Princíp činnosti elektronických generátorov a ich použitie. Vynález a prvé generátory striedavého prúdu
Prvý generátor Páči sa mi to moderné generátory striedavý prúd vyrábať elektrinu. Elektrina je jednou z hlavných zložiek energetického cyklu v prírode. Generátor striedavého prúdu, preložený z latinčiny ako výrobca, je určený na premenu akejkoľvek energie na elektrickú energiu. Zariadenie vyrábajúce elektrinu premieňa mechanickú alebo prírodnú energiu na elektrickú energiu. Najčastejšie používaným mechanickým pohonom sú parné, plynové turbíny, hydraulické alebo dieselové motory.
Valce, ku ktorým sú pripevnené konce kotvy, sa nazývajú "klzné krúžky" alebo zberacie krúžky, ktoré sa otáčajú súčasne s kotvou. Kefky sa natierajú na zberné krúžky, aby zbierali elektrinu generovanú v pancieri a transportovali ju do vonkajšieho okruhu. Reliéfne časti výstužného jadra. Malé a stredne veľké jednotky používajú segmentované vstavané prvky, ako sú znázornené na obrázku 2, ktoré tiež zobrazujú prsty, ktoré sa používajú na vytvorenie vetracích otvorov.
Vnorené časti hlavného pólu a komutácie. Typicky je tento kus vyrobený z laminovaného plechu z mäkkej ocele, ale vo veľkých generátoroch s vysokým dopytom, kde dochádza k rýchlym zmenám zaťaženia, možno použiť vrstvy. Spínač je vyrobený z vysoko pevných medených tyčí vo forme klinovej uhlíkovej kefy. Tieto časti sa posúvajú pozdĺž spínacích tyčí a prenášajú záťažový prúd z cievok rotora do vonkajšieho obvodu. Držiaky uhlíka držia atómy uhlíka z povrchu komutátora pomocou.
História vynálezu elektrického generátora
História vynálezu elektrického generátora ukazuje, že základy prvého generátora položil vynález batérie Taliana Alessandra Voltu, gener. magnetické pole z elektrického prúdu Dána Hansa Christiana Oersteda a elektromagnetu Brita Williama Sturgeona. Faraday, ktorý prakticky objavil a študoval elektromagnetickú indukciu otáčaním medeného disku medzi pólmi magnetu, generoval elektrický prúd v meniacom sa magnetickom poli, čím vytvoril prototyp prvého elektrického generátora. Od tohto momentu sa začali vyrábať prvé generátory.
Vytvára voľný prúd a pevné napätie veľmi presne pri akejkoľvek požadovanej hodnote od nuly po maximálnu menovitú hodnotu. Na základe tohto. Každý motor musí byť vytvorený so striedajúcimi sa pólmi medzi nimi. čo sú oblasti, kde sú sústredené siločiary magnetického poľa. Oceľové valcovne, ktoré sú vysokorýchlostné a viacstupňové. na udržanie pomerne konštantného tlaku a hladkého kĺzania. resp. Sú to stroje, ktoré vyrábajú elektrickú energiu premenou mechanickej energie.
V roku 1833 ruský vedec nemeckého pôvodu Emilius Christianovich Lenz publikoval článok o zákone reciprocity magnetoelektrických javov, teda o zameniteľnosti zariadenia na výrobu elektriny a motora. Prvé generátory, vynájdené v 19. storočí, otáčali ťažký permanentný magnet v blízkosti drôtených cievok, postupne sa zdokonaľovali a nachádzali praktické využitie. Postupne sa výkonové a spotrebiteľské vlastnosti zariadení postupom času zdokonaľovali. Teraz sa bez elektriny a jej výrobcu nezaobídeme. Tam, kde nie je možné pripojiť elektrinu z elektrárne, sú ponúkané mobilné dieselové elektrárne s prenájmom generátora.
V súčasnosti je toľko výrobcov energie, pretože premena z jedného typu na druhý je základom života. Získavanie energie zo Slnka, vetra, Zeme, pohybu vody, hydraulicky, atómových, prílivových, geotermálnych zdrojov nikoho neprekvapí.
Motor využíva na svoju činnosť príťažlivé a odpudivé sily, ktoré existujú medzi pólmi. Oscilátor má výbornú odozvu a je vhodný najmä na presné riadenie výstupu spätnoväzbovými regulátormi. Táto premena sa dosiahne pôsobením magnetického poľa na elektrické vodiče umiestnené na kotve. Sekundárne: dodávajú časť elektrická energia ktoré predtým dostali. Tento generátor pozostáva z dvoch hlavných častí. Elektromotor funguje primárne na dvoch princípoch: indukcii.
Sú klasifikované hlavne ako: Primárne: Transformujú energiu inej povahy, ktorú prijímajú alebo ktorú majú pôvodne elektrickú energiu. A princíp: to znamená, že ak prúd prechádza vodičom umiestneným vo vnútri magnetického poľa. A generované napätie bude závisieť od sily magnetov. Zapojenie do trojuholníka sa vykoná pripojením svoriek 1 k mechanickým komponentom generátora: Kryt. Sú to: Mechanické komponenty. Hviezdny komunikačný systém. Póly rotora sú usporiadané v pároch od seba vzdialených alebo oddelených o 180°.
Existujú dokonca generátory, ktoré prijímajú energiu bez paliva a vonkajšieho pohybu pomocou zariadenia využívajúceho magnetické pole Zeme.
Generátor premeny energie je teda tou malou časťou večného procesu cirkulácie energie, ktorá sa vytvorila v dôsledku Veľkého tresku vo vesmíre, uvoľňuje energiu a viaže ju v procese jej vývoja.
Existuje teória založená na vytváraní voľnej energie v závislosti od gravitácie a času, ale tieto štúdie presahujú rámec materialistickej fyziky a vedy všeobecne.
Drážky sú mechanicky a elektricky oddelené o 180°. Toto výstupné napätie je získavané sústavou cievok kotvy v statore. To. zariadenie, ktoré premieňa určitú formu energie na mechanickú energiu, rotáciu alebo krútiaci moment. prúd vracajúci sa k južnému pólu pretína stranu A potrubia.
Keď rotor dokončí otáčku, hovorí sa, že dokončil cyklus. synchrónna a proteínová bunka. ako sú člny. Z konštruktívneho hľadiska. Tu sa budú diskutovať iba o troch hlavných typoch: univerzálne. Výroba elektriny je proces výroby elektriny z iných primárnych zdrojov energie. Jeho základná metóda sa používa dodnes: elektrina sa vyrába pohybom drôtenej slučky alebo medeného disku medzi pólmi magnetu. Pre elektroenergetické spoločnosti ide o prvý proces dodávania elektriny spotrebiteľom.
Prvý jednoduchý zdroj elektriny vynašiel v roku 1663 nemecký vedec Otto von Guericke. Vytvoril elektrostatický generátor, ktorý vytváral značné iskry, ktorých injekcie mohli byť dokonca bolestivé, z trecej gule odliatej zo síry, ktorá sa otáčala ručne. V dôsledku toho sa na loptičke nahromadil elektrický náboj – „elektrická kvapalina“, ako sa v tom čase tento elektrický jav nazýval. Guericke si v tme dokázal všimnúť slabú žiaru elektrizovanej gule a, čo je obzvlášť dôležité, prvýkrát zistil, že chmýří priťahované loptou sa od nej po určitom čase odpudzujú - ani Guericke, ani mnohí jeho súčasníci nevedeli vysvetliť tento jav už dlho. Výkon lopty bol menší ako 1 W. Zdalo by sa to ako maličkosť, ale s jej pomocou bolo objavených veľa dôležitých javov a vlastností elektriny.
Základné spôsoby výroby elektriny
Elektrickú energiu môžeme dosiahnuť viacerými spôsobmi, či už premenou mechanickej energie cez generátor na elektrickú, chemickými reakciami pomocou fotovoltaických článkov alebo priamo využitím tepelnej energie na generovanie malých nábojov. Ťažiskom článku budú základné spôsoby výroby energie, spôsoby spracovania, ktoré využívajú iné zdroje energie na výrobu mechanickej energie a premieňajú ju na elektrickú energiu jedinečným spôsobom.
F. Hawkesby vytvorený v roku 1705 elektrický generátor použitie sklenenej gule namiesto sírovej gule. V roku 1744 bol do takéhoto stroja zavedený klzný kontakt - vodič - kovová rúrka zavesená na hodvábnych vláknach a neskôr inštalovaná na izolačné podpery. Tento kontakt slúžil ako zásobník na zber elektrických nábojov a stroj dokázal pri otáčaní nepretržite uvoľňovať elektrickú energiu. Po vynájdení Leydenskej nádoby (pozri nižšie) boli tieto zariadenia inštalované aj vedľa stroja.
Elektrochémia generujúca energiu chemickými reakciami
Elektrochémia je odvetvie chémie, ktoré študuje chemické reakcie, ktoré sa vyskytujú v roztoku na rozhraní medzi elektronickým vodičom a iónovým vodičom. Tieto reakcie zahŕňajú prenos elektrónov medzi elektródou a elektrolytom alebo látkami v roztoku.
Elektrochemický článok je zariadenie, ktoré generuje elektrický prúd z energie uvoľnenej spontánnou redoxnou reakciou. Tento typ článku zahŕňa galvanický článok alebo voltaický článok na počesť Luigiho Galvaniho a Alessandra Voltu, dvoch vedcov, ktorí koncom 18. storočia vykonali rôzne experimenty s chemickými reakciami a elektrickým prúdom, čím pripísali Voltovi vynález prvého zásobníka.
V roku 1799 taliansky vedec Alessandro Volta vynašiel pokročilejší zdroj elektrického prúdu ako Muschenbroek (pozri nižšie), a čo je najdôležitejšie, takmer nepretržitý (určený obsahom vlhkosti v tesnení) zdroj elektrického prúdu - prvý elektrochemický generátor, tzv "voltaický stĺp" Svoj zdroj elektriny pomenoval podľa talianskeho anatóma Luigiho Galvaniho galvanický článok. Bol to zdroj elektriny výkonnejší ako Guerickeho generátor.
Elektrochemické články majú dve vodivé elektródy. Anóda je definovaná ako elektróda, kde dochádza k oxidácii, a katóda je elektróda, kde dochádza k redukcii. Elektródy môžu byť vyrobené z akéhokoľvek dostatočne vodivého materiálu, ako sú kovy, polovodiče, grafit a vodivé polyméry. Jednou z týchto elektród je elektrolyt, ktorý obsahuje ióny, ktoré sa môžu voľne pohybovať.
Galvanický článok používa dve rôzne kovové elektródy, každú na elektrolyte, kde sú kladne nabité ióny oxidovanou formou kovová elektróda. Jedna elektróda podlieha oxidácii, zatiaľ čo druhá sa zmršťuje. Anódový kov bude oxidovať z nulového oxidačného stavu do kladného oxidačného stavu a stane sa iónom. Na katóde bude kovový ión v roztoku prijímať jeden alebo viac elektrónov medzi katódou a oxidačným stavom iónu zníženým na nulu.
Pri štúdiu experimentov Galvaniho, ktorý objavil kontrakciu svalov pitvanej žaby, keď sa dostali do kontaktu s dvoma odlišnými kovmi, Volta nesúhlasil s tým, že tento jav bol spôsobený špeciálnou „živočíšnou“ elektrinou obsiahnutou v živých organizmoch. Tvrdil, že žaba v Galvaniho experimentoch „je citlivý elektrometer“ a zdrojom elektriny je kontakt dvoch odlišných kovov.
To vytvára na katóde pevné kovové elektrolytické povlaky. Dve elektródy musia byť navzájom elektricky spojené, čo umožní prúdu elektrónov opustiť kov anódy a pretiecť cez toto spojenie k iónom na povrchu katódy. Tento tok elektrónov je elektrický prúd, ktorý možno použiť na prácu, ako je spustenie motora alebo zapnutie svetelného zdroja. Môžeme vytvoriť kôpku s kúskom zinku, medi a citrónu.
V súčasnosti sa batérie vyrábajú z dosiek s použitím reaktívnych chemikálií, ktoré sú oddelené bariérami. Tieto bariéry sú polarizované tak, aby sa všetky elektróny stretli na jednej strane. Strana, kde sa stretávajú, sa nabije záporne a druhá strana sa nabije kladne. Keď je zariadenie pripojené, vytvorí sa elektrický prúd, ktorý preteká zariadením na kladnú stranu. Zároveň vo vnútri článkov prebieha elektrochemická reakcia, ktorá vedie k doplneniu elektrónov.
Početné experimenty však ukázali, že jednoduchý kontakt medzi kovmi nestačí na vytvorenie viditeľného prúdu. Nepretržitý elektrický prúd môže vzniknúť len v uzavretom okruhu elektrický obvod, zložený z rôznych vodičov: kovov (ktoré nazýval vodičmi prvej triedy) a kvapalín (ktoré nazýval vodičmi druhej triedy).
Výsledkom je chemický proces, ktorý generuje elektrickú energiu. Bez nabíjateľnej batérie sú tieto zmeny nevratné. Nabíjateľná batéria však môže byť účinná pri zvrátení chemických zmien, ku ktorým dochádza počas procesu vybíjania. Takto je úplne obnovený a môže byť znovu použitý.
Prietokové batérie uchovávajú energiu v chemických tekutinách obsiahnutých vo vonkajších nádobách, ako sú externé palivové články, a nie vo vnútri samotnej batérie. Dve hlavné zložky sú elektrochemické konverzné zariadenie, cez ktoré prechádzajú kvapaliny a skladovacie nádrže chemických látok- možno nezávisle vypočítať. Množstvo energie, ktoré je možné skladovať, je teda obmedzené iba veľkosťou nádrží. Dizajn umožňuje skladovanie veľké množstvá energie pri nižších nákladoch ako pri použití tradičných batérií.
Medzi malé kotúče medi a zinku (elektródy) položil Volta poréznu podložku namočenú v kyseline alebo zásade (elektrolyte).
V dôsledku chemickej reakcie, ku ktorej dochádza medzi elektródami a elektrolytom, vzniká na zinkovej elektróde prebytok elektrónov a získava záporný elektrický náboj a na medenej elektróde je naopak nedostatok elektróny a získava kladný náboj. V tomto prípade medzi opačnými elektrickými nábojmi takéhoto zdroja prúdu, a elektrické pole, pôsobí elektromotorická sila (skrátene EMF) alebo napätie. Len čo sa vodič pripojí k pólom článku alebo batérie, vznikne v ňom elektrické pole, pod vplyvom ktorého sa elektróny presunú tam, kde sú deficitné, teda od záporného pólu cez vodič k kladný pól zdroja elektrickej energie. Ide o usporiadaný pohyb elektrónov vo vodiči – elektrický prúd. Vodičom preteká prúd, pretože vo výslednom obvode pôsobí elektromotorická sila (kladný pól prvku, vodiče, záporný pól prvku, elektrolyt).
Keď hovoríme o termoelektrickom jave, hovoríme o priamej premene tepelného potenciálu na elektrické napätie alebo naopak. Niektoré termoelektrické zariadenia produkujú napätie, keď je na každej strane iná teplota. Na druhej strane, keď je na ne privedené napätie, výsledkom je teplotný rozdiel. V atómovom meradle teplotný gradient spôsobí, že sa nosiče náboja v materiáli rozdelia z horúcej strany na studenú.
Tento efekt možno použiť na výrobu elektriny, meranie teploty alebo zmenu teploty predmetov. Pretože smer ohrevu pri chladení je určený polaritou privedeného napätia, možno ako regulátory teploty použiť termoelektrické zariadenia.
Kým je tesnenie vlhké, dochádza k chemickej reakcii medzi kotúčmi a roztokom, čím sa vo vodiči spájajúcom kotúče vytvorí slabý elektrický prúd. Spojením párov diskov do batérie bolo možné získať značný elektrický prúd. Takéto batérie sa nazývali voltaické stĺpy. Dali základ elektrotechnike.
Termočlánky môžu byť použité na vytváranie malých prúdov, ktoré sú analyzované regulátormi na určenie teploty objektu, ktorý sa má monitorovať. Peltierov jav je prítomnosť zahrievania alebo chladenia, keď dôjde k elektrifikovanému priesečníku dvoch rôznych vodičov. Keď elektrický prúd preteká spojom medzi dvoma vodičmi A a B, na spoji sa môže vytvárať teplo.
Je to preto, že kovy reagovali odlišne na teplotný rozdiel, čím sa vytvoril prúdový vzor a magnetické pole. Seebeck nerozpoznal, že ide o elektrický prúd, a tak tento jav nazval termomagnetický efekt. Dánsky fyzik Hans Christian Oersted opravil chybu a vytvoril termín „termoelektrina“.
Postupným zhromažďovaním veľkého množstva takýchto prvkov získala Volta elektrochemický zdroj elektriny s napätím do 2 kV. Toto sa už stalo postačujúce na štúdium elektriny, výrobu elektrického oblúka, sviečky s elektrickým oblúkom, zváranie kovov atď.
Batérie, ktoré teraz používame v hodinkách, prijímačoch atď., sú rovnaké, ale vylepšené, voltaické stĺpy – galvanické články.
Seebeckov efekt sa využíva v termoelektrických generátoroch, ktoré fungujú ako tepelné motory, ale sú menej objemné, nemajú žiadne pohyblivé časti a sú zvyčajne drahšie a menej efektívne. Používajú elektrárne na premenu tepla na dodatočnú elektrinu a vo vozidlách, ako sú automobilové termoelektrické generátory, na zlepšenie palivovej účinnosti. Vesmírne sondy zvyčajne používajú rádioizotopové termoelektrické generátory s rovnakým mechanizmom, ale využívajúce rádioizotopy na vytvorenie požadovaného tepelného rozdielu.
Ak vytvoríte stĺpec z niekoľkých párov rôznych kovov, napríklad zinku a striebra (bez rozperiek), potom každá zinková platňa nabitá elektrinou rovnakého znamienka bude v kontakte s dvoma rovnakými striebornými platňami nabitými elektrinou opačné znamenie a ich celková akcia sa navzájom zruší.
Aby bolo možné zhrnúť pôsobenie jednotlivých párov, je potrebné zabezpečiť, aby každá zinková platňa bola v kontakte len s jednou striebornou platňou, t.j. vylúčiť prichádzajúci kovový kontakt. Toto sa vykonáva pomocou vodičov druhej triedy (kruhy z mokrej tkaniny); Takéto kruhy oddeľujú kovové páry a zároveň nezasahujú do pohybu elektriny.
Zistilo sa, že elektróny vo vodiči sa pohybujú od záporného pólu (kde je ich nadbytok) ku kladnému pólu (kde je ich nedostatok), avšak aj dnes, ako v minulom storočí, je všeobecne akceptoval, že prúd tečie z plusu do mínusu, t.j. v smere opačnom k pohybu elektrónov. Podmienený smer prúdu navyše vedci používajú ako základ pre množstvo pravidiel súvisiacich s určovaním mnohých elektrických javov. Takáto konvencia zároveň nespôsobuje žiadne zvláštne nepríjemnosti, ak si pevne pamätáme, že smer prúdu vo vodičoch je opačný ako smer pohybu elektrónov. V tých prípadoch, keď je prúd vytvorený kladnými elektrickými nábojmi, napríklad v elektrolytoch chemických zdrojov priamy prúd, prúd „dier“ v polovodičoch, takéto rozpory vôbec neexistujú, pretože smer pohybu kladných nábojov sa zhoduje so smerom prúdu. Pokiaľ je článok alebo batéria aktívna, prúd tečie rovnakým smerom vo vonkajšej časti elektrického obvodu. Tento prúd sa nazýva trvalé.
Ak sa póly prvku vymenia, zmení sa iba smer pohybu elektrónov, ale prúd bude v tomto prípade tiež konštantný. Čo ak sa veľmi rýchlo a navyše rytmicky prehodia póly zdroja prúdu? V tomto prípade budú elektróny vo vonkajšej časti obvodu tiež striedavo meniť smer svojho pohybu. Najprv budú prúdiť jedným smerom, potom, keď sa póly vymenia, druhým, opačným ako predchádzajúci, potom opäť smerom dopredu, opäť opačným smerom atď. Prúdenie v okruhu už nebude konštantné , ale striedavý prúd.
Pri striedavom prúde sa zdá, že elektróny vo vodiči oscilujú zo strany na stranu. Preto sa nazýva aj striedavý prúd elektrické vibrácie. Striedavý prúd sa priaznivo líši od jednosmerného prúdu v tom, že sa dá ľahko premeniť. Napríklad pomocou transformátora môžete zvýšiť striedavé napätie alebo ho naopak znížiť. Striedavý prúd je navyše možné usmerniť, to znamená premeniť na jednosmerný prúd.
Do 2 - 3 rokov po vytvorení voltaický stĺp Množstvo vedcov vyvinulo niekoľko rôznych modifikácií galvanických článkov. Spomedzi rôznych dizajnov voltaického stĺpa si osobitnú pozornosť zaslúži galvanická batéria postavená v roku 1802. V.V. Petrov(Pozri nižšie).
Vedci vykonali množstvo experimentov s voltaickým stĺpom rozdielne krajiny, už v priebehu 2 - 3 rokov po vytvorení piliera viedlo k objavu chemických, tepelných, svetelných a magnetických účinkov elektrického prúdu.
V roku 1824 Arago opísal fenomén" rotačný magnetizmus“, čo on ani iní fyzici nedokázali uspokojivo vysvetliť. Podstata javu bola nasledovná (obrázok 4.2) .
Podkovovitý magnet sa mohol otáčať okolo zvislej osi a nad jeho pólmi bol hliníkový disk, ktorý sa mohol otáčať aj na osi zhodnej s osou otáčania magnetu. V pokoji neboli pozorované žiadne interakcie medzi diskom a magnetom. Ale akonáhle sa magnet začal otáčať, disk sa rútil za ním a naopak. Aby sa eliminovala možnosť strhnutia disku prúdmi vzduchu, magnet a disk boli oddelené sklom.
Objav elektromagnetickej indukcie (1831) pomohol Faradayovi vysvetliť fenomén Arago a na úplnom začiatku štúdie napísať: „Dúfal som, že zážitok pána Araga urobím nový zdroj elektrina." Faraday prvýkrát predstavil koncept magnetických siločiar, ktorých súhrn tvorí magnetické pole, ako fyzikálnu realitu. Dokázal, že k indukcii prúdu dochádza len vtedy, keď sa vodič pohybuje cez magnetické polia. elektrické vedenie. To malo za následok možnosť generovania elektrického prúdu pri pohybe uzavretého vodiča v poli magnetu.
Faraday v skutočnosti vyrobil nový zdroj elektriny z Aragovho disku. V dôsledku mnohých experimentov postavil Faraday prvý elektromagnetický generátor, takzvaný “Faradayov disk”, pomocou ktorého bolo možné získať elektrický prúd.
Tým, že prinútil hliníkový alebo medený disk otáčať sa medzi pólmi magnetu, Faraday umiestnil kefy na os disku a na jeho obvod. Tak bol navrhnutý elektrický stroj (generátor jednosmerného prúdu), ktorý neskôr dostal názov unipolárny generátor (obr. 4.4).
Ďalšie štúdie elektromagnetickej indukcie viedli k vytvoreniu zákonov týkajúcich sa smeru indukovaného prúdu. Tento zákon bol sformulovaný v roku 1832. Emilius Lentz a umožnil mu sformulovať najdôležitejší princíp pre elektrotechniku - reverzibilita režimu generátora a motora elektrických strojov.
