, што значи дека калемите се напојуваат од струја која е произведена од страна на генераторот. Калемите се поврзани во серија или паралелно со арматурата. Кога генераторот најпрво почнува да се врти, малата количина на remanent magnetism присутен во железното јадро обезбедува магнетно поле за понатамошна активација и создава мала струја во арматурата. Оваа тече низ калемите, кои создаваат поголемо магнетно поле и поголема струја во арматурата. Овој процес трае сè додека магнетното поле во калемите не се стабилизира поради заситеност и генераторот достигнува стабилно производство на моќност. Многу големите генератори често користат посебни помали генератори за да го започнат процесот во калемите на поголемите

Еднонасочно еквивалентно коло

Еквивалентно коло на генератор и оптоварување е прикажано на сликата. Параметрите на генераторот VG and RG можат да се определат со мерење на отпорот на оптоварувањето (корегирано за работната температура) и со мерење на отворено коло и напон на оптоврувањето за дефинирана струја низ оптоварувањето.

Генератори монтирани во возила

Автомобилски алтернатор

Моторните возила до 1960 година имале тенденција да користати DC генератори со електромеханички регулатори. Овие сега се заменети со алтернатори со вградени кола за магнифицирање кои се поевтини и полесни за еквивалентна мокност. Автомобилски алтернатори ги напојуваат електричните системи во возилото и ја полнат батеријата после започнувањето. Номиналнен производ е во опсег од 50-100А за 12V, кое зависи од дизајнираното електрично оптоварување во возилото. Некои автомобили имаат возна помош и климатизација кои се електрично придвижувани што претставува високо оптоварување за електричниот систем. Големите комерцијални возила користат 24V за да даде довола мок на почетниот мотор во однос на голем дизел мотор. Алтернаторите во возилата не користат постојани магнети и се околу 50-60% ефикасни преку широк опсег на брзини. Алтернаторите во мотоциклите често користат постојани магнетни статори направени од ретки земјени магнети бидејќи тие можат да бидат помали и полесни од другите видови. Некои од најмалите генератори обично даваат мокнос за велосипедските светла. Овие тежнеат да бидат 0,5А, и да снабдуваат 3-6W во 6V или 12V. Бидејќи се придвижувани од возачот мокноста е максимална така што тие можат да вклучат ретки земјени магнети и се дизајнирани и произведени со голема прецизност. Сепак, дури и за најдобрите генератори ефикасноста е само околу 80%, потипично е 60% кое се должи делумно на триењето при тркалањето на интерфејсот гуми-генератор поради лоша поставеност, мала големина на генераторот и евтини дизајни. Употребата на постојани магнети значи дека ефикасноста паѓа уште повеќе при големи брзини бидејќи силата поради магнетното поле не може да се контролира. Hub генераторите се решение за многу од овие недостатоци, бидејќи тие се внатрешно до велосипедскиот hub и не барааат интерфејс помеѓу генераторот и гумата. До неодамна, овие генератори беа скапи и тешко да се најдат. Произодителите за велосипедски делови како Shimano и SRAM само што се приклучија на овој пазар. Сепак, значителни придобивки можат да се очекуваат во иднина бидејќи велосипедизмост станува се позначаен транспорт и и LED технологијата овозможува посветло осветлување со намалена струја која ваквите генератори се способни да ја произведат. Јахтите за пловење можат да користат генератори кои се напојуваат на вода или ветерници за да ги полнат батериите. Мал пропелер, турбина на ветер или коло се поврзат со нискоенергетски алтернатор и исправувач за да снабди струја до 12А при типични брзини на крстарење.

Мотор-генератор

Овој генератор е комбинација на електричен генератор и мотор (двигател) монтирани заедно за да формираат автономен уред. Моторите кои се користат се обично клипни мотори, но гас турбини можат да се користат исто така. Многу различни верзии се на располагање-од многу мали бензиски погони до големи турбински инсталации.

Електрични генератори напојувани на човечки погон

Генератор може да биде напојуван од страна на човечката мускулна сила. Генератори за еднонасочна струја на човечки погон се комерцијално достапни, и биле проекти на некои DIY ентузијасти. Обично се управувани со помош на педали, ножна пумпа, ваквите генератори се практични за полнење батерии а во некои случаи се дизајнирани со интегрален инвертер. Возрасен човек би можел да генерира околу 125-200 W на педален генератор. Линеарен електричен генератор Наједноставната форма на линеаен електричен генератор, лизгачки магнет се движи напред и назад низ калем-намотки од бакарна жица. Според законот за индукција на Фарадеј, во намотките од жица се произведува наизменична струја секој пат кога магнетот ќе помине низ него. Овој тип на генератор се користи во Фарадеев фенер. Големи линеарни електрични генератори се користат во брановите шеми.

Тахогенератор

Тахогенераторите често се користат за напојување на тахометрите за мерење на брзината на електрични мотори, мотори и на опремата која тие ја напојуваат. Генераторите генерираат напон приближно пропорционално на брзината на осовината. Со прецизна конструкција и дизајн, генераторите можат да се изградат за да се произведе многу прецизен напон за одреден опсег на осовински брзини.

Поврзано

Наводи

Аугустус Хелер: Анианус Џедлик. Природа (Норман Локјер),1896
Џејмс Сталкуп: Сталкупова книга за Генерато, Трансформатор, Мотор и компресор. Јонес и Бартлетт, 2005