Električna energija nije primarna energija, slobodno je prisutna u prirodi u značajnim količinama, a za njeno korištenje u industriji i svakodnevnom životu mora se proizvoditi. Najveći dio stvaraju uređaji koji pretvaraju pogonsku snagu u električnu struju - tako rade generatori, za koje kao izvori mehaničke energije mogu poslužiti parne i vodene turbine, motori s unutarnjim sagorijevanjem, pa čak i snaga ljudskih mišića.

Istorija i evolucija

Otkriće zakona elektromagnetne indukcije od strane Michaela Faradaya 1831. godine postalo je osnova za konstrukciju električnih mašina. Ali prije pojave električne rasvjete, nije bilo potrebe za komercijalizacijom tehnologije. U ranim potrošačima električne energije, na primjer, u telegrafu, galvanske baterije su korištene kao izvor energije. Bio je to veoma skup način proizvodnje električne energije.

U kasnom 19. veku, mnogi pronalazači su želeli da primene Faradejev princip indukcije na mehaničku proizvodnju energije. Neka od važnih dostignuća bili su razvoj dinama od strane Vernera fon Simensa i proizvodnja radnih modela generatora Teofila Grama od strane Hipolita Fontajna. Prvi uređaji korišćeni su u kombinaciji sa uređajima za spoljašnju lučnu rasvetu poznatim kao Yablochkov sveće.

Zamijenio ih je vrlo uspješan sistem sijalica sa žarnom niti Thomasa Edisona. Njegove komercijalne elektrane bile su bazirane na snažnim generatorima, ali jednosmjerno kolo nije bilo pogodno za distribuciju energije na velike udaljenosti zbog ogromnog gubitka topline.

Nikola Tesla je razvio poboljšani alternator, kao i praktičan indukcioni motor. Ove električne mašine, zajedno sa stepenastim i opadajućim transformatorima, dale su osnovu za uspostavljanje većih distributivnih mreža elektroprivreda koje koriste velike elektrane. U velikim energetskim sistemima naizmenične struje, troškovi proizvodnje i transporta bili su nekoliko puta niži nego u Edisonovoj šemi, što je stimulisalo potražnju za električnom energijom i, kao rezultat, dalju evoluciju električnih mašina. . Glavni datumi u istoriji generatora mogu se smatrati:

Princip rada

Generatori koji rade na principu elektromagnetne indukcije ne stvaraju električnu energiju. Uz pomoć mehaničke energije pokreću samo električne naboje koji su uvijek prisutni u provodnicima. Princip rada električnog generatora može se uporediti sa pumpom za vodu koja uzrokuje protok vode, ali ne stvara vodu u cijevima. overwhelming većina indukcionih generatora su električne mašine rotacionog tipa koji se sastoji od dvije glavne komponente:

• stator (fiksni dio);
• rotor (rotirajući dio).

Za ilustraciju rada električnog generatora može poslužiti najjednostavniji električni stroj, koji se sastoji od zavojnice žice i magneta u obliku slova U. Glavni osnovni elementi ovog modela su:

• magnetno polje;
• kretanje provodnika u magnetskom polju.

Magnetno polje je područje oko magneta gdje se osjeća njegova snaga. Da biste bolje razumjeli kako model funkcionira, možete zamisliti linije sile koje izlaze iz sjevernog pola magneta i vraćaju se na južni. Što je magnet jači, stvara više linija sile. Ako se zavojnica počne okretati između polova, tada će obje strane početi prelaziti zamišljene magnetske linije. To uzrokuje kretanje elektrona u vodiču (generiranje električne energije).

U skladu s pravilom desne ruke, tokom rotacije zavojnice, u njemu će se inducirati struja, mijenjajući svoj smjer svakih pola okreta, jer će se linije sile koje se nalaze na stranama zavojnice seći u jednom smjeru ili ostalo. Dvaput za svaki okret, zavojnica prolazi kroz pozicije (paralelne s polovima) na kojima se ne javlja elektromagnetna indukcija. Dakle, najjednostavniji generator radi kao električna mašina koja proizvodi izmjeničnu struju. Napon koji stvara može se promijeniti:

• jačina magnetnog polja;
• brzina rotacije zavojnice;
• broj zavoja žice koja prelazi linije magnetnog polja.

Zavojnica provodnika koja se okreće između polova magneta stvara još jedan važan efekat. Kada struja teče u zavojnici, ona stvara elektromagnetno polje koje je suprotno polju stalnog magneta. I što se više električne energije indukuje u zavojnici, to je jače magnetsko polje i otpor okretanju vodiča. Ista magnetna sila u zavojnicama uzrokuje rotaciju rotora elektromotora, odnosno pod određenim uvjetima generatori mogu raditi kao motori i obrnuto.

Karakteristike AC generatora

Izmjenična struja (AC) proizvodi najjednostavniji opisani generator. Da bi proizvedena električna energija bila upotrebljiva, mora se nekako isporučiti na teret. To se radi pomoću kontaktnog sklopa na osovini, koji se sastoji od rotirajućih prstenova i fiksnih karbonskih dijelova koji klize po njima, zvanih četke. Svaki kraj rotirajućeg provodnika spojen je na odgovarajući prsten, a struja stvorena u zavojnici prolazi kroz prstenove i četke do opterećenja.

Struktura industrijskih mašina

Praktični generatori se razlikuju od najjednostavnijih. Obično su opremljeni uzbudnikom - pomoćnim generatorom koji napaja jednosmjernu struju elektromagnetima koji se koriste za stvaranje magnetskog polja u generatoru.

Umjesto zavojnice u najjednostavnijem modelu, praktični uređaji opremljeni su namotajima od bakrene žice, a zavojnice na željeznim jezgrama igraju ulogu magneta. U većini alternatora, elektromagneti koji stvaraju naizmjenično polje postavljeni su na rotor, a električna energija se inducira u zavojnicama statora.

U takvim uređajima kolektor se koristi za prenošenje istosmjerne struje od uzbuđivača do magneta. Ovo uvelike pojednostavljuje dizajn, jer je prikladnije prenositi slabe struje kroz četke i primati visoki napon iz stacionarnih namotaja statora.

Primjena u mrežama

U nekim mašinama, broj sekcija namotaja je isti kao i broj elektromagneta. Ali većina AC generatora opremljena je sa tri seta zavojnica za svaki pol. Takve mašine proizvode tri struje električne energije i nazivaju se trofaznim. Njihova specifična snaga je mnogo veća od one kod jednofaznih.

U elektranama AC generatori služe kao pretvarači mehaničke energije u električnu. To je zato što je izmjenični napon lako povećati ili smanjiti pomoću transformatora. Veliki generatori proizvode napon od oko 20.000 volti. Zatim se povećava za više od reda veličine da bi mogao prenositi električnu energiju na velike udaljenosti. Na mjestu primjene električne energije napon pogodan za korištenje stvara se nizom opadajućih transformatora.

Dinamo uređaj

Zavojnica žice koja rotira između polova magneta mijenja polove na krajevima vodiča dva puta u svakom okretaju. Da biste najjednostavniji model pretvorili u DC generator, trebate učiniti dvije stvari:

• preusmjeriti struju sa zavojnice na opterećenje;
• organizovati tok preusmerene struje samo u jednom pravcu.

Uloga kolekcionara

Uređaj koji se zove razdjelnik može učiniti oboje. Njegova razlika od sklopa kontaktnih četkica je u tome što njegova osnova nije prsten vodiča, već skup segmenata izoliranih jedan od drugog. Svaki kraj rotacionog kola je povezan sa odgovarajućim sektorom kolektora, a dve fiksne ugljene četke uklanjaju električnu struju iz komutatora.

Kolektor je dizajniran tako da, bez obzira na polaritet na krajevima zavojnice i fazu rotacije rotora, kontaktna grupa daje struju željenog smjera prilikom prijenosa na opterećenje. Namoti u praktičnim dinamima sastoje se od mnogo segmenata, stoga se za DC generatore, zbog potrebe za njihovim prebacivanjem, pokazalo da je poželjnija shema u kojoj se armatura s induciranim zavojnicama rotira u magnetskom polju.

Nabavka elektromagneta

Klasični dinamo koriste trajni magnet da induciraju polje. Ostatak DC generatora treba napajanje za elektromagnete. U takozvanim posebno pobuđenim generatorima za to se koriste vanjski izvori istosmjerne struje. Samopobudni uređaji implementiraju dio vlastite proizvodnje električne energije za upravljanje elektromagnetima. Pokretanje takvih generatora nakon zaustavljanja ovisi o njihovoj sposobnosti da akumuliraju preostali magnetizam. Ovisno o načinu povezivanja uzbudnih zavojnica s namotajima armature, dijele se na:

• šant (sa paralelnom pobudom);
• serijski (sa serijskom pobudom);
• mješovita pobuda (sa kombinacijom šanta i serije).

Tipovi pobude se primjenjuju ovisno o potrebnoj kontroli napona. Na primjer, generatorima koji se koriste za punjenje baterija potrebna je jednostavna kontrola napona. U ovom slučaju, odgovarajući tip bi bio šant. Kao mašine koje proizvode energiju za putnički lift, koristi se generator sa posebnom pobudom, jer takvi sistemi zahtevaju složeno upravljanje.

Upotreba kolektorskih generatora

Mnogi DC generatori se napajaju AC motorima u kombinacijama koje se nazivaju motor-generatorski setovi. Ovo je jedan od načina da promijenite AC u DC. Postrojenja koja vrše galvanizaciju, proizvode aluminij, hlor i neke druge materijale elektrohemijskim postupkom, trebaju veliku količinu jednosmjerne struje.

Uz pomoć dizel-električnih generatora istosmjernom strujom se napajaju i lokomotive i brodovi. Budući da su razdjelnici složeni i nepouzdani uređaji, DC generatori se često zamjenjuju mašinama koje proizvode naizmjeničnu struju u kombinaciji s elektronikom. Generatori komutatora našli su primenu u mrežama male snage, omogućavajući upotrebu dinamo trajnih magneta bez pobudnih kola.

Postoje i druge vrste uređaja koji mogu proizvesti električnu energiju. To uključuje elektrohemijske baterije, termoelektrične i fotonaponske ćelije, pretvarače goriva. Ali u poređenju sa AC/DC indukcijskim generatorima, njihov udio u globalnoj proizvodnji energije je zanemarljiv.