Generator prądu elektrycznego to urządzenie przeznaczone do przetwarzania nieelektrycznych rodzajów energii (chemicznej, mechanicznej, cieplnej) na energię elektryczną. Ponadto jego konstrukcja opiera się na wykorzystaniu zasady indukcji elektromagnesu.
Zasada działania i urządzenie najprostszego alternatora
Indukcja elektromagnetyczna jest zjawiskiem odkrytym w 1831 r. przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya (1791-1867), który odkrył, że gdy zmienny w czasie strumień magnetyczny przechodzi przez zamknięty obwód przewodzący, w tym drugim generowany jest prąd elektryczny. To ta zasada leży u podstaw każdego generatora.
W praktyce zasada indukcji elektromagnetycznej jest realizowana w następujący sposób: prąd elektryczny powstaje w zamkniętej ramie (wirniku), gdy przechodzi przez wirujące pole magnetyczne utworzone, w zależności od przeznaczenia i konstrukcji generatora, przez magnesy trwałe lub specjalne uzwojenia wzbudzenia. Kiedy obracasz ramkę, zmienia się wielkość strumienia magnetycznego. Im szybciej się kręci, tym wyższe napięcie wyjściowe.
W 1827 r. węgierski fizyk Anjos Istvan Jedlik (1800-1895) odkrył ten efekt i wykorzystał go do stworzenia oryginalnego modelu generatora prądu elektrycznego. Jednak wierząc, że jest sławny, naukowiec nie opatentował swojego odkrycia, a stworzenie pierwszego dynama ogłosił dopiero w 1850 roku.
Aby odprowadzić prąd elektryczny, rama jest wyposażona w odbierak prądu, który zamienia go w zamkniętą pętlę i zapewnia stały kontakt obracającej się ramy z nieruchomymi elementami generatora. Szczotki sprężynowe są dociskane do pierścieni kolektora, dzięki czemu prąd elektryczny jest doprowadzany do zacisków wyjściowych generatora.
Obracając się, połówki ramy kolejno przechodzą w pobliżu biegunów magnesu. W tym przypadku następuje cykliczna zmiana kierunku ruchu wyłaniającego się prądu – na każdym biegunie prąd porusza się w jednym kierunku.
W zależności od konstrukcji kolektora generator może wytwarzać zarówno prąd stały, jak i przemienny.
- W generatorach prądu stałego dla każdej połowy uzwojenia w zespole kolektora znajdują się półpierścienie odizolowane od siebie. Ze względu na to, że te półpierścienie stale się zmieniają za pomocą szczotek, prąd nie zmienia swojego kierunku, ale po prostu pulsuje.
- W alternatorach końce ramy są przywiązane do pierścieni ślizgowych i cała konstrukcja obraca się wokół własnej osi. Gdy rama się obraca, szczotki, z których każda ściśle przylega do własnego pierścienia, zapewniają niezawodny przewód odprowadzający. W takim przypadku nie ma cyklicznej zmiany położenia szczotek.
Obrotowa część generatora nazywana jest wirnikiem, a część nieruchoma nazywana jest stojanem.
Zasada działania generatorów prądu przemiennego i stałego jest identyczna. Różnią się one między sobą konstrukcją pierścieni ślizgowych umieszczonych na wirującym wirniku oraz konfiguracją uzwojeń.
W alternatorach często stosuje się oryginalne rozwiązanie techniczne, polegające na tym, że pole elektromagnetyczne występuje w przewodniku nie tylko wtedy, gdy obraca się on w polu magnetycznym, ale także wtedy, gdy samo pole magnetyczne obraca się względem przewodnika stacjonarnego.
Efekt ten jest szeroko stosowany przez deweloperów, którzy umieszczają magnesy elektryczne lub stałe na obracającym się wirniku. W takim przypadku napięcie jest usuwane z stacjonarnego zainstalowanego uzwojenia, co pozwala pozbyć się skomplikowanych konstrukcji jednostek odbierających prąd.
Generatory prądu przemiennego
- konstruktywna wydajność;
- metoda podniecenia;
- liczba faz.
Zgodnie z metodą wzbudzenia konsument może napotkać jednostki:
- z niezależnym wzbudzeniem - uzwojenie wzbudzenia zasilane jest prądem stałym z niezależnego źródła zasilania;
- z samowzbudzeniem - wyprostowany prąd z samego generatora jest dostarczany do uzwojenia wzbudzenia;
- z wzbudzeniem z magnesów trwałych - nie ma uzwojenia wzbudzenia;
- z wzbudzeniem z wzbudnicy - generator prądu stałego małej mocy, „siedzący” na tym samym wale z serwisowanym generatorem.
Według liczby faz generatory elektryczne to:
- jednofazowy;
- dwufazowy;
- trójfazowy.
W praktyce najczęściej spotykane są alternatory trójfazowe. Wynika to z szeregu zalet charakterystycznych dla tego typu kruszyw:
- uzyskanie efektu ekonomicznego w rozwoju systemów przesyłu energii elektrycznej na duże odległości – zmniejszenie materiałochłonności urządzeń transformatorowych i przewodów zasilających; Jest to ułatwione dzięki obecności okrągłego pola magnetycznego;
- zwiększona żywotność, która zapewnia równowagę systemu;
- jednoczesne stosowanie napięcia sieciowego i fazowego.
Strukturalnie trójfazowy generator elektryczny ma trzy niezależne uzwojenia umieszczone w stojanie w okręgu z przesunięciem względem siebie o 120 °. W tym przypadku każde uzwojenie jest generatorem jednofazowym, który jest w stanie dostarczyć napięcie przemienne do konsumenta R. Takie pojedyncze uzwojenie nazywa się „fazą”. Uzwojenia fazowe mogą być połączone „trójkątem” lub „gwiazdą”.
Istnieją inne schematy łączenia uzwojeń, na przykład sześcioprzewodowy system Tesli lub połączenie Slavyanka (kombinacja sześciu uzwojeń w postaci jednej „gwiazdy” i jednego „trójkąta”), ale nie były one szeroko stosowane.
Rolę ramy w urządzeniach generujących prąd przemienny odgrywa elektromagnes, który obracając się, przesuwa przemienne sem indukowane w uzwojeniach o jedną trzecią cyklu względem siebie.
Wśród wielu alternatorów istnieją dwa główne typy ich konstrukcji: synchroniczne i asynchroniczne. Ostatnio, ze względu na dużą liczbę skomplikowanych urządzeń elektronicznych sterowanych przez mikroprocesory, pojawił się nowy rodzaj generatora elektrycznego - falownik.
Synchroniczne generatory prądu
Alternator synchroniczny składa się konstrukcyjnie z dwóch części - ruchomego wirnika i stałego stojana.
Gdy obraca się wirnik, który jest elektromagnesem z rdzeniem i uzwojeniem wzbudzenia, podłączonym do zewnętrznego źródła zasilania za pomocą mechanizmu szczotkowego, w uzwojeniu stojana indukowana jest siła elektromotoryczna, która jest podawana na zaciski wyjściowe generatora. Taka konstrukcja eliminuje potrzebę styków przesuwnych, co znacznie upraszcza konstrukcję urządzenia. Początkowo strumień magnetyczny jest wzbudzany przez wzbudnik innej firmy przymocowany do wspólnego wału i podłączony do systemu za pomocą sprzęgła.
W synchronicznych generatorach elektrycznych małej mocy uzwojenie wzbudzenia jest zasilane prądem wyprostowanym. W tym przypadku obwód elektryczny powstaje w wyniku aktywacji transformatorów zawartych w obwodzie obciążenia. W zestawie znajduje się również prostownik półprzewodnikowy. Główny obwód elektryczny obejmuje:
- uzwojenie wzbudzenia;
- regulacja reostatu.
Główną cechą generatora synchronicznego jest to, że częstotliwość generowanego prądu elektrycznego jest proporcjonalna do prędkości wirnika.
Agregaty prądotwórcze asynchroniczne
Konstrukcja generatorów asynchronicznych jest prosta, ale jednocześnie ma najgorsze parametry techniczne w porównaniu z jednostkami synchronicznymi - błąd częstotliwości może sięgać 4%, a pod względem napięcia - do 10%. Ponadto generatory asynchroniczne mają krytyczne znaczenie dla prądu rozruchowego. Dlatego zaleca się ich eksploatację w połączeniu ze stabilizatorami, a w niektórych przypadkach, na przykład w celu łagodnego rozruchu silnika elektrycznego, może być potrzebna przetwornica częstotliwości.
Generatory inwerterowe
Inwerterowy generator elektryczny to konwencjonalny generator asynchroniczny, na wyjściu którego zainstalowany jest dodatkowy stabilizator parametrów wyjściowych.
Działa to w następujący sposób: napięcie generowane przez generator asynchroniczny trafia do falownika, gdzie jest najpierw prostowane, a następnie z uzyskanego napięcia stałego powstają impulsy o danej częstotliwości i współczynniku wypełnienia. Na wyjściu urządzenia impulsy te są przekształcane w napięcie sinusoidalne o niemal idealnych parametrach technicznych.
Napęd alternatora
W środowisku domowym wirnik generatora jest napędzany silnikami spalinowymi (ICE), które są zasilane paliwami, takimi jak benzyna lub olej napędowy. Jednocześnie żywotność generatorów benzynowych wyposażonych w dwusuwowe silniki spalinowe wynosi około 500 godzin rocznie (nie więcej niż 4 godziny dziennie); czterosuwowy ICE osiąga 5000 godzin rocznie.
Wskazane jest używanie generatorów benzynowych w przypadku krótkich przerw w dostawie prądu i/lub wychodzenia na wieś.
Generatory diesla są mocniejsze i trwalsze niż generatory benzynowe. Wśród nich są modele z chłodzeniem powietrzem i cieczą. Jednostki chłodzone powietrzem są zalecane do stosowania w miejscach, w których prąd jest często odcięty przez długi czas.
Korzystanie z takich domowych urządzeń jest niezwykle proste - trzeba wlać paliwo do baku, przekręcić kluczyk, aby uruchomić silnik i podłączyć ładunek. Ich panel sterowania jest wyposażony we wszystkie niezbędne i intuicyjne etykiety i symbole.
Agregaty prądotwórcze diesla chłodzone cieczą to urządzenia zupełnie innej kategorii. Są zdolne do pracy w dzień i w nocy i są wykorzystywane głównie w przedsiębiorstwach jako źródła zasilania awaryjnego.
Generatory przemysłowe, przeznaczone do generowania prądu przemiennego i dostarczania go do odbiorców na duże odległości za pomocą linii wysokiego napięcia (PTL), działają poprzez uruchomienie turbin hydraulicznych lub parowych. W takich jednostkach mechanizm wirnika jest połączony bezpośrednio z kołem turbiny.
Generatory turbinowe charakteryzują się dużą mocą (do 100 000 kW) i są w stanie generować prąd przemienny o napięciu do 16 kV. W tym przypadku długość i średnica ich wirnika może osiągnąć odpowiednio 6,5 i 15 metrów, a prędkość obrotowa tego ostatniego mieści się w zakresie 1500 ... 3000 obr./min. Takie jednostki są instalowane w osobnych pomieszczeniach na specjalnie przygotowanych betonowych podstawach.
Opcje i możliwości generatora domowego
Dla ułatwienia użytkowania producenci wyposażają swoje produkty w szereg przydatnych opcji, wśród których są:
- urządzenie do automatycznego uruchamiania jednostki w przypadku zaniku zasilania;
- obecność wbudowanego RCD, który odłącza urządzenie od sieci w przypadku uszkodzenia izolacji i pojawienia się prądu upływowego;
- kontrola parametrów i ich wyświetlanie na wyświetlaczu;
- ochrona przed przeładowaniem.
Gdy obciążenie zostanie podłączone do generatora elektrycznego, którego wartość będzie niższa od znamionowej, jednostka zacznie na próżno „zjadać” część ciekłego paliwa, nie wykorzystując w pełni swoich możliwości.
Nie będzie zbyteczne posiadanie specjalnej obudowy tłumiącej hałas, powiększonego zbiornika paliwa, obudowy chroniącej urządzenie przed skutkami niskich temperatur itp.
Funkcje instalacji
Potencjalny właściciel alternatora przed zakupem powinien zadbać o przygotowanie miejsca do jego montażu. Niezależnie od tego, gdzie taka jednostka zostanie zainstalowana, wewnątrz czy na zewnątrz, będzie potrzebować płaskiej i solidnej platformy. Zainstalowanie generatora elektrycznego na nierównym podłożu zwiększy wibracje, co przyspieszy zużycie części i może spowodować awarię drogiego urządzenia.
Instalując generator w pomieszczeniu, ważne jest zapewnienie wentylacji wyciągowej. Dodatkowo podczas pracy urządzenia zaleca się pozostawienie otwartych drzwi pomieszczenia, co z kolei będzie wymagało zamontowania w przejściu kratki, która blokuje dostęp do strefy zagrożenia osobom postronnym, a co najważniejsze dzieciom.
Podłącz generator do sieci zgodnie z wymaganiami określonymi w instrukcji obsługi. W takim przypadku kabel elektryczny należy podłączyć za maszyną wprowadzającą i licznikiem elektrycznym.
