Зміст:
- Як працюють генератори електричного струму
- Хто виробляє електричну енергію для міст
- Як регулюються параметри генераторів змінного струму
- Асинхронний генератор змінного струму
Світобудову дало нам безліч способів отримати електрику, і на кожному етапі розвитку людства методики свої. Припустимо, багато історично першим вважають генератор постійного заряду Ван де Граафа. Але це в корені невірно. До нього люди користувалися й іншими різновидами. Ми сьогодні розглянемо пристрій і принцип роботи генератора змінного струму. Приступимо.
Як працюють генератори електричного струму
Принцип заснований на тому, щоб створити потенціал відносно Землі, яка вважається нулем. Це не зовсім правильно, але все в світі відносно. Тому, хоча земна поверхня і несе на собі заряд, в нашому випадку відіграє роль різниця потенціалів між клемами генератора і грунтом. Зважаючи на те, що будь-стоїть на грунті обволікається полем нашої планети, можна вважати, що це і вірно. У вихідному разі винайдений був генератор постійного струму. Навіть швидше напруги. Справа в тому, що вольтаж виходив пристойний, а генератор струму майже не давав. Принцип дії до краю простий:
Принцип роботи генератора
У результаті сфера набуває заряд, за щільності рівний локального на стрічці. Зрозуміло, що такі генератори були не дуже зручні, тому приблизно в 1831 році Майкл Фарадей створює щось нове. За допомогою намагніченої кінської підкови та обертового мідного диска він зміг отримати електрику принципово по-іншому: за рахунок явища магнітної індукції. Але струм при цьому виходив вже змінний. Отже, поле стало вже не статичним, а електромагнітним. Пояснимо: (Див. також: Пристрій і принцип роботи електродвигуна змінного струму)
- У природі часто зустрічаються заряди електрики позитивного або негативного знака, але ніхто досі не зміг отримати окремо полюси магніту.
- У точності, так само не буває змінного електричного поля, щоб він не викликало відповідний відгук у ефірі. Він полягає в продукуванні змінної магнітної складової в площині перпендикулярній вихідної.
Такий процес триває безперервно й називається електромагнітною хвилею. Вона рухається у вільному просторі по прямої, доки уся енергія не загасне. Що стосується проводів, то за ним електрика поширюється порівняно просто. Але! Поки у кабелю є оплітка. А якщо на екрані немає, або занулення (заземлення) відсутня, то хвиля починає випромінюватися. На цій основі працюють бездротові викрутки індикатори, вони допомагають встановити (локалізувати) джерела перешкод промислової частоти 50 Гц. І якщо системний блок комп’ютера ще не заземлений, то за допомогою такої дрібнички можна легко виправити недолік.
Крім того, це допомагає перевірити шкідливе випромінювання моніторів. У загальному і цілому потрібно зрозуміти, що частота 50 Гц легко випромінюється проводами. І це не тільки збільшує витрати електростанцій (в сенсі втрат), але і шкодить здоров’ю громадян. Як виникає енергія в генераторі Фарадея? Про це говорили ще в школі: при обертанні рамки в поле магніту індукція через площу змінюється за рахунок чого наводиться електричний струм.
У загальному і цілому механічна енергія руху перетворюється в електричну. Ви, напевно, вже здогадалися, що по більшій частині це:
Ось по великій частині два механізму отримання енергії. В обох випадків в електрику перетворюється рух лопаті турбіни генератора. Є в природі ще й пристрої, де спалюється дизельне паливо або гас, але принцип їх дії мало чим відрізняється. Різниця тільки в мобільності і швидкості обертання лопаті.
Хто виробляє електричну енергію для міст
Зараз ми подивимося, як влаштований генератор струму на ГЕС. Для накопичення потенційної енергії рухається в руслі річки води споруджується дамба. За рахунок цього рівень вгору за течією швидко починає підніматися. Щоб не сталося прориву (будь-якого типу), частина багатотонної маси стравлюється (начебто подекуди навіть є спеціальні шлюзи для пропуску риби на нерест). Корисна ж частина течії проходить крізь так званий направляючий апарат. Ті, хто знайомий з пристроєм реактивних двигунів, мають приблизно розуміти, про що йде мова. Напрямним апаратом називається система стулок, зміною положення яких регулюється кількість проходить середовища. В даному випадку води.
Ми говорили у своїх оглядах, що є жорсткі вимоги на частоту вироблюваної електрики. Вчені прорахували, що цього можна досягти при сучасному рівні розвитку, застосовуючи тільки дуже масивні лопаті, на яких ніяк не позначаються дрібні удари хвиль. Тобто враховується лише загальна середня маса проходить води, а дрібні стрибки крадуться великою масою гвинта. Очевидно, що при таких габаритах швидкість обертання не може становити 50 Гц (3000 об/хв). Насправді лопать робить приблизно 1-2 об/хв. (Див. також: Пристрій і принцип роботи електродвигуна постійного струму)
Лінії електропередач
Гвинт приводить в рух ротор генератора. Це рухома вісь, на яку насаджені так звані обмотки збудження. Це котушки, через які пропускається постійний струм для створення сталого магнітного поля. Випромінювання у цьому випадку не відбувається, тому що значення напруженості постійне (див. вище). Насправді мають місце дрібні флуктуації, але це не відбивається на суті процесу: у нас на валу утворюється кілька обертових магнітів.
Тепер виникає один тонкий момент: як нам отримати частоту 50 Гц? Швидко прийшли до висновку, що випрямляти змінний струм, а після цього ставити інвертор для зворотного перетворення невигідно. Замість цього уздовж статора розташували безліч котушок з дроту (рамка з дослідів Фарадея), в яких буде наводитися індукція. Шляхом правильної комутації з генератора вдається зняти потрібні 220 В з частотою 50 Гц. Строго кажучи, генератори дають навіть три фази, зсунуті на 120 градусів. І виникає нове питання – як забезпечити стабільність? Подавати одне і те ж кількість води, поки лопать не набере потрібну швидкість? Це практично неможливо, замість цього роблять так:
Початковий розгін набирається за рахунок потоку води (до прикладу), а допоміжне напруга трохи притримує гвинт, коли він намагається перевищити задану швидкість. При цьому вода фактично штовхає всю цю махину, а напруга збудження служить для регулювання (зрозуміло, що на статор подається змінний струм). Якщо потрібно отримати більше потужності, то направляючий апарат греблі трохи відкривається. За рахунок цього маса води стає більш солідною, і вона обов’язково зірвала б обертів. Тому в даному випадку збільшують струм збудження на статорі, що контролює поле стає сильніше, і все залишається в нормальних межах.
Генератор в роботі
А потужність генератора при цьому зростає. Але що ж з напругою. Як підтримується його рівень? За законом для ЕРС електромагнітної Фарадея напруга залежить від швидкості зміни магнітного поля, а також числа витків. Виходить, що, конструктивно вибираючи площа котушок та довжину кабелю, ми вже ставимо вихідна напруга генератора. Зрозуміло, кожен з них має ще й мати свою швидкість обертання лопаті. А вона витримується струмом збудження ротора, як ми вже сказали. Але при зростанні потужності збільшується саме ЕРС. Справа в тому, що зростання струму збудження підвищує швидкість зміни магнітної напруженості поля.
У результаті потрібний спосіб для підтримки колишніх параметрів. Їм часто є развязывающие трансформатори зі змінним коефіцієнтом передачі. Тобто у споживача змінюється тільки струм, а напруга залишається постійним. Так забезпечуються задані стандартами параметри. Отже, пристрій генератора змінного струму засноване на порушення обмоток статора, а все інше зводиться до методик регулювання параметрів.
Як регулюються параметри генераторів змінного струму
У найпростішому випадку потужність не піддається зміні. В побутових (і дрібних генераторах) схема відстежує напруга і у разі чого змінюється значення струму збудження. Зрозуміло, що це не завжди на руку споживачеві. Особливо, коли витрачається солярка. Виходить, що витрачається колишня енергія, але в силу якихось причин частина її розсіюється в простір. Це не так страшно, коли ми повертаємо Землі частина швидкості річки, але палити своє паливо ось таким чином не кожен захоче.
Читачі вже зрозуміли, що можуть зірватися і обороти в цьому випадку, якщо не зменшити подачу води, газу, пара – загалом, рушійної сили. А це окрема ланцюг регуляції з усіма її механізмами. Для приватного будинку ефективніше буде створити систему з акумуляторами, тим більше, що сьогодні є можливість від 12 В постійного струму живити освітлення, ноутбуки і багато інші прилади. В цьому випадку мережа можна спорудити з відведенням для періодичного заряду наших батарей. А методик, як ми пам’ятаємо дві:
Проста схема роботи генератора
У цьому випадку принцип дії генератора змінного струму дозволить вести підзарядку акумуляторів по мірі необхідності. Зрозуміло, що потрібно ланцюг гальванічної розв’язки перед каскадом батарей, але це вже зовсім інша історія. Як можна вже здогадатися з прочитаного, на ГЕС застосовуються саме пристрої з підлаштовується коефіцієнтом трансформації. А методики реалізації цієї ідеї можуть бути різними:
Зі сказаного випливає, що струм збудження ротора на ГЕС логічно змінювати стрибками в такт перемикання обмоток регулює трансформатора. Потім слід плавне підстроювання, поки параметри напруги не прийдуть в норму. Ми розповіли в загальних рисах, як працює генератор змінного струму. Варто зазначити, що цією конструкцією різноманіття не вичерпано. Даний вид пристроїв становить кістяк колекції під назвою синхронні генератори змінного струму. Саме такі забезпечують нас, здебільшого, енергією.
Асинхронний генератор змінного струму
Асинхронні генератори відрізняються відсутністю електричного зв’язку між статором і ротором. За рахунок цього швидкість прямо регулюється напрямним апаратом. Згідно цьому стабільність частоти падає, амплітуда напруги також носить непостійний характер. У результаті можна відзначити відносну простоту конструкції асинхронного генератора змінного струму, тоді як стабільність параметрів явно не відрізняється хорошими показниками.
Відмінною рисою також є те, що всі нестачі асинхронних двигунів плавно перекочовують і сюди. Очевидно, що для постачання споживачів енергією регулюють саме частоту струму, а потужність при цьому виходить випадковою. Хоча якщо генератор перебуває у відносно постійному оточенні, то це не буде великою проблемою.