Kako radi električni generator? Odakle dolazi struja? Kako se struja pojavljuje u našim utičnicama? Koliko vata proizvodimo?

Električna energija koju proizvede osoba može biti dovoljna za punjenje mobilnog telefona. Naši su neuroni pod stalnim naponom, a razlika između života i smrti može se odrediti električnim valovima na encefalogramu.

Liječenje stingrays

Jednom u starom Rimu, sin bogatog arhitekta i ambicioznog liječnika, Klaudije Galen šetao je obalom Sredozemnog mora. A onda mu se pred očima susreo vrlo čudan prizor - dvojica stanovnika obližnjih sela išla su prema njemu, s električnim ražama zavezanim za glave! Tako povijest opisuje prvi poznati slučaj primjene fizikalne terapije uz pomoć žive struje. Metodu je uzeo u obzir i Galen, te je na tako neobičan način spašavao od bolova nakon rana gladijatora, pa čak i izliječio bolna leđa samog cara Marka Antonija, koji ga je ubrzo potom imenovao svojim osobnim liječnikom.

Nakon toga, čovjek se više puta susreo s neobjašnjivim fenomenom "živog elektriciteta". A iskustvo nije uvijek bilo pozitivno. Dakle, jednom, u doba velikih geografskih otkrića, na obali Amazone, Europljani su naišli na lokalne električne jegulje, koje su generirale električni napon u vodi do 550 volti. Jao onome tko je slučajno pao u zonu smrti od tri metra.

Struja u svima

No prvi put je znanost obratila pozornost na elektrofiziku, točnije na sposobnost živih organizama da stvaraju električnu energiju, nakon vrlo smiješne zgode sa žabljim kracima u 18. stoljeću, koja se jednog olujnog dana negdje u Bologni počela trzati od kontakta sa željezom. Supruga bolonjskog profesora Luigija Galvattija, koja je došla u mesnicu po francusku poslasticu, vidjela je tu strašnu sliku i ispričala mužu o zlim duhovima koji su bjesnili u susjedstvu. No, Galvatti je na to gledao sa znanstvenog gledišta i nakon 25 godina napornog rada objavljena je njegova knjiga "Rasprave o sili elektriciteta u mišićnom kretanju". U njemu je znanstvenik prvi put ustvrdio da struja postoji u svakome od nas, a živci su svojevrsne "električne žice".

Kako radi

Kako čovjek proizvodi električnu energiju? To je zbog brojnih biokemijskih procesa koji se odvijaju na staničnoj razini. Mnogo je različitih kemikalija prisutnih u našem tijelu - kisik, natrij, kalcij, kalij i mnoge druge. Njihove međusobne reakcije proizvode električnu energiju. Na primjer, u procesu "staničnog disanja", kada stanica oslobađa energiju dobivenu iz vode, ugljičnog dioksida i tako dalje. Ona se pak odlaže u posebne kemijske visokoenergetske spojeve, nazovimo ih "skladišta", te se potom koristi "po potrebi".

Ali ovo je samo jedan primjer - u našem tijelu postoje mnogi kemijski procesi koji proizvode elektricitet. Svaka osoba je pravi moćnik i može se koristiti u svakodnevnom životu.

Generiramo li puno vata?

Ljudska energija kao alternativni izvor energije odavno je prestala biti san pisaca znanstvene fantastike. Ljudi imaju velike izglede kao generatori električne energije; ona se može proizvesti iz gotovo bilo kojeg našeg djelovanja. Dakle, iz jednog udaha možete dobiti 1 W, a miran korak dovoljan je da napajate žarulju od 60 W, a bit će to dovoljno i za punjenje vašeg telefona. Dakle, čovjek doslovno može sam riješiti problem resursa i alternativnih izvora energije.

Preostaje samo naučiti prenijeti energiju koju tako beskorisno rasipamo “tamo gdje treba”. I istraživači već imaju prijedloge u tom pogledu. Dakle, aktivno se proučava učinak piezoelektriciteta, koji stvara napetost od mehaničkog djelovanja. Na temelju njega australski su znanstvenici još 2011. predložili model računala koje bi se punilo pritiskom na tipke. U Koreji razvijaju telefon koji će se puniti iz razgovora, odnosno zvučnih valova, a skupina znanstvenika s Georgia Institute of Technology napravila je radni prototip “nanogeneratora” od cinkovog oksida koji je ugrađen u ljudsko tijelo i stvara struju iz svakog našeg pokreta.

Ali to nije sve, kako bi pomogli solarnim panelima u nekim gradovima dobivat će energiju iz špice, točnije iz vibracija pri hodu pješaka i automobila, a zatim njome osvjetljavati grad. Ovu ideju predložili su londonski arhitekti iz tvrtke Facility Architects. Kažu: “U vrijeme najveće gužve kroz stanicu Victoria prođe 34.000 ljudi u 60 minuta. Ne treba biti matematički genij da se shvati da ako se ta energija može iskoristiti, zapravo bi se mogao stvoriti vrlo koristan izvor energije koji se trenutno gubi." Inače, Japanci za to već koriste okretnice u tokijskoj podzemnoj željeznici kroz koju dnevno prođu stotine tisuća ljudi. Uostalom, željeznice su glavne prometne arterije Zemlje izlazećeg sunca.

"Valovi smrti"

Inače, živa struja je uzrok mnogih vrlo čudnih pojava koje znanost još uvijek ne može objasniti. Možda je najpoznatiji od njih "val smrti", čije je otkriće dovelo do nove faze rasprave o postojanju duše i prirodi "iskustva bliskog smrti" o kojem ponekad govore ljudi koji su doživjeli kliničku smrt. .

Godine 2009. u jednoj od američkih bolnica uzeti su encefalogrami od devet umirućih ljudi kojima u tom trenutku više nije bilo spasa. Eksperiment je proveden kako bi se riješio dugogodišnji etički spor oko toga kada je osoba doista mrtva. Rezultati su bili senzacionalni - nakon smrti, mozak svih subjekata, koji je već trebao biti ubijen, doslovno je eksplodirao - u njemu su se pojavili nevjerojatno snažni naleti električnih impulsa, koji nikada nisu primijećeni kod žive osobe. Javili su se dvije do tri minute nakon srčanog zastoja i trajali su otprilike tri minute. Prethodno su slični eksperimenti provedeni na štakorima, u kojima je ista stvar počela minutu nakon smrti i trajala 10 sekundi. Znanstvenici su ovaj fenomen fatalistički nazvali "val smrti".

Znanstveno objašnjenje za "valove smrti" pokrenulo je mnoga etička pitanja. Prema jednom od eksperimentatora, dr. Lakhmiru Chawli, takvi naleti moždane aktivnosti objašnjavaju se činjenicom da zbog nedostatka kisika neuroni gube električni potencijal i pražnjenja, emitirajući impulse "poput lavine". "Živi" neuroni stalno su pod malim negativnim naponom - 70 minivolti, koji se održava oslobađanjem od pozitivnih iona koji ostaju vani. Nakon smrti, ravnoteža je poremećena, a neuroni brzo mijenjaju polaritet iz "minus" u "plus". Otuda "val smrti".

Ako je ova teorija točna, "val smrti" na encefalogramu povlači tu nedostižnu granicu između života i smrti. Nakon toga, funkcioniranje neurona se ne može obnoviti, tijelo više neće moći primati električne impulse. Drugim riječima, više nema smisla da se liječnici bore za nečiji život.

Ali što ako problem pogledate s druge strane. Sugeriraju da je "val smrti" posljednji pokušaj mozga da da srcu električno pražnjenje kako bi obnovio svoje funkcioniranje. U tom slučaju, tijekom “vala smrti” ne biste trebali prekrižiti ruke, već iskoristite ovu priliku za spašavanje života. Kaže to liječnik reanimacije Lance-Becker sa Sveučilišta u Pennsylvaniji, ističući da je bilo slučajeva da je osoba "oživjela" nakon "vala", što znači da je jaki nalet električnih impulsa u ljudskom tijelu, a potom pad, još se ne može smatrati zadnjim pragom.

Generator struje pretvara mehaničku (kinetičku) energiju u električnu. U energetskom sektoru koriste se samo rotirajući generatori električnih strojeva, koji se temelje na pojavi elektromotorne sile (EMS) u vodiču koji je na neki način pod utjecajem promjenjivog magnetskog polja. Dio generatora koji je namijenjen stvaranju magnetskog polja naziva se induktor, a dio u kojem se inducira EMF naziva se armatura.

Rotirajući dio stroja naziva se rotor, a stacionarni dio – stator. Kod sinkronih izmjeničnih strojeva induktor je obično rotor, a kod istosmjernih strojeva induktor je obično stator. U oba slučaja, induktor je obično dvo- ili višepolni elektromagnetski sustav opremljen uzbudnim namotom napajanim istosmjernom strujom (struja uzbude), ali postoje i induktori koji se sastoje od sustava stalnih magneta. U indukciji (asinkroni) generatori izmjenične struje induktor i kotva se međusobno ne mogu jasno (konstruktivno) razlikovati (možemo reći da su stator i rotor istovremeno i induktor i kotva).

Više od 95% električne energije u svjetskim elektranama proizvedeno je korištenjem sinkroni generatori izmjenične struje. Uz pomoć rotirajućeg induktora, u ovim generatorima se stvara rotirajuće magnetsko polje koje inducira izmjenični EMF u statorskom (obično trofaznom) namotu, čija frekvencija točno odgovara brzini rotora (usklađena je s brzina induktora). Ako induktor npr. ima dva pola i vrti se frekvencijom od 3000 o/min (50 o/s), tada se u svakoj fazi namota statora inducira izmjenična EMF frekvencije 50 Hz. Dizajn takvog generatora je pojednostavljeno prikazan na sl. 1.

Riža. 1. Princip konstrukcije dvopolnog sinkronog generatora. 1 stator (armatura), 2 rotor (induktor), 3 osovina, 4 kućište. U-X, V-Y, W-Z – dijelovi trofaznih namota koji se nalaze u utorima statora

Magnetski sustav statora je komprimirani paket tankih čeličnih limova u čijim se utorima nalazi namot statora. Namot se sastoji od tri faze, pomaknute u slučaju dvopolnog stroja jedna u odnosu na drugu za 1/3 perimetra statora; U faznim namotima, dakle, induciraju se EMF, međusobno pomaknuti za 120o. Namot svake faze, zauzvrat, sastoji se od višestrukih zavojnica povezanih jedna s drugom u seriju ili paralelno. Jedna od najjednostavnijih opcija dizajna za takav trofazni namot dvopolnog generatora predstavljena je na pojednostavljen način na Sl. 2 (obično je broj zavojnica u svakoj fazi veći od prikazanog na ovoj slici). Oni dijelovi zavojnica koji su izvan utora, na prednjoj površini statora, nazivaju se krajnjim spojevima.

Riža. 2. Najjednostavniji princip izvedbe namota statora trofaznog dvopolnog sinkronog generatora za slučaj dva svitka u svakoj fazi. 1 skeniranje površine magnetskog sustava statora, 2 zavojnice namota, U, V, W početak faznih namota, X, Y, Z krajevi faznih namota

Može postojati više od dva pola induktora i, shodno tome, podjela polova statora. Što se rotor sporije okreće, to bi trebao biti veći broj polova na danoj frekvenciji struje. Ako se npr. rotor okreće frekvencijom od 300 o/min, tada broj polova generatora za dobivanje izmjenične struje frekvencije 50 Hz mora biti 20. Na primjer, u jednoj od najvećih hidroelektrana na svijetu , Hidroelektrana Itaipu (vidi sliku 4) generatori koji rade na frekvenciji od 50 Hz su 66-polni, a generatori koji rade na frekvenciji od 60 Hz su 78-polni.

Namot polja dvo- ili četveropolnog generatora postavljen je kao što je prikazano na sl. 1, u žljebovima masivne čelične jezgre rotora. Ovakva izvedba rotora nužna je kod brzohodnih generatora koji rade pri brzini vrtnje od 3000 ili 1500 o/min (osobito kod turbogeneratora namijenjenih za spajanje na parne turbine), budući da pri takvim brzinama na namot rotora djeluju velike centrifugalne sile. Kod većeg broja polova svaki pol ima poseban namot uzbude (sl. 3.12.3). Ovaj salijentno-polni princip uređaja posebno se koristi kod sporohodnih generatora namijenjenih spoju s hidrauličkim turbinama (generatori vodika), koji obično rade pri brzini vrtnje od 60 o/min do 600 o/min.

Vrlo često se takvi generatori, u skladu s dizajnom snažnih hidrauličkih turbina, izrađuju s okomitom osovinom.

Riža. 3. Princip konstrukcije rotora sporohodnog sinkronog generatora. 1 pol, 2 pobudni namot, 3 pričvrsni kotač, 4 osovina

Uzbudni namot sinkroni generator obično se napaja istosmjernom strujom iz vanjskog izvora preko kliznih prstenova na osovini rotora. Prethodno je za to bio predviđen poseban generator istosmjerne struje (pobudnik), kruto povezan s osovinom generatora, ali sada se koriste jednostavniji i jeftiniji poluvodički ispravljači. Postoje i sustavi pobude ugrađeni u rotor, u kojima je EMF induciran namotom statora. Ako se umjesto elektromagnetskog sustava za stvaranje magnetskog polja koriste permanentni magneti, tada se eliminira izvor uzbudne struje i generator postaje mnogo jednostavniji i pouzdaniji, ali ujedno i skuplji. Stoga se trajni magneti obično koriste u generatorima relativno male snage (snage do nekoliko stotina kilovata).

Dizajn turbogeneratora, zahvaljujući cilindričnom rotoru relativno malog promjera, vrlo je kompaktan. Njihova specifična težina je obično 0,5...1 kg/kW, a nazivna snaga može doseći 1600 MW. Dizajn hidrogeneratora je nešto složeniji, promjer rotora je velik i njihova specifična težina je stoga obično 3,5...6 kg/kW. Do sada su se proizvodili nazivne snage do 800 MW.

Kada generator radi, u njemu se javljaju gubici energije uzrokovani aktivnim otporom namota (gubici u bakru), vrtložnim strujama i histerezom u aktivnim dijelovima magnetskog sustava (gubici u čeliku) i trenjem u ležajevima rotirajućih dijelova (gubici trenjem ). Unatoč činjenici da ukupni gubici obično ne prelaze 1...2% snage generatora, uklanjanje topline koja se oslobađa kao rezultat gubitaka može biti teško. Ako jednostavno pretpostavimo da je masa generatora proporcionalna njegovoj snazi, tada su njegove linearne dimenzije proporcionalne kubičnom korijenu snage, a njegove površine proporcionalne su snazi na potenciju 2/3. S povećanjem snage, dakle, površina hladnjaka raste sporije od nazivne snage generatora. Ako je pri snagama reda veličine nekoliko stotina kilovata dovoljno koristiti prirodno hlađenje, onda je pri većim snagama potrebno prijeći na prisilnu ventilaciju i, počevši od približno 100 MW, umjesto zraka koristiti vodik. Kod još većih snaga (npr. više od 500 MW) potrebno je hlađenje vodikom dopuniti vodom. Kod velikih generatora ležajeve je također potrebno posebno hladiti, obično pomoću cirkulacije ulja.

Stvaranje topline generatora može se značajno smanjiti korištenjem namota supravodljivog polja. Prvi takav generator (kapaciteta 4 MVA), namijenjen za korištenje na brodovima, proizvela je 2005. godine njemačka elektrotehnička tvrtka Siemens AG. Nazivni napon sinkronih generatora, ovisno o snazi, obično je u rasponu od 400 V do 24 kV. Korišteni su i viši nazivni naponi (do 150 kV), ali iznimno rijetko. Osim sinkronih generatora mrežne frekvencije (50 Hz ili 60 Hz), proizvode se i visokofrekventni generatori (do 30 kHz) i niskofrekventni generatori (16,67 Hz ili 25 Hz), koji se koriste na elektrificiranim željeznicama nekih europskih zemalja. zemljama. U sinkrone generatore u načelu spada i sinkroni kompenzator, koji je sinkroni motor koji radi u praznom hodu i isporučuje jalovu snagu visokonaponskoj distribucijskoj mreži. Uz pomoć takvog stroja moguće je pokriti potrošnju jalove snage lokalnih industrijskih potrošača električne energije i osloboditi mrežu glavnog elektroenergetskog sustava od prijenosa jalove snage.

Osim sinkronih generatora, oni se također mogu koristiti relativno rijetko i pri relativno malim snagama (do nekoliko megavata). asinkroni generatori. U namotu rotora takvog generatora struju inducira magnetsko polje statora ako se rotor vrti brže od magnetskog polja statora mrežne frekvencije. Potreba za ovakvim generatorima obično se javlja kada je nemoguće osigurati konstantnu brzinu vrtnje primarnog pokretača (npr. vjetroturbina, neke male hidrauličke turbine itd.).

U DC generator Magnetski polovi zajedno s namotom polja obično se nalaze u statoru, a namot armature nalazi se u rotoru. Budući da se u namotu rotora tijekom njegove rotacije inducira izmjenična EMF, armatura mora biti opremljena komutatorom (komutatorom), uz pomoć kojeg se na izlazu iz generatora (kod četkica komutatora) dobiva konstantna EMF. Trenutno se generatori istosmjerne struje rijetko koriste, jer je istosmjernu struju lakše dobiti pomoću poluvodičkih ispravljača.

Generatori električnih strojeva uključuju elektrostatički generatori, na čijem se rotirajućem dijelu trenjem (triboelektrično) stvara električni naboj visokog napona. Prvi takav generator (ručno rotirana sumporna kugla koja se naelektrizirala trenjem o ruku osobe) napravio je 1663. godine gradonačelnik Magdeburga (Njemačka), Otto von Guericke (1602. – 1686.). Tijekom svog razvoja takvi su generatori omogućili otkrivanje mnogih električnih pojava i uzoraka. Ni sada nisu izgubili svoju važnost kao sredstvo provođenja eksperimentalnih istraživanja u fizici.

Prvu je 4. studenoga 1831. izradio Michael Faraday, profesor na Kraljevskom institutu u Londonu (1791.–1867.). Generator se sastojao od permanentnog magneta u obliku potkove i bakrenog diska koji se okreće između magnetskih polova (slika 3.12.4). Kada se disk okretao između svoje osi i ruba, inducirana je konstantna EMF. Isti princip vrijedi i za naprednije unipolarne generatore, koji su još uvijek u uporabi (iako relativno rijetko).

Riža. 4. Načelo dizajna unipolarni generator Michael Faraday. 1 magnet, 2 rotirajuća bakrena diska, 3 četke. Ručka diska nije prikazana

Michael Faraday rođen je u siromašnoj obitelji, a nakon osnovne škole, s 13 godina, postao je knjigoveški šegrt. Koristeći se knjigama, samostalno je nastavio školovanje, a pomoću Enciklopedije Britannice upoznao je elektricitet, izradio elektrostatički generator i Leyden staklenku. Kako bi proširio svoje znanje, počeo je pohađati javna predavanja iz kemije ravnatelja Kraljevske ustanove Humphreya Davyja (1778.–1829.), a 1813. dobio je mjesto njegova asistenta. Godine 1821. postao je glavni inspektor ovog instituta, 1824. - član Kraljevskog društva, a 1827. - profesor kemije na Kraljevskom institutu. Godine 1821. započeo je svoje poznate pokuse u elektricitetu, tijekom kojih je predložio princip rada elektromotora, otkrio fenomen elektromagnetske indukcije, princip magnetoelektričnog generatora, zakone elektrolize i mnoge druge temeljne fizikalne pojave. Godinu dana nakon gore opisanog Faradayeva eksperimenta, 3. rujna 1832., pariški mehaničar Hippolyte Pixii (1808–1835) proizveo je, po narudžbi i pod vodstvom utemeljitelja elektrodinamike, Andre Marie Amperea (1775–1836), generator s ručno rotirani Faraday, s magnetom (slika 5). U armaturnom namotu Pixie generatora inducira se izmjenični EMF. Kako bi se ispravila rezultirajuća struja, otvoreni živin komutator prvo je bio priključen na generator, mijenjajući polaritet EMF sa svakim pola okretaja rotora, ali je ubrzo zamijenjen jednostavnijim i sigurnijim cilindričnim četkastim komutatorom, prikazanim na sl. 5.

Riža. 5. Princip dizajna magnetoelektrični generator Hippolyta Pixie (a), graf induciranog EMF-a (b) i graf pulsirajućeg konstantnog EMF-a dobivenog pomoću kolektora (c). Ručka i konusni zupčanik nisu prikazani

Generator izgrađen na Pixie principu prvi je upotrijebio 1842. u svojoj tvornici u Birminghamu za napajanje galvanskih kupki engleski industrijalac John Stephen Woolrich (1790. – 1843.), koristeći parni stroj od 1 KS kao pogonski motor. S. Napon njegovog generatora bio je 3 V, nazivna struja 25 A, a učinkovitost oko 10%. Isti, ali snažniji generatori brzo su se počeli uvoditi u drugim poduzećima za galvanizaciju u Europi. Godine 1851. njemački vojni liječnik Wilhelm Josef Sinsteden (1803. – 1891.) predložio je korištenje elektromagneta umjesto stalnih magneta u induktoru i njihovo napajanje strujom iz manjeg pomoćnog generatora; Također je otkrio da će se učinkovitost generatora povećati ako čelična jezgra elektromagneta nije izrađena od masivnih, već od paralelnih žica. Međutim, Sinstedenove ideje počeo je zapravo koristiti tek 1863. engleski samouki inženjer elektrotehnike Henry Wilde (1833–1919), koji je, između ostalih inovacija, predložio da se na osovinu generatora pričvrsti pobudni stroj (engleski exitatrice). Godine 1865. proizveo je generator neviđene snage od 1 kW, s kojim je čak mogao demonstrirati taljenje i zavarivanje metala.

Najvažnije poboljšanje DC generatori postao njihov samostimulacija, čiji je princip 1854. godine patentirao glavni inženjer Danskih državnih željeznica Soren Hjorth (1801. – 1870.), ali koji tada nije naišao na praktičnu primjenu. Godine 1866. ovaj je princip ponovno neovisno otkrilo nekoliko inženjera elektrotehnike, uključujući već spomenutog G. Wildea, ali je postalo široko poznato u prosincu 1866., kada ga je njemački industrijalac Ernst Werner von Siemens (1816. – 1892.) upotrijebio u svom kompaktnom i visoko učinkovit generator. Dana 17. siječnja 1867. na Berlinskoj akademiji znanosti pročitan je njegov poznati izvještaj o principu dinamoelektrike (samouzbude). Samouzbuđivanje omogućio je odustajanje od pomoćnih uzbudnih generatora (iz pobudnika), što je omogućilo proizvodnju znatno jeftinije električne energije u velikim količinama. Zbog toga se godina 1866. često smatra godinom rođenja jake elektrotehnike. Kod prvih samouzbudnih generatora uzbudni je namot bio spojen, poput Siemensa, serijski (serijski) s armaturnim namotom, ali je u veljači 1867. engleski elektroinženjer Charles Wheatstone (1802. – 1875.) predložio paralelnu uzbudu, što ga čini moguće bolje regulirati EMF generatora do kojeg je došlo čak i prije izvješća o sekvencijalnoj pobudi koju je otkrio Siemens (slika 6).

Riža. 6. Razvoj sustava uzbude za istosmjerne generatore. a uzbuda permanentnim magnetom (1831), b vanjska uzbuda (1851), c serijska samouzbuda (1866), d paralelna samouzbuda (1867). 1 armatura, 2 uzbudni namot. Reostati za regulaciju struje uzbude nisu prikazani

Potreba za generatori izmjenične struje nastao 1876. godine, kada je ruski inženjer elektrotehnike Pavel Yablochkov (1847. – 1894.) koji je radio u Parizu, počeo osvjetljavati gradske ulice pomoću lučnih svjetiljki s izmjeničnom strujom (Jabločkove svijeće) koje je proizveo. Prve generatore potrebne za to izradio je pariški izumitelj i industrijalac Zenobe Theophile Gramme (1826–1901). S početkom masovne proizvodnje žarulja sa žarnom niti 1879. godine, izmjenična struja je neko vrijeme izgubila na važnosti, ali je ponovno dobila na važnosti zbog povećanja udaljenosti električnog prijenosa sredinom 1880-ih. 1888.–1890. vlasnik vlastitog istraživačkog laboratorija Tesla-Electric Co., New York, SAD, srpski elektrotehničar Nikola Tesla (1856.–1943.) koji je emigrirao u SAD i glavni inženjer tvrtke AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) Ruski inženjer elektrotehnike Mihail Dolivo-Dobrovolski (1862–1919) koji je emigrirao u Njemačku razvio je trofazni sustav izmjenične struje. Kao rezultat toga, proizvodnja je sve snažnija sinkroni generatori za termo i hidroelektrane u izgradnji.

Važnu fazu u razvoju turbogeneratora može se smatrati razvoj cilindričnog rotora 1898. godine od strane suvlasnika švicarske električne tvornice Brown, Boveri & Cie., BBC, Charles Eugen Lancelot Brown (1863–1924). Prvi generator s vodikovim hlađenjem (snage 25 MW) izdala je 1937. američka tvrtka General Electric, a s in-line vodenim hlađenjem - 1956. engleska tvrtka Metropolitan Vickers.

Život suvremenog čovjeka organiziran je na način da njegovu infrastrukturnu potporu čine mnoge komponente različitih tehničkih i funkcionalnih svojstava. To uključuje električnu energiju. Prosječan potrošač ne vidi i ne osjeti kako točno obavlja svoje zadaće, ali krajnji rezultat je itekako vidljiv u radu kućanskih aparata, i ne samo to. U isto vrijeme, pitanja o tome odakle dolazi električna energija ostaju neriješena u glavama mnogih korisnika istih kućanskih uređaja. Za proširenje znanja u ovom području vrijedi krenuti od pojma električne energije kao takve.

Što je struja?

Složenost ovog koncepta je razumljiva, budući da se energija ne može označiti kao običan predmet ili pojava dostupna vizualnoj percepciji. U isto vrijeme postoje dva pristupa odgovoru na pitanje što je električna energija. Definicija znanstvenika kaže da je električna energija tok nabijenih čestica, koji karakterizira usmjereno kretanje. U pravilu se pod česticama podrazumijevaju elektroni.

U samoj energetici električna energija se češće promatra kao proizvod koji proizvode trafostanice. S ove točke gledišta važni su i elementi koji su izravno uključeni u proces stvaranja i prijenosa struje. To jest, u ovom slučaju razmatramo energetsko polje stvoreno oko vodiča ili drugog nabijenog tijela. Da bismo ovo razumijevanje energije približili stvarnom promatranju, moramo razumjeti sljedeće pitanje: odakle dolazi elektricitet? Postoje različita tehnička sredstva za proizvodnju struje, a sva su podređena jednom zadatku - opskrbi krajnjih potrošača. Međutim, prije nego što korisnici mogu opskrbiti svoje uređaje energijom, ona mora proći kroz nekoliko faza.

Proizvodnja električne energije

Danas se u energetskom sektoru koristi oko 10 vrsta stanica koje osiguravaju proizvodnju električne energije. To je proces koji rezultira pretvorbom određene vrste energije u strujni naboj. Drugim riječima, električna energija nastaje preradom druge energije. Konkretno, u specijaliziranim trafostanicama kao glavni radni resurs koriste toplinu, vjetar, plimu, geotermalnu energiju i dr. Odgovarajući na pitanje odakle dolazi električna energija, valja istaknuti infrastrukturu kojom je svaka trafostanica opremljena. Svaki električni generator opremljen je složenim sustavom funkcionalnih jedinica i mreža koje omogućuju akumulaciju proizvedene energije i pripremu za daljnji prijenos do distribucijskih čvorova.

Tradicionalne elektrane

Iako su se energetski trendovi posljednjih godina brzo promijenili, možemo identificirati glavne koji rade na klasičnim principima. Prije svega, to su termogeneracijski objekti. Resurs nastaje kao rezultat izgaranja i naknadne transformacije otpada.Istodobno, postoje različite vrste takvih stanica, uključujući grijanje i kondenzaciju. Glavna razlika između njih je sposobnost objekata druge vrste da također generiraju toplinske tokove. Naime, kada odgovaramo na pitanje odakle dolazi električna energija, možemo istaknuti i stanice koje istovremeno proizvode i druge vrste energije. Osim termoelektrana, česte su hidro i nuklearne elektrane. U prvom slučaju, pretpostavlja se iz kretanja vode, au drugom, kao rezultat fisije atoma u posebnim reaktorima.

Alternativni izvori energije

U ovu kategoriju izvora energije obično spadaju sunčeve zrake, vjetar, podzemlje itd. Posebno su česti razni generatori usmjereni na akumuliranje i pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju. Takve instalacije su atraktivne jer ih može koristiti svaki potrošač u količinama potrebnim za opskrbu svog doma. Međutim, široku distribuciju takvih generatora otežava visoka cijena opreme, kao i nijanse u radu zbog ovisnosti radnih fotoćelija o

Na razini velikih energetskih kompanija aktivno se razvijaju vjetroalternativni izvori električne energije. Već danas niz zemalja koristi programe postupnog prijelaza na ovu vrstu opskrbe energijom. Međutim, ovaj smjer ima i svoje prepreke, zbog male snage generatora i visoke cijene. Relativno novi alternativni izvor energije je prirodna toplina Zemlje. U ovom slučaju stanice pretvaraju toplinsku energiju dobivenu iz dubina podzemnih kanala.

Distribucija električne energije

Nakon proizvodnje električne energije počinje faza njezinog prijenosa i distribucije koju osiguravaju energenti. Dobavljači resursa organiziraju odgovarajuću infrastrukturu, čija su osnova električne mreže. Postoje dvije vrste kanala kojima se prenosi električna energija - nadzemni i podzemni kabelski vodovi. Ove mreže su ultimativni izvor i glavni odgovor na pitanje odakle dolazi električna energija za razne potrebe korisnika. Organizacije opskrbljivača postavljaju posebne trase za distribuciju električne energije, koristeći različite vrste kabela.

Potrošači električne energije

Električna energija je potrebna za različite zadatke u kućanstvu i industriji. Klasičan primjer korištenja ovog nositelja energije je rasvjeta. Danas, međutim, električna energija u domu pokreće širi raspon uređaja i opreme. A to je samo mali dio energetskih potreba društva.

Ovaj resurs također je potreban za održavanje rada prometne infrastrukture: održavanje trolejbuskih, tramvajskih i metro linija itd. Posebno treba istaknuti industrijska poduzeća. Tvornice, tvornice i prerađivački kompleksi često zahtijevaju povezivanje ogromnih kapaciteta. Možemo reći da su to najveći potrošači električne energije koji ovim resursom osiguravaju rad tehnološke opreme i lokalne infrastrukture.

Upravljanje elektroenergetskim objektima

Osim organizacije elektroenergetske mreže, koja tehnički pruža mogućnost prijenosa i distribucije energije krajnjim potrošačima, rad ovog kompleksa nemoguć je bez sustava upravljanja. Za provedbu ovih zadataka opskrbljivači koriste centre operativnog upravljanja čiji djelatnici provode centralizirani nadzor i upravljanje radom povjerenih im elektroenergetskih objekata. Konkretno, takve usluge kontroliraju parametre mreža na koje su povezani potrošači električne energije na različitim razinama. Zasebno je vrijedno istaknuti odjele koji obavljaju održavanje mreže, sprječavaju habanje i popravljaju oštećenja na pojedinim dionicama linija.

Zaključak

Tijekom svog postojanja, energetika je prošla nekoliko faza razvoja. Nedavno su uočene nove promjene zbog aktivnog razvoja alternativnih izvora energije. Uspješan razvoj ovih područja danas omogućuje korištenje električne energije u kućanstvu dobivene iz individualnih kućanskih generatora, neovisno o centralnim mrežama. Međutim, te industrije također imaju određenih poteškoća. Prije svega, oni su povezani s financijskim troškovima kupnje i ugradnje odgovarajuće opreme - istih solarnih panela s baterijama. No budući da je energija dobivena iz alternativnih izvora potpuno besplatna, izgledi za daljnji napredak u tim područjima ostaju relevantni za različite kategorije potrošača.

D.C (istosmjerna struja) –To je uređeno kretanje nabijenih čestica u jednom smjeru. Drugim riječima
veličine koje karakteriziraju električnu struju, kao što su napon ili struja, konstantne su i vrijednosti i smjera.

U izvoru istosmjerne struje, primjerice u običnoj AA bateriji, elektroni se kreću od minusa prema plusu. No povijesno se tehničkim smjerom struje smatra smjer od plusa prema minusu.

Za istosmjernu struju vrijede svi osnovni zakoni elektrotehnike kao što su Ohmov zakon i Kirchhoffov zakon.

Priča

U početku se istosmjerna struja nazivala galvanskom strujom, jer je prvi put dobivena galvanskom reakcijom. Zatim je, krajem devetnaestog stoljeća, Thomas Edison pokušao organizirati prijenos istosmjerne struje preko električnih vodova. Istovremeno, tzv “rat struja”, u kojem je postojao izbor kao glavne struje između izmjenične i izravne. Nažalost, istosmjerna struja je "izgubila" ovaj "rat" jer, za razliku od izmjenične struje, istosmjerna struja trpi velike gubitke snage kada se prenosi na udaljenosti. Izmjeničnu struju je lako transformirati i zahvaljujući tome može se prenositi na velike udaljenosti.

DC napajanja

Izvori istosmjerne struje mogu biti baterije ili drugi izvori u kojima se struja javlja uslijed kemijske reakcije (npr. AA baterija).

Također, izvori istosmjerne struje mogu biti generator istosmjerne struje, u kojem se struja stvara zbog
fenomen elektromagnetske indukcije, a zatim se ispravlja pomoću kolektora.

Istosmjerna struja može se dobiti ispravljanjem izmjenične struje. U tu svrhu postoje razni ispravljači i pretvarači.

Primjena

Istosmjerna struja naširoko se koristi u električnim krugovima i uređajima. Na primjer, kod kuće većina uređaja, poput modema ili punjača za mobitel, radi na istosmjernu struju. Automobilski generator proizvodi i pretvara istosmjernu struju za punjenje baterije. Svaki prijenosni uređaj napaja se iz istosmjernog izvora.

U industriji se istosmjerna struja koristi u istosmjernim strojevima kao što su motori ili generatori. U nekim zemljama postoje vodovi istosmjerne struje visokog napona.

Istosmjerna struja našla je svoju primjenu i u medicini, primjerice u elektroforezi, postupku liječenja električnom strujom.

U željezničkom prometu osim izmjenične koristi se i istosmjerna struja. To je zbog činjenice da vučni motori, koji imaju čvršće mehaničke karakteristike od

Generator je uređaj koji proizvodi proizvod, generira električnu energiju ili stvara elektromagnetske, električne, zvučne, svjetlosne vibracije i impulse. Ovisno o njihovim funkcijama, mogu se podijeliti u vrste, koje ćemo razmotriti u nastavku.

DC generator

Da biste razumjeli princip rada generatora istosmjerne struje, morate saznati njegove glavne karakteristike, naime ovisnosti glavnih veličina koje određuju rad uređaja u primijenjenom krugu uzbude.

Glavna veličina je napon na koji utječu brzina vrtnje generatora, strujna pobuda i opterećenje.

Osnovno načelo rada generatora istosmjerne struje ovisi o učinku podjele energije na magnetski tok glavnog pola i, sukladno tome, o naponu primljenom od kolektora dok položaj četkica na njemu ostaje nepromijenjen. Za uređaje opremljene dodatnim polovima, elementi su raspoređeni na takav način da se trenutno odvajanje potpuno podudara s geometrijskom neutralnošću. Zbog toga će se pomaknuti duž linije rotacije armature do optimalnog komutacijskog položaja, nakon čega slijedi učvršćivanje držača četkica u tom položaju.

Alternator

Princip rada generatora izmjenične struje temelji se na pretvorbi mehaničke energije u električnu uslijed rotacije žičane zavojnice u stvorenom magnetskom polju. Ovaj uređaj se sastoji od stacionarnog magneta i žičanog okvira. Svaki od njegovih krajeva povezan je jedan s drugim pomoću kliznog prstena koji klizi preko električno vodljive karbonske četkice. Zbog ove sheme, električna inducirana struja počinje se kretati prema unutarnjem kliznom prstenu u trenutku kada polovica okvira spojena na njega prođe pored sjevernog pola magneta i, obrnuto, prema vanjskom prstenu u trenutku kada drugi dio prolazi pored sjevernog pola.

Najekonomičniji način na kojem se temelji princip rada alternatora je jaka generacija. Ovaj fenomen se postiže korištenjem jednog magneta, koji se okreće u odnosu na nekoliko namota. Ako se umetne u zavojnicu žice, počet će inducirati električnu struju, uzrokujući tako odstupanje igle galvanometra od položaja "0". Nakon što se magnet izvadi iz prstena, struja će promijeniti smjer, a strelica uređaja će početi odstupati u drugom smjeru.

Automobilski generator

Najčešće se može naći na prednjem dijelu motora, glavni dio posla je okretanje radilice. Novi automobili mogu se pohvaliti hibridnim tipom, koji također služi kao starter.

Načelo rada generatora automobila je uključivanje paljenja, tijekom kojeg se struja kreće kroz klizne prstene i usmjerava se na alkalnu jedinicu, a zatim ide na premotavanje uzbude. Kao rezultat ovog djelovanja nastat će magnetsko polje.

Zajedno s radilicom, rotor počinje raditi, što stvara valove koji prodiru kroz namot statora. Izmjenična struja počinje se pojavljivati na izlazu za premotavanje. Kada generator radi u načinu samouzbude, brzina vrtnje se povećava na određenu vrijednost, a zatim se izmjenični napon u jedinici ispravljača počinje mijenjati u konstantan. U konačnici, uređaj će potrošačima osigurati potrebnu električnu energiju, a baterija struju.

Načelo rada automobilskog generatora je promjena brzine radilice ili promjena opterećenja, pri čemu se uključuje regulator napona; kontrolira vrijeme kada se uključuje premotavanje uzbude. Kada se vanjska opterećenja smanjuju ili se rotacija rotora povećava, razdoblje preklapanja namota polja značajno se smanjuje. U trenutku kada struja poraste toliko da se generator prestane nositi, baterija počinje raditi.

Moderni automobili na instrument ploči imaju svjetlo upozorenja koje vozača obavještava o mogućim odstupanjima u generatoru.

Električni generator

Princip rada električnog generatora je pretvaranje mehaničke energije u električno polje. Glavni izvori takve sile mogu biti voda, para, vjetar i motor s unutarnjim izgaranjem. Princip rada generatora temelji se na zajedničkoj interakciji magnetskog polja i vodiča, naime, u trenutku rotacije okvira, linije magnetske indukcije počinju ga presijecati, au tom trenutku se pojavljuje elektromotorna sila. Uzrokuje protok struje kroz okvir pomoću kliznih prstenova i protok u vanjski krug.

Generatori inventara

Danas postaje vrlo popularan inverterski generator, čiji je princip stvaranje autonomnog izvora energije koji proizvodi visokokvalitetnu električnu energiju. Takvi uređaji koriste se kao privremeni i stalni izvori energije. Najčešće se koriste u bolnicama, školama i drugim ustanovama gdje ne bi smjelo biti ni najmanjih skokova napona. Sve se to može postići pomoću inverterskog generatora, čiji se princip rada temelji na postojanosti i slijedi sljedeću shemu:

Generiranje visokofrekventne izmjenične struje.
Zahvaljujući ispravljaču, rezultirajuća struja se pretvara u istosmjernu struju.
Tada se u baterijama stvara akumulacija struje i stabiliziraju se oscilacije električnih valova.
Uz pomoć invertera, istosmjerna energija se pretvara u izmjeničnu struju željenog napona i frekvencije, a zatim se isporučuje korisniku.

Dizelski generator

Princip rada dizelskog generatora je pretvaranje energije goriva u električnu energiju, čije su glavne radnje sljedeće:

kada gorivo uđe u dizelski motor, ono počinje gorjeti, nakon čega se transformira iz kemijske u toplinsku energiju;
zahvaljujući prisutnosti koljenastog mehanizma, toplinska sila se pretvara u mehaničku silu, sve se to događa u koljenastom vratilu;
Dobivena energija se uz pomoć rotora pretvara u električnu energiju koja je potrebna na izlazu.

Sinkroni generator

Princip rada sinkronog generatora temelji se na istoj čistoći rotacije magnetskog polja statora i rotora, koji zajedno s polovima stvara magnetsko polje, a ono prelazi statorski namot. U ovoj jedinici, rotor je stalni elektromagnet, čiji broj polova može biti od 2 i više, ali moraju biti višestruki od 2.

Kada se generator pokrene, rotor stvara slabo polje, ali nakon povećanja brzine počinje se javljati veća sila u namotu polja. Rezultirajući napon se dovodi u uređaj putem automatske upravljačke jedinice i kontrolira izlazni napon zbog promjena u magnetskom polju. Osnovni princip rada generatora je visoka stabilnost izlaznog napona, ali nedostatak je značajna mogućnost strujnih preopterećenja. Da biste dodali negativne kvalitete, možete dodati prisutnost sklopa četke, koji će se ipak morati servisirati u određeno vrijeme, a to naravno podrazumijeva dodatne financijske troškove.

Asinkroni generator

Princip rada generatora je da stalno bude u stanju kočenja s rotorom koji se okreće naprijed, ali i dalje u istoj orijentaciji kao i magnetsko polje na statoru.

Ovisno o vrsti namota koji se koristi, rotor može biti fazni ili kratkospojeni. Okretno magnetsko polje stvoreno uz pomoć pomoćnog namota počinje ga inducirati na rotoru koji se okreće s njim. Frekvencija i napon na izlazu izravno ovise o broju okretaja, budući da magnetsko polje nije regulirano i ostaje nepromijenjeno.

Elektrokemijski generator

Postoji i elektrokemijski generator, čiji je uređaj i princip rada stvaranje električne energije iz vodika u automobilu za njegovo kretanje i napajanje svih električnih uređaja. Ovaj uređaj je kemijski jer proizvodi energiju reakcijom kisika i vodika, koji se u plinovitom stanju koristi za proizvodnju goriva.

Generator akustične buke

Princip rada generatora akustičnih smetnji je zaštita organizacija i pojedinaca od prisluškivanja razgovora i raznih vrsta događaja. Mogu se pratiti kroz prozorsko staklo, zidove, ventilacijske sustave, cijevi za grijanje, radio mikrofone, žičane mikrofone i laserske uređaje za hvatanje primljenih akustičnih informacija s prozora.

Stoga tvrtke vrlo često za zaštitu svojih povjerljivih podataka koriste generator, čiji je uređaj i princip rada ugađanje uređaja na zadanu frekvenciju, ako je poznata, ili na određeni raspon. Tada se stvara univerzalna smetnja u obliku signala šuma. U tu svrhu sam uređaj sadrži generator buke potrebne snage.

Postoje i generatori koji su u rasponu buke, zahvaljujući kojima možete maskirati korisni zvučni signal. Ovaj komplet uključuje blok koji stvara buku, kao i njegovo pojačanje i akustične emitere. Glavni nedostatak korištenja ovakvih uređaja su smetnje koje se javljaju tijekom pregovora. Kako bi se uređaj u potpunosti nosio sa svojim radom, pregovori bi trebali trajati samo 15 minuta.

Regulator napona

Osnovno načelo rada regulatora napona temelji se na održavanju energije mreže na vozilu u svim načinima rada s različitim promjenama frekvencije vrtnje rotora generatora, temperature okoline i električnog opterećenja. Ovaj uređaj također može obavljati sekundarne funkcije, naime, zaštititi dijelove agregata od mogućeg hitnog rada instalacije i preopterećenja, automatski spojiti krug pobudnog namota na sustav na vozilu ili alarmirati hitni rad uređaja.

Svi takvi uređaji rade na istom principu. Napon u generatoru određuje nekoliko čimbenika - jakost struje, brzina rotora i magnetski tok. Što je manje opterećenje generatora i što je veća brzina vrtnje, to će biti veći napon uređaja. Zbog veće struje u uzbudnom namotu počinje rasti magnetski tok, a s njim i napon u generatoru, a nakon smanjenja struje i napon postaje manji.

Bez obzira na proizvođača takvih generatora, svi normaliziraju napon promjenom uzbudne struje na isti način. Kako se napon povećava ili smanjuje, uzbudna struja počinje rasti ili opadati i provoditi napon u potrebnim granicama.

U svakodnevnom životu korištenje generatora uvelike pomaže osobi u rješavanju mnogih problema u nastajanju.