回転式誘導発電機はどのように機能しますか？

電気は一次エネルギーではなく、自然界に大量に自由に存在し、産業や日常生活で使用するには、生産する必要があります。そのほとんどは、駆動力を電流に変換するデバイスによって作成されます。これが発電機の仕組みであり、蒸気タービンと水車、内燃機関、さらには人間の筋肉の力でさえ、機械的エネルギーの源として機能します。

歴史と進化

電磁誘導の法則の1831年のマイケルファラデーによる発見は、電気機械の建設の基礎となりました。しかし、電灯が登場する前は、この技術を商品化する必要はありませんでした。たとえば電信の初期の電力消費者では、電源としてガルバニ電池が使用されていました。それは電気を生成するための非常に高価な方法でした。

19世紀後半、多くの発明者はファラデーの誘導原理を機械的発電に適用しようとしていました。重要な成果のいくつかは、ヴェルナーフォンシーメンスによるダイナモの開発と、テオフィラスグラムの発電機の作業モデルのイポリットフォンテーヌによる生産でした。最初のデバイスは、ヤブロチコフキャンドルとして知られる屋外アークランプデバイスと組み合わせて使用されました。

それらは、トーマス・エジソンの非常に成功した白熱灯システムに置き換えられました。彼の商用発電所は強力な発電機に基づいていましたが、DC回路は、大量の熱損失のために長距離に電力を分配するのには適していませんでした。

Nikola Teslaは、改良されたオルタネーターと実用的な誘導モーターを開発しました。これらの電気機械は、昇圧および降圧変圧器とともに、大規模な発電所を使用する電力会社によるより大規模な配電ネットワークの確立の基礎を提供しました。大規模なAC電力システムでは、発電と輸送のコストがエジソンスキームの数分の1であり、電力需要が刺激され、その結果、電気機械がさらに進化しました。 。発電機の歴史における主な日付は次のように考えることができます。

動作原理

電磁誘導の原理で作動する発電機は電気を生成しません。機械的エネルギーの助けを借りて、それらは導体に常に存在する電荷のみを動かします。発電機の動作原理は、水の流れを引き起こすが、パイプ内に水を生成しない送水ポンプと比較することができます。圧倒的 ほとんどの誘導発電機は回転式電気機械です 2つの主要なコンポーネントで構成されています。

固定子（固定部分）;
ローター（回転部）。

発電機がどのように機能するかを説明するために、ワイヤーのコイルとU字型の磁石で構成される最も単純な電気機械が役立ちます。 このモデルの主な要素は次のとおりです。

磁場;
磁場中の導体の動き。

磁場とは、磁石の周りにその強さが感じられる領域のことです。モデルがどのように機能するかをよりよく理解するために、磁石の北極から出て南に戻る力線を想像することができます。磁石が強いほど、より多くの力線が作成されます。コイルが極間で回転し始めると、コイルの両側が仮想の磁力線と交差し始めます。これにより、導体内の電子が移動します（発電）。

右手の法則に従って、コイルの回転中に電流が誘導され、コイルの側面による力線が一方向または他の。コイルは1回転ごとに2回、電磁誘導が発生しない位置（極に平行）を通過します。したがって、最も単純な発電機は、交流を生成する電気機械のように機能します。 それが生成する電圧は、次の方法で変更できます。

磁場の強さ;
コイル回転速度;
磁力線を横切るワイヤーの巻き数。

磁石の極の間を回転する導体のコイルは、別の重要な効果を生み出します。コイルに電流が流れると、永久磁石の電磁界とは逆の電磁界が発生します。そして、より多くの電気がコイルに誘導されるほど、磁場と導体の回転に対する抵抗が強くなります。コイル内の同じ磁力により、電気モーターのローターが回転します。つまり、特定の条件下では、発電機がエンジンとして機能し、その逆も可能です。

AC発電機の特徴

交流（AC）は、説明されている最も単純な発電機を生成します。生成された電気を使用できるようにするには、それを何らかの形で負荷に供給する必要があります。これは、回転リングとその上をスライドする固定カーボン部品で構成される、ブラシと呼ばれるシャフト上のコンタクトアセンブリを使用して行われます。回転導体の両端は対応するリングに接続されており、コイルに生成された電流はリングとブラシを通過して負荷に流れます。

産業機械の構造

実用的なジェネレーターは、最も単純なジェネレーターとは異なります。それらは通常、エキサイター（発電機に磁場を生成するために使用される電磁石に直流を供給する補助発電機）を備えています。

最も単純なモデルのコイルの代わりに、実用的なデバイスには銅線の巻線が装備されており、鉄心のコイルが磁石の役割を果たします。ほとんどのオルタネーターでは、交流磁場を生成する電磁石が回転子に配置され、電気が固定子コイルに誘導されます。

このようなデバイスでは、コレクターを使用して、エキサイターから磁石に直流電流を流します。これにより、ブラシに弱い電流を流し、固定子巻線から高電圧を受け取る方が便利なため、設計が大幅に簡素化されます。

ネットワークでのアプリケーション

一部の機械では、巻線セクションの数は電磁石の数と同じです。しかし、ほとんどのAC発電機には、各極に3セットのコイルが装備されています。このような機械は3つの電気の流れを生成し、三相と呼ばれます。それらの比出力は、単相の比出力よりもはるかに高くなっています。

発電所では、AC発電機は機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する役割を果たします。これは、変圧器を使用するとAC電圧が増減しやすいためです。大型の発電機は約20,000ボルトの電圧を生成します。その後、電気を長距離輸送できるように、1桁以上上昇します。電気をかける場所では、一連の降圧変圧器を使用して、使用に適した電圧が生成されます。

Dynamoデバイス

磁石の極間を回転するワイヤーのコイルは、各回転で2回導体の端の極を変更します。最も単純なモデルをDCジェネレーターに変換するには、次の2つのことを行う必要があります。

コイルから負荷に電流を迂回させます。
迂回した電流の流れを一方向にのみ整理します。

コレクターの役割

多様体と呼ばれる装置は両方を行うことができます。コンタクトブラシアセンブリとの違いは、その基礎が導体のリングではなく、互いに分離されたセグメントのセットであるということです。回転回路の両端はコレクターの対応するセクターに接続されており、2つの固定カーボンブラシが整流子から電流を除去します。

コレクターは、コイルの両端の極性やローターの回転の位相に関係なく、接触グループが電流を負荷に転送するときに目的の方向に電流を供給するように設計されています。実際のダイナモの巻線は多くのセグメントで構成されているため、DC発電機の場合、それらを切り替える必要があるため、誘導コイルを備えた電機子が磁場内で回転する方式が好ましいことがわかりました。

電磁石の供給

古典的なダイナモは、永久磁石を使用して磁場を誘導します。残りのDC発電機は、電磁石用の電力を必要とします。いわゆる個別励起発電機では、これに外部DC電源が使用されます。自励式装置は、自家発電した電気の一部を使用して電磁石を制御します。停止後にそのような発電機を始動することは、残留磁気を蓄積するそれらの能力に依存します。 励起コイルを電機子巻線に接続する方法に応じて、それらは次のように分けられます。

シャント（並列励起あり）;
シリアル（シリアル励起あり）;
混合励起（シャントとシリーズの組み合わせ）。

励起タイプは、必要な電圧制御に応じて適用されます。たとえば、バッテリーの充電に使用される発電機には、単純な電圧制御が必要です。この場合、適切なタイプはシャントになります。乗客用エレベータ用のエネルギーを生成する機械として、このようなシステムは複雑な制御を必要とするため、個別に励起された発電機が使用されます。

コレクタージェネレーターの使用

多くのDC発電機は、モーター発電機セットと呼ばれる組み合わせでACモーターから電力を供給されます。これは、ACをDCに変更する1つの方法です。亜鉛メッキを行い、電気化学的プロセスによってアルミニウム、塩素、およびその他のいくつかの材料を生成するプラントは、大量の直流を必要とします。

ディーゼル発電機の助けを借りて、DC電力は機関車や船にも供給されます。マニホールドは複雑で信頼性の低いデバイスであるため、DC発電機は、多くの場合、電子機器と組み合わせたACを生成する機械に置き換えられます。整流子発電機は、低電力ネットワークでの用途が見出されており、励起回路なしで永久磁石ダイナモを使用できます。