Ludzie wykorzystują energię prądu elektrycznego niemal we wszystkich sferach swojego życia. Obecnie trudno sobie wyobrazić życie bez energii elektrycznej, która jest przekształcana z energii mechanicznej za pomocą specjalnych urządzeń. Przyjrzyjmy się bliżej, jak przebiega ten proces i jak zbudowane są nowoczesne generatory.
Spis treści
Przekształcanie energii mechanicznej w elektryczną
Każdy generator działa na zasadzie indukcji magnetycznej. Najprostszy alternator można wyobrazić sobie jako cewkę obracającą się w polu magnetycznym. Istnieje również wariant, w którym cewka pozostaje nieruchoma, a pole magnetyczne tylko ją przecina. To właśnie podczas tego ruchu wytwarzany jest prąd zmienny. Na tej zasadzie działa wiele generatorów na całym świecie, które są włączane do systemów zasilania energią elektryczną.
Projektowanie i budowa alternatora
Standardowy agregat prądotwórczy składa się z następujących elementów:
- Rama, do której przymocowany jest stojan z biegunami elektromagnetycznymi. Jest on wykonany z metalu i ma za zadanie pełnić funkcję ochronną wszystkich elementów maszyny.
- Stojan, do którego przymocowane jest uzwojenie. Jest on wykonany ze stali ferromagnetycznej.
- Wirnik jest elementem ruchomym, na którego rdzeniu umieszczone jest uzwojenie wytwarzające prąd elektryczny.
- Jednostka przełączająca, która odbiera energię elektryczną z wirnika. Składa się on z systemu ruchomych pierścieni przewodzących.
W zależności od zastosowania, generator ma określone cechy konstrukcyjne, ale istnieją dwa elementy, które posiada każde urządzenie przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną:
- Wirnik jest ruchomym, jednoczęściowym kawałkiem żelaza;
- Stojan jest elementem nieruchomym, który jest wykonany z blachy żelaznej. Ma on szczeliny, w których umieszcza się uzwojenie z drutu.
Aby uzyskać większą indukcję magnetyczną, należy zachować niewielką odległość między tymi elementami. Generatory są zaprojektowane w następujący sposób:
- Z ruchomą twornicą i statycznym polem magnetycznym.
- Z nieruchomą twornicą i wirującym polem magnetycznym.
Obecnie częściej spotyka się maszyny z wirującym polem magnetycznym, ponieważ znacznie wygodniej jest pobierać prąd elektryczny ze stojana niż z wirnika. Budowa alternatora wykazuje wiele podobieństw do budowy silnika elektrycznego.
Schemat prądnicy
Jak działa alternator: Jedna połowa uzwojenia znajduje się na jednym biegunie, a druga połowa na biegunie przeciwnym, dzięki czemu prąd płynie w obwodzie od minimum do maksimum i z powrotem.
Klasyfikacja i rodzaje generatorów
Wszystkie generatory elektryczne można podzielić na kategorie w zależności od kryterium wydajności i rodzaju paliwa, z którego wytwarzana jest energia elektryczna. Wszystkie generatory dzielą się na jednofazowe (napięcie wyjściowe 220 V, częstotliwość 50 Hz) i trójfazowe (napięcie wyjściowe 380 V, częstotliwość 50 Hz), a także ze względu na zasadę działania i rodzaj paliwa, które jest przetwarzane na energię elektryczną. Ponadto generatory mogą być wykorzystywane w różnych dziedzinach, co determinuje ich specyfikacje techniczne.
Zgodnie z zasadą działania
Rozróżnia się alternatory asynchroniczne i synchroniczne.
Asynchroniczne
Alternatory asynchroniczne nie wykazują dokładnej zależności od EMF do prędkości wirnika, ale istnieje takie pojęcie jak "poślizg S". To ona decyduje o tej różnicy. Wartość poślizgu jest obliczana, więc nadal istnieje pewien wpływ elementów generatora na proces elektromechaniczny silnika asynchronicznego.
Synchroniczna
Taki alternator ma fizyczną zależność między ruchem obrotowym wirnika a częstotliwością wytwarzanej energii elektrycznej. W tego typu urządzeniach wirnik jest elektromagnesem składającym się z rdzeni, uzwojeń i biegunów. Stojan to cewki, które są połączone w gwiazdę i mają wspólny punkt zerowy. To właśnie w nich wytwarzany jest prąd elektryczny.
Wirnik jest napędzany przez zewnętrzną siłę elementów ruchomych (turbin), które poruszają się synchronicznie. Wzbudzenie takiego alternatora może być stykowe lub bezstykowe.
Według rodzaju paliwa silnikowego
Oddalenie od sieci energetycznej dzięki generatorom nie stanowi już przeszkody w korzystaniu z urządzeń elektrycznych.
Generator gazowy
W procesie spalania wytwarzana jest energia mechaniczna, która następnie jest zamieniana na prąd elektryczny. Zalety stosowania generatora gazowego:
- Bezpieczny dla środowiska, ponieważ podczas spalania gaz nie wydziela żadnych szkodliwych pierwiastków, sadzy ani toksycznych produktów rozkładu;
- Z ekonomicznego punktu widzenia bardzo korzystne jest spalanie taniego gazu. W porównaniu z benzyną jest on znacznie tańszy;
- Paliwo jest podawane automatycznie. Benzynę i olej napędowy należy uzupełniać w miarę potrzeb, natomiast generator gazowy jest zwykle podłączony do sieci gazowej;
- Automatyka sprawia, że urządzenie uruchamia się samo, ale w tym celu należy je umieścić w ciepłym pomieszczeniu.
Agregat prądotwórczy z silnikiem wysokoprężnym
Kategoria ta obejmuje głównie agregaty jednofazowe o mocy 5 kW. Standardem dla urządzeń gospodarstwa domowego jest napięcie 220 V i częstotliwość 50 Hz, więc agregat wysokoprężny całkiem dobrze poradzi sobie ze standardowym obciążeniem. Jak można się domyślić, wymaga on oleju napędowego. Dlaczego warto zdecydować się na generator z silnikiem wysokoprężnym:
- Względna taniość paliwa;
- Automatyka umożliwiająca automatyczny rozruch generatora w przypadku awarii zasilania;
- Wysoki poziom bezpieczeństwa pożarowego;
- Agregat zasilany olejem napędowym może pracować przez długi czas bez awarii;
- Imponująca trwałość - niektóre modele są w stanie przepracować łącznie 4 lata ciągłej pracy.
Generator benzynowy
Urządzenia takie są dość poszukiwane jako wyposażenie domowe. Pomimo tego, że benzyna jest droższa niż gaz i olej napędowy, generatory te mają wiele zalet:
- Małe wymiary przy dużej mocy;
- Przyjazny dla użytkownika: większość modeli można uruchomić ręcznie, a generatory o większej mocy są wyposażone w rozrusznik. Napięcie jest dostosowywane do konkretnego obciążenia za pomocą specjalnej śruby;
- Automatyczne zabezpieczenie w przypadku przeciążenia;
- Łatwa konserwacja i naprawa;
- Podczas pracy nie powodują one dużego hałasu;
- Może być stosowany zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pomieszczeń, ale należy go chronić przed wilgocią.
Główne zastosowania
W zależności od tego, gdzie alternator jest używany, określa się jego specyfikacje. Generatory zasadniczo dzieli się na kategorie w zależności od obszaru ich zastosowania, który określa ich wydajność. Dzielą one generatory na następujące kategorie w zależności od ich zastosowania:
- Gospodarstwo domowe. Posiadają one moc od 0,7 do 25 kW. Zazwyczaj w tej kategorii znajdują się generatory benzynowe i wysokoprężne. Stosowane do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego i małego sprzętu elektrycznego, bardzo często na budowach. Można je również wykorzystać jako przenośne źródło zasilania podczas podróży w plenerze;
- Profesjonalista. Może być stosowany jako stałe źródło energii elektrycznej w instytucjach komunalnych i małych zakładach przemysłowych. Jego moc nie przekracza 100 kW;
- Przemysłowe. Może być stosowany w dużych fabrykach i zakładach, gdzie wymagany jest sprzęt o dużej mocy. Jednostki takie mają moc ponad 100 kW, duże wymiary i są trudne w obsłudze dla nieprzeszkolonej osoby.
