Princip rada elektroničkih generatora i njihova primjena. Izum i prvi generatori izmjenične struje
Prvi generator Kao moderni generatori naizmjenična struja generirati električnu energiju. Električna energija je jedna od glavnih komponenti energetskog ciklusa u prirodi. Generator izmjenične struje, preveden s latinskog kao proizvođač, dizajniran je za pretvaranje bilo koje energije u električnu energiju. Uređaj koji proizvodi električnu energiju pretvara mehaničku ili prirodnu energiju u električnu. Najčešće korišteni mehanički pogon su parni, plinski turbinski, hidraulički ili dizelski motori.
Cilindri na koje su pričvršćeni krajevi armature nazivaju se "klizni prstenovi" ili klizni prstenovi, koji se okreću istovremeno s armaturom. Četke se trljaju po kliznim prstenovima kako bi se skupila električna energija proizvedena u oklopu i prenijela u vanjski krug. Reljefni dijelovi armaturne jezgre. Male i srednje jedinice koriste segmentirane ugrađene dijelove kao što su oni prikazani na slici 2, koji također pokazuju prste koji se koriste za oblikovanje ventilacijskih kanala.
Ugniježđeni dijelovi glavnog pola i komutacije. Obično je ovaj komad izrađen od laminirane meke čelične ploče, ali u velikim generatorima visoke potražnje gdje dolazi do brzih promjena opterećenja, mogu se koristiti slojevi. Prekidač je izrađen od bakrenih šipki visoke čvrstoće u obliku klinaste karbonske četke. Ovi dijelovi klize duž šipki prekidača i prenose struju opterećenja od zavojnica rotora do vanjskog kruga. Držači ugljika drže ugljikove atome s površine komutatora pomoću.
Povijest izuma električnog generatora
Povijest izuma električnog generatora pokazuje da su temelji prvog generatora postavljeni izumom baterije Talijana Alessandra Volte, generacije magnetsko polje od električne struje Danca Hansa Christiana Oersteda i elektromagneta Britanca Williama Sturgeona. Nakon što je praktično otkrio i proučavao elektromagnetsku indukciju okretanjem bakrenog diska između polova magneta, Faraday je generirao električnu struju u promjenjivom magnetskom polju, proizvevši tako prototip prvog električnog generatora. Od tog trenutka počinju se proizvoditi prvi generatori.
Proizvodi slobodnu struju i fiksni napon vrlo precizno na bilo kojoj željenoj vrijednosti od nule do maksimalne nazivne vrijednosti. Prema tome. Svaki motor mora biti oblikovan s izmjeničnim polovima između njih. koja su područja u kojima su koncentrirane linije magnetskog polja. Valjaonice čelika koje su velike brzine i višestupanjske. za održavanje prilično konstantnog pritiska i glatkog klizanja. odnosno. To su strojevi koji proizvode električnu energiju pretvorbom mehaničke energije.
Godine 1833. ruski znanstvenik njemačkog podrijetla Emilius Christianovich Lenz objavio je članak o zakonu uzajamnosti magnetno-električnih pojava, odnosno o međusobnoj zamjenjivosti uređaja za proizvodnju električne energije i motora. Prvi generatori, izumljeni u 19. stoljeću, okretali su teški trajni magnet u blizini žičanih zavojnica, postupno se poboljšavajući i otkrivajući praktičnu upotrebu. Snaga i potrošačka svojstva uređaja postupno su se usavršavala tijekom vremena. Sada ne možemo bez električne energije i njenog proizvođača. Gdje se električna energija ne može priključiti iz elektrane, u ponudi su mobilne dizel elektrane uz najam agregata.
U današnje vrijeme ima toliko mnogo proizvođača energije, jer je transformacija iz jedne vrste u drugu osnova života. Dobivanje energije iz Sunca, vjetra, Zemlje, kretanja vode, hidraulički, atomski, plimni, geotermalni izvori nikoga neće iznenaditi.
Motor za rad koristi sile privlačenja i odbijanja koje postoje između polova. Oscilator ima odličan odziv i posebno je prikladan za preciznu kontrolu izlaza pomoću povratnih regulatora. Ova se transformacija postiže djelovanjem magnetskog polja na električne vodiče koji se nalaze na armaturi. Sekundarni: isporučuju dio električna energija koje su prethodno dobili. Ovaj generator sastoji se od dva glavna dijela. Elektromotor radi prvenstveno na dva principa: indukcija.
Uglavnom se klasificiraju kao: Primarne: transformiraju energiju različite prirode koju primaju ili koju inicijalno imaju električnu energiju. A princip: to znači da ako struja prolazi kroz vodič koji se nalazi unutar magnetskog polja. A generirani napon ovisit će o snazi magneta. Trokut spoj se ostvaruje spajanjem stezaljki 1 na mehaničke komponente generatora: Kućište. Oni su sljedeći: Mehaničke komponente. Zvjezdani komunikacijski sustav. Polovi rotora raspoređeni su u parovima razmaknuti ili odvojeni za 180º.
Postoje čak i generatori koji dobivaju energiju bez goriva i vanjskog kretanja pomoću uređaja pomoću magnetskog polja Zemlje.
Dakle, generator za pretvorbu energije je onaj mali dio vječnog procesa kruženja energije nastao kao posljedica Velikog praska u Svemiru, oslobađajući energiju i vežući je u procesu svog razvoja.
Postoji teorija koja se temelji na stvaranju slobodne energije ovisno o gravitaciji i vremenu, ali te studije nadilaze okvire materijalističke fizike i znanosti općenito.
Žljebovi su mehanički i električni odvojeni za 180°. Ovaj izlazni napon dobiva se skupom armaturnih zavojnica u statoru. Da. uređaj koji pretvara određeni oblik energije u mehaničku energiju, rotaciju ili moment. protok koji se vraća na južni pol presječe stranu A cjevovoda.
Kada rotor završi jedan krug, kaže se da je završio ciklus. sinkrona i proteinska stanica. kao što su čamci. S konstruktivne točke gledišta. Ovdje će biti riječi o samo tri glavne vrste: univerzalni. Proizvodnja električne energije je proces proizvodnje električne energije iz drugih primarnih izvora energije. Njegova osnovna metoda i danas se koristi: elektricitet se stvara pomicanjem žičane petlje ili bakrenog diska između polova magneta. Za elektroprivredne tvrtke ovo je prvi proces isporuke električne energije potrošačima.
Prvi jednostavan izvor električne energije izumio je njemački znanstvenik 1663. godine Otto von Guericke. Stvorio je elektrostatički generator koji je proizvodio značajne iskre, čije je ubrizgavanje moglo biti čak i bolno, od naribane kugle izlivene od sumpora, koja se okretala rukom. Kao rezultat toga, na kuglici se nakupio električni naboj - "električna tekućina", kako se u to vrijeme nazivao ovaj električni fenomen. Guericke je uspio primijetiti slabašni sjaj naelektrizirane lopte u mraku i, što je posebno važno, prvi put je otkrio da se pahuljice koje lopta privlači nakon nekog vremena odbijaju od nje - ni Guericke ni mnogi njegovi suvremenici nisu mogli objasniti ovaj fenomen dugo vremena. Snaga kuglice bila je manja od 1 W. Činilo bi se sitnicom, ali uz njegovu pomoć otkriveni su mnogi važni fenomeni i svojstva električne energije.
Osnovni načini proizvodnje električne energije
Električnu energiju možemo postići na nekoliko načina, bilo pretvaranjem mehaničke energije kroz generator u električnu, kemijskim reakcijama pomoću fotonaponskih ćelija ili izravnom uporabom toplinske energije za stvaranje malih naboja. Težište članka bit će osnovne metode dobivanja energije, metode obrade koje koriste druge izvore energije za stvaranje mehaničke energije i njezino pretvaranje u električnu energiju na jedinstven način.
F. Hawkesby nastao 1705 električni generator koristeći staklenu kuglu umjesto kuglice od sumpora. Godine 1744. u takav je stroj uveden klizni kontakt - vodič - metalna cijev obješena na svilene niti, a kasnije postavljena na izolacijske nosače. Taj je kontakt služio kao spremnik za skupljanje električnih naboja, a stroj je mogao neprestano oslobađati električnu energiju tijekom rotacije. Nakon izuma Leydenske staklenke (vidi dolje), ovi uređaji također su postavljeni uz stroj.
Elektrokemija stvaranje energije kemijskim reakcijama
Elektrokemija je grana kemije koja proučava kemijske reakcije koje se odvijaju u otopini na granici između elektroničkog vodiča i ionskog vodiča. Ove reakcije uključuju prijenos elektrona između elektrode i elektrolita ili vrste u otopini.
Elektrokemijska ćelija je uređaj koji stvara električnu struju iz energije oslobođene spontanom redoks reakcijom. Ova vrsta ćelije uključuje galvansku ćeliju ili voltaičnu ćeliju u čast Luigija Galvanija i Alessandra Volte, dvojice znanstvenika koji su izvodili razne pokuse na kemijskim reakcijama i električnoj struji u kasnom 18. stoljeću, pripisujući Volti zasluge za izum prvog dimnjaka.
Godine 1799. talijanski znanstvenik Alessandro Volta izumio je napredniji izvor električne struje od Muschenbroeka (vidi dolje), i što je najvažnije, gotovo kontinuiran (određen sadržajem vlage u brtvilu) izvor električne struje - prvi elektrokemijski generator, tzv "naponski stup" Svoj je izvor električne energije nazvao po talijanskom anatomu Luigiju Galvaniju galvanski članak. Bio je to izvor električne energije jači od Guerickeovog generatora.
Elektrokemijske ćelije imaju dvije vodljive elektrode. Anoda je definirana kao elektroda na kojoj se odvija oksidacija, a katoda je elektroda na kojoj se odvija redukcija. Elektrode mogu biti izrađene od bilo kojeg dovoljno vodljivog materijala, kao što su metali, poluvodiči, grafit i vodljivi polimeri. Jedna od tih elektroda je elektrolit, koji sadrži ione koji se mogu slobodno kretati.
Galvanski članak koristi dvije različite metalne elektrode, svaku na elektrolitu gdje su pozitivno nabijeni ioni oksidirani oblik metalna elektroda. Jedna će elektroda biti podvrgnuta oksidaciji, dok će se druga skupljati. Anodni metal će oksidirati iz nultog oksidacijskog stanja u pozitivno oksidacijsko stanje i postati ion. Na katodi će metalni ion u otopini prihvatiti jedan ili više elektrona između katode i oksidacijskog stanja iona, smanjenog na nulu.
Proučavajući pokuse Galvanija, koji je otkrio kontrakciju mišića secirane žabe kada su došli u dodir s dva različita metala, Volta se nije složio da je ovaj fenomen uzrokovan posebnim "životinjskim" elektricitetom svojstvenim živim organizmima. Tvrdio je da je žaba u Galvanijevim eksperimentima "osjetljiv elektrometar", a izvor elektriciteta je kontakt dvaju različitih metala.
To stvara čvrste metalne elektrodepozite na katodi. Dvije elektrode moraju biti električno povezane jedna s drugom, dopuštajući struji elektrona da napusti metal anode i teče kroz ovu vezu do iona na površini katode. Ovaj protok elektrona je električna struja koja se može koristiti za obavljanje posla, kao što je pokretanje motora ili uključivanje izvora svjetlosti. Možemo napraviti hrpu s komadićem cinka, bakra i limuna.
Trenutno se baterije izrađuju od ploča pomoću reaktivnih kemikalija koje su odvojene barijerama. Te su barijere polarizirane tako da se svi elektroni susreću s jedne strane. Strana na kojoj se sastaju postaje negativno nabijena, a druga strana postaje pozitivno nabijena. Kada je uređaj spojen, stvara se električna struja koja teče kroz uređaj na pozitivnu stranu. Istodobno, unutar stanica dolazi do elektrokemijske reakcije, što dovodi do nadoknade elektrona.
Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da jednostavan kontakt između metala nije dovoljan da proizvede bilo kakvu zamjetnu struju. Kontinuirana električna struja može nastati samo u zatvorenom krugu strujni krug, sastavljen od raznih vodiča: metala (koje je nazvao vodičima prvog razreda) i tekućina (koje je nazvao vodičima drugog razreda).
Rezultat je kemijski proces koji stvara električnu energiju. Bez punjive baterije, ove promjene su nepovratne. Međutim, punjiva baterija može biti učinkovita u poništavanju kemijskih promjena do kojih dolazi tijekom procesa pražnjenja. Dakle, potpuno je obnovljen i može se ponovno koristiti.
Protočne baterije pohranjuju energiju u kemijskim tekućinama koje se nalaze u vanjskim spremnicima, kao što su vanjske gorive ćelije, a ne unutar same baterije. Dvije glavne komponente su oprema za elektrokemijsku pretvorbu kroz koju tekućine prolaze i spremnici za skladištenje kemijske tvari- može se samostalno izračunati. Stoga je količina energije koja se može pohraniti ograničena samo veličinom spremnika. Dizajn vam omogućuje pohranu velike količine energije po nižoj cijeni od korištenja tradicionalnih baterija.
Između malih diskova od bakra i cinka (elektroda), Volta je stavio poroznu podlogu natopljenu kiselinom ili lužinom (elektrolit).
Kao rezultat kemijske reakcije koja se događa između elektroda i elektrolita, na cinčanoj elektrodi nastaje višak elektrona i ona dobiva negativan električni naboj, a na bakrenoj elektrodi, naprotiv, postoji nedostatak elektrona, te dobiva pozitivan naboj. U ovom slučaju, između suprotnih električnih naboja takvog izvora struje, a električno polje, elektromotorna sila (skraćeno EMF) ili napon djeluje. Čim se vodič spoji na polove ćelije ili baterije, u njemu će nastati električno polje pod čijim će se utjecajem elektroni kretati tamo gdje im nedostaje, odnosno od negativnog pola kroz vodič do pozitivni pol izvora električne energije. To je uređeno kretanje elektrona u vodiču – električna struja. Struja teče vodičem jer u nastalom krugu (pozitivni pol elementa, vodiči, negativni pol elementa, elektrolit) djeluje elektromotorna sila.
Kada govorimo o termoelektričnom učinku, govorimo o izravnoj pretvorbi toplinskog potencijala u električni napon ili obrnuto. Neki termoelektrični uređaji proizvode napon kada je na svakoj strani različita temperatura. S druge strane, kada se na njih dovede napon, rezultat je temperaturna razlika. Na atomskoj razini, temperaturni gradijent uzrokuje cijepanje nositelja naboja u materijalu s vruće na hladnu stranu.
Ovaj efekt se može koristiti za proizvodnju električne energije, mjerenje temperature ili promjenu temperature objekata. Budući da je smjer zagrijavanja kao i hlađenja određen polaritetom primijenjenog napona, termoelektrični uređaji mogu se koristiti kao regulatori temperature.
Dok je brtva mokra, dolazi do kemijske reakcije između diskova i otopine, stvarajući slabu električnu struju u vodiču koji povezuje diskove. Spajanjem parova diskova u bateriju, bilo je moguće dobiti značajnu električnu struju. Takve baterije nazvane su voltičnim stupovima. Oni su postavili temelje elektrotehnici.
Termoparovi se mogu koristiti za stvaranje malih struja koje kontroleri analiziraju kako bi odredili temperaturu objekta koji se prati. Peltierov učinak je prisutnost zagrijavanja ili hlađenja kada dođe do naelektriziranog sjecišta dva različita vodiča. Kada električna struja teče kroz spoj između dva vodiča A i B, na spoju se može stvoriti toplina.
To je zato što su metali različito reagirali na temperaturnu razliku, stvarajući strujni uzorak i magnetsko polje. Seebeck nije prepoznao da je u pitanju električna struja, pa je taj fenomen nazvao termomagnetskim efektom. Danski fizičar Hans Christian Oersted ispravio je pogrešku i skovao izraz "termoelektricitet".
Uzastopnim prikupljanjem velikog broja takvih elemenata, Volta je dobio elektrokemijski izvor električne energije napona do 2 kV. Ovo se već događalo dovoljno za proučavanje elektriciteta, proizvodnju električnog luka, elektrolučne svijeće, zavarivanje metala itd.
Baterije koje sada koristimo u satovima, prijemnicima i sl. iste su, ali poboljšane, naponske kolone - galvanske ćelije.
Seebeckov učinak koristi se u termoelektričnim generatorima, koji funkcioniraju kao toplinski strojevi, ali su manje glomazni, nemaju pokretnih dijelova i obično su skuplji i manje učinkoviti. Oni koriste elektrane za pretvaranje topline u dodatnu električnu energiju i u vozilima, kao što su automobilski termoelektrični generatori, za poboljšanje učinkovitosti goriva. Svemirske sonde obično koriste radioizotopne termoelektrične generatore s istim mehanizmom, ali koriste radioizotope za proizvodnju potrebne toplinske razlike.
Ako napravite stupac od nekoliko pari različitih metala, na primjer cinka i srebra (bez odstojnika), tada će svaka cinčana ploča nabijena elektricitetom istog predznaka biti u kontaktu s dvije identične srebrne ploče nabijene elektricitetom suprotnog predznaka, a njihovo ukupno djelovanje će se međusobno poništiti.
Da bi se djelovanje pojedinih parova moglo sumirati, potrebno je osigurati da svaka cinčana ploča bude u kontaktu samo s jednom srebrnom pločom, tj. isključiti nadolazeći metalni kontakt. To se radi pomoću vodiča druge klase (krugovi mokre tkanine); Takvi krugovi odvajaju metalne parove i istodobno ne ometaju kretanje električne energije.
Utvrđeno je da se elektroni u vodiču kreću od negativnog pola (gdje ih ima u višku) prema pozitivnom (gdje ih je manjak), međutim i sada, kao iu prošlom stoljeću, općenito je prihvatio da struja teče od plusa prema minusu, tj. u smjeru suprotnom od kretanja elektrona. Osim toga, uvjetni smjer struje znanstvenici koriste kao osnovu za niz pravila vezanih uz određivanje mnogih električnih pojava. Istodobno, takva konvencija ne stvara nikakve posebne neugodnosti ako se čvrsto sjećamo da je smjer struje u vodičima suprotan smjeru kretanja elektrona. U onim slučajevima gdje struju stvaraju pozitivni električni naboji, na primjer u elektrolitima kemijskih izvora istosmjerna struja, struja "rupa" u poluvodičima, uopće nema takvih proturječja, jer se smjer kretanja pozitivnih naboja podudara sa smjerom struje. Sve dok je ćelija ili baterija aktivna, struja teče u istom smjeru u vanjskom dijelu električnog kruga. Ova struja se zove trajnog.
Ako se polovi elementa zamijene, tada će se promijeniti samo smjer kretanja elektrona, ali će i struja u tom slučaju biti konstantna. Što ako se polovi izvora struje mijenjaju vrlo brzo i, štoviše, ritmički? U tom će slučaju i elektroni u vanjskom dijelu kruga naizmjenično mijenjati smjer kretanja. Prvo će teći u jednom smjeru, zatim, kad se polovi zamijene, u drugom, suprotnom od prethodnog, zatim opet u smjeru naprijed, opet u suprotnom smjeru itd. Protok u krugu više neće biti konstantan , ali naizmjenična struja.
Kod izmjenične struje, elektroni u vodiču kao da osciliraju s jedne na drugu stranu. Stoga se naziva i izmjenična struja električne vibracije. Izmjenična struja se povoljno razlikuje od istosmjerne jer se može lako pretvoriti. Na primjer, pomoću transformatora možete povećati izmjenični napon ili, obrnuto, smanjiti ga. Izmjenična struja se, osim toga, može ispravljati, odnosno pretvarati u istosmjernu.
U roku od 2 - 3 godine nakon stvaranja voltin stupac Brojni su znanstvenici razvili nekoliko različitih modifikacija baterija s galvanskim ćelijama. Među raznim izvedbama voltičnog stupa posebnu pozornost zaslužuje galvanska baterija izgrađena 1802. godine. V.V. Petrov(Pogledaj ispod).
Brojni eksperimenti s voltinim stupom koje su izveli znanstvenici različite zemlje, već unutar 2 - 3 godine nakon stvaranja stupa doveli su do otkrića kemijskih, toplinskih, svjetlosnih i magnetskih učinaka električne struje.
Godine 1824 Arago opisao fenomen " rotacijski magnetizam“, što ni on ni drugi fizičari nisu mogli na zadovoljavajući način objasniti. Suština fenomena bila je sljedeća (Slika 4.2) .
Potkovičasti magnet se mogao okretati oko vertikalne osi, a iznad njegovih polova nalazio se aluminijski disk, koji se također mogao okretati oko osi koja se po smjeru podudara s osi rotacije magneta. U mirovanju nisu primijećene interakcije između diska i magneta. Ali čim se magnet počeo okretati, disk je pojurio za njim i obrnuto. Kako bi se eliminirala mogućnost da disk bude povučen zračnim strujama, magnet i disk su odvojeni staklom.
Otkriće elektromagnetske indukcije (1831.) pomoglo je Faradayu da objasni Aragoov fenomen i na samom početku studije zapiše: “Nadao sam se da ću iskustvo g. novi izvor električna energija." Faraday je prvi uveo koncept magnetskih linija sile, čija ukupnost čini magnetsko polje, kao fizičku stvarnost. Dokazao je da do indukcije struje dolazi samo kada se vodič giba preko magnetskih polja. električni vodovi. To je rezultiralo mogućnošću stvaranja električne struje pri pomicanju zatvorenog vodiča u polju magneta.
Faraday je od Aragovog diska zapravo napravio novi izvor električne energije. Kao rezultat brojnih pokusa Faraday je izgradio prvi elektromagnetski generator, takozvani “Faradayev disk”, uz pomoć kojeg je bilo moguće dobiti električnu struju.
Prisiljavajući aluminijski ili bakreni disk da se okreće između polova magneta, Faraday je postavio četke na os diska i na njegovu periferiju. Tako je konstruiran električni stroj (generator istosmjerne struje) koji je kasnije dobio naziv unipolarni generator (sl. 4.4).
Daljnja proučavanja elektromagnetske indukcije dovela su do uspostavljanja zakona koji se odnose na smjer inducirane struje. Ovaj zakon je formuliran 1832. Emilius Lentz i omogućio mu da formulira najvažniji princip za elektrotehniku - reverzibilnost generatorskih i motornih modova električnih strojeva.
