Elektrina nie je primárna energia, voľne prítomná v prírode vo významných množstvách a pre jej využitie v priemysle a každodennom živote sa musí vyrábať. Väčšinu tvoria zariadenia, ktoré premieňajú hnaciu silu na elektrický prúd – tak fungujú generátory, ktorým ako zdroje mechanickej energie môžu poslúžiť parné a vodné turbíny, spaľovacie motory a dokonca aj sila ľudských svalov.

História a evolúcia

Základom konštrukcie elektrických strojov sa stal objav Michaela Faradaya v roku 1831 zákonov elektromagnetickej indukcie. Pred príchodom elektrického osvetlenia však nebolo potrebné túto technológiu komercializovať. U prvých spotrebiteľov elektriny, napríklad v telegrafe, sa ako zdroj energie používali galvanické batérie. Bol to veľmi nákladný spôsob výroby elektriny.

Koncom 19. storočia sa mnohí vynálezcovia snažili použiť Faradayov princíp indukcie na mechanickú výrobu energie. Medzi dôležité úspechy patril vývoj dynama od Wernera von Siemensa a výroba funkčných modelov generátorov Theophila Gramma od Hippolyta Fontaina. Prvé zariadenia sa používali v spojení s vonkajšími oblúkovými osvetľovacími zariadeniami známymi ako Yablochkovove sviečky.

Nahradil ich veľmi úspešný systém žiaroviek Thomasa Edisona. Jeho komerčné elektrárne boli založené na výkonných generátoroch, ale obvody jednosmerného prúdu boli nevhodné na distribúciu energie na veľké vzdialenosti v dôsledku veľkých tepelných strát.

Nikola Tesla vyvinul vylepšený alternátor a tiež praktický indukčný motor. Tieto elektrické stroje spolu so zdvíhacími a znižovacími transformátormi poskytli základ pre budovanie väčších distribučných sietí energetickými spoločnosťami využívajúcimi veľké elektrárne. Vo veľkých systémoch striedavého prúdu boli náklady na výrobu a dopravu niekoľkonásobne nižšie ako v schéme Edison, čo stimulovalo dopyt po elektrine a v dôsledku toho ďalší vývoj elektrických strojov. . Za hlavné dátumy v histórii generátorov možno považovať:

Princíp činnosti

Generátory fungujúce na princípe elektromagnetickej indukcie nevytvárajú elektrinu. Pomocou mechanickej energie uvedú do pohybu iba elektrické náboje, ktoré sú vždy prítomné vo vodičoch. Princíp činnosti elektrického generátora možno prirovnať k vodnému čerpadlu, ktoré spôsobuje prúdenie vody, ale nevytvára vodu v potrubí. ohromujúci väčšina indukčných generátorov sú elektrické stroje rotačného typu pozostáva z dvoch hlavných komponentov:

• stator (pevná časť);
• rotor (rotačná časť).

Na ilustráciu fungovania elektrického generátora môže poslúžiť najjednoduchší elektrický stroj, ktorý pozostáva z cievky drôtu a magnetu v tvare U. Hlavné hlavné prvky tohto modelu sú:

• magnetické pole;
• pohyb vodiča v magnetickom poli.

Magnetické pole je oblasť okolo magnetu, kde je cítiť jeho silu. Aby ste lepšie pochopili, ako model funguje, môžete si predstaviť siločiary vychádzajúce zo severného pólu magnetu a vracajúce sa na juh. Čím silnejší je magnet, tým viac siločiar vytvára. Ak sa cievka začne otáčať medzi pólmi, obe jej strany začnú pretínať pomyselné magnetické čiary. To spôsobuje pohyb elektrónov vo vodiči (výroba elektriny).

V súlade s pravidlom pravej ruky sa počas otáčania cievky v nej indukuje prúd, ktorý mení svoj smer každú pol otáčky, pretože siločiary po stranách cievky sa budú pretínať v jednom smere, resp. iné. Cievka dvakrát za každú otáčku prechádza polohami (rovnobežne s pólmi), v ktorých nedochádza k elektromagnetickej indukcii. Najjednoduchší generátor teda funguje ako elektrický stroj, ktorý vyrába striedavý prúd. Napätie, ktoré vytvára, sa dá zmeniť:

• intenzita magnetického poľa;
• rýchlosť otáčania cievky;
• počet závitov drôtu prechádzajúceho cez siločiary magnetického poľa.

Cievka vodiča otáčajúca sa medzi pólmi magnetu vytvára ďalší dôležitý efekt. Keď prúd tečie v cievke, vytvára elektromagnetické pole, ktoré je opačné ako pole permanentného magnetu. A čím viac elektriny sa v cievke indukuje, tým silnejšie je magnetické pole a odpor voči otáčaniu vodiča. Rovnaká magnetická sila v cievkach spôsobuje otáčanie rotora elektromotora, to znamená, že za určitých podmienok môžu generátory pracovať ako motory a naopak.

Vlastnosti AC generátorov

Striedavý prúd (AC) vytvára najjednoduchší opísaný generátor. Aby bola vyrobená elektrina využiteľná, musí byť nejako dodaná do záťaže. To sa deje pomocou kontaktnej zostavy na hriadeli, ktorá pozostáva z rotujúcich krúžkov a na nich kĺzavých pevných uhlíkových častí, nazývaných kefy. Každý koniec rotujúceho vodiča je pripojený k zodpovedajúcemu krúžku a takto vytvorený prúd v cievke prechádza cez krúžky a kefy do záťaže.

Štruktúra priemyselných strojov

Praktické generátory sa líšia od najjednoduchších. Zvyčajne sú vybavené budičom - pomocným generátorom, ktorý dodáva jednosmerný prúd elektromagnetom používaným na vytváranie magnetického poľa v generátore.

Namiesto cievky v najjednoduchšom modeli sú praktické zariadenia vybavené vinutím medeného drôtu a cievky na železných jadrách zohrávajú úlohu magnetu. Vo väčšine alternátorov sú elektromagnety, ktoré vytvárajú striedavé pole, umiestnené na rotore a elektrina sa indukuje v cievkach statora.

V takýchto zariadeniach sa kolektor používa na prenos jednosmerného prúdu z budiča do magnetov. To značne zjednodušuje konštrukciu, pretože je pohodlnejšie prenášať slabé prúdy cez kefy a prijímať vysoké napätie zo stacionárnych statorových vinutí.

Aplikácia v sieťach

V niektorých strojoch je počet sekcií vinutia rovnaký ako počet elektromagnetov. Ale väčšina AC generátorov je vybavená tromi sadami cievok pre každý pól. Takéto stroje vyrábajú tri prúdy elektriny a nazývajú sa trojfázové. Ich špecifický výkon je oveľa vyšší ako u jednofázových.

V elektrárňach slúžia generátory striedavého prúdu ako meniče mechanickej energie na elektrickú energiu. Je to preto, že striedavé napätie sa dá ľahko zvýšiť alebo znížiť pomocou transformátora. Veľké generátory produkujú napätie okolo 20 000 voltov. Potom stúpne o viac ako rádovo, aby bolo možné dopravovať elektrinu na veľké vzdialenosti. V mieste privedenia elektriny sa pomocou série znižovacích transformátorov vytvorí napätie vhodné na použitie.

Zariadenie Dynamo

Cievka drôtu rotujúca medzi pólmi magnetu mení póly na koncoch vodiča dvakrát za každú otáčku. Ak chcete zmeniť najjednoduchší model na generátor jednosmerného prúdu, musíte urobiť dve veci:

• odviesť prúd z cievky do záťaže;
• organizovať tok odkloneného prúdu iba jedným smerom.

Úloha zberateľa

Zariadenie nazývané rozdeľovač dokáže oboje. Jeho rozdiel od zostavy kontaktnej kefy je v tom, že jej základom nie je prstenec vodiča, ale súbor navzájom izolovaných segmentov. Každý koniec rotačného obvodu je pripojený k zodpovedajúcemu sektoru kolektora a dve pevné uhlíkové kefky odvádzajú elektrický prúd z komutátora.

Kolektor je navrhnutý tak, že bez ohľadu na polaritu na koncoch cievky a fázu otáčania rotora, kontaktná skupina poskytuje prúd v požadovanom smere pri prenose na záťaž. Vinutia v praktických dynamách pozostávajú z mnohých segmentov, preto sa pre DC generátory z dôvodu potreby ich prepínania ukázala ako výhodnejšia schéma, v ktorej sa kotva s indukovanými cievkami otáča v magnetickom poli.

Dodávka elektromagnetov

Klasické dynamá využívajú na vyvolanie poľa permanentný magnet. Zvyšok DC generátorov potrebuje energiu pre elektromagnety. V takzvaných separátne budených generátoroch sa na to používajú externé zdroje jednosmerného prúdu. Samobudené zariadenia implementujú časť samostatne vyrobenej elektriny na ovládanie elektromagnetov. Spustenie takýchto generátorov po zastavení závisí od ich schopnosti akumulovať zvyškový magnetizmus. V závislosti od spôsobu pripojenia budiacich cievok s vinutiami kotvy sa delia na:

• skrat (s paralelným budením);
• sériový (so sériovým budením);
• zmiešané budenie (s kombináciou skratu a série).

Typy budenia sa aplikujú v závislosti od požadovanej regulácie napätia. Napríklad generátory používané na nabíjanie batérií potrebujú jednoduchú reguláciu napätia. V tomto prípade by bol vhodný typ shunt. Ako stroje, ktoré vyrábajú energiu pre osobný výťah, sa používa samostatne budený generátor, pretože takéto systémy vyžadujú komplexné riadenie.

Použitie kolektorových generátorov

Mnoho jednosmerných generátorov je poháňaných striedavými motormi v kombináciách nazývaných súpravy motor-generátor. Toto je jeden zo spôsobov, ako zmeniť striedavý prúd na jednosmerný. Závody, ktoré vykonávajú galvanizáciu, vyrábajú hliník, chlór a niektoré ďalšie materiály elektrochemickým procesom, potrebujú veľké množstvo jednosmerného prúdu.

Pomocou diesel-elektrických generátorov sa jednosmerný prúd dodáva aj do lokomotív a lodí. Pretože rozdeľovače sú zložité a nespoľahlivé zariadenia, generátory jednosmerného prúdu sa často nahrádzajú strojmi, ktoré vyrábajú striedavý prúd v kombinácii s elektronikou. Komutátorové generátory našli uplatnenie v sieťach s nízkym výkonom, umožňujúce použitie dynama s permanentným magnetom bez budiacich obvodov.

Existujú aj iné typy zariadení, ktoré sú schopné vyrábať elektrickú energiu. Patria sem elektrochemické batérie, termoelektrické a fotovoltaické články, palivové konvertory. Ale v porovnaní s AC/DC indukčnými generátormi je ich podiel na globálnej produkcii energie zanedbateľný.