Кручу-верчу, дати електрику хочу: як влаштований генератор

Електрогенератор - серце практично будь-якої електростанції: газотурбінної, атомної, вітряної, гідроелектростанції. Кожна перетворює природні ресурси на механічну енергію, яка перетворюється на електрику за допомогою генератора.

Сім років тому Сергій Вірменінов був електромеханіком. Його діти виросли і перестали потребувати опіки, тому, пропрацювавши 23 роки в електромережах міста Нефтекамська республіки Башкортостан, Сергій вирішив круто змінити своє життя: він уперше сів у вертоліт і полетів на Крайню Північ — будувати, запускати та експлуатувати електростанцію.

Перший запуск газотурбінної станції на Новопортовському родовищі нафти та газу нагадував пуск ракети: шум, гул, жорсткий контроль параметрів. Спершу запустили авіадвигун, подали газ. Потім почалося вироблення енергії на електрогенераторі.

Станція, на якій працює Сергій, використовує попутний газ, який видобувають разом із нафтою. Такі електростанції відносяться до газотурбінних (ГТЕС), в них енергію одержують за рахунок спалювання корисних копалин.

Газотурбінна електростанція на родовищі вуглеводнів

ГТЕС — це величезна споруда, в ній три машинні зали, кожен з яких розміром з міні-стадіон. В одному машинному залі розташовано три агрегати, в яких спалюється суміш газу та повітря. Розпечені продукти згоряння з високою швидкістю прямують до турбіни і закручують її. Схожим чином працюють атомні електростанції, де замість продуктів згоряння газоповітряної суміші турбіну крутить пара, гідроелектростанції, в яких турбіну змушує обертатися напір води, а також вітряні електростанції: обертання лопатей вітряків передається лопаткам турбіни.Через вал обертання турбіни передається генератору, який виробляє електрику.

Як обертання перетворюється на струм

Уявіть два металеві дроти: якщо з одного боку вони приєднані до плюсу і мінусу батарейки, а з іншого — до лампочки, то по контуру, що вийшов, побіжить електричний струм, і лампочка засяє яскравим світлом. Такий струм називають постійним: він тече в одному напрямку, а його амплітуда не змінюється.

Якщо з металевого дроту зробити кільце, підключивши його кінці до лампочки, запалити її можна навіть без батарейки. Для цього потрібно помістити всередину кола з лампочкою магніт і почати рухати його туди-сюди: у проводі з'явиться струм. Виникне він лише тоді, коли магнітне поле зміниться, тобто магніт почне рухатися. Це називається електромагнітної індукцією.

Механічна енергія продуктів згоряння газу за допомогою генератора перетворюється на електрику

Щоб струм у замкнутому контурі зберігався, магніт повинен рухатися без зупинки, наприклад, обертатися. У електрогенераторі магніти розташовані на роторі, що обертається, а дроти — на нерухомому статорі. У такій схемі магнітна дія то зростає, то зменшується. Це призводить до того, що заряди періодично змінюють напрямок руху. Такий струм називають змінним.

«Основні частини електрогенератора – це ротор та статор, – розповідає Сергій Вірменінов. - Ротор повторює обертання турбіни і крутиться одночасно з нею. Статор залишається нерухомим, але між ним і ротором все ж таки існує невидима взаємодія, що породжує електричний струм, — електромагнітна індукція».

З електрогенератора змінний електричний струм передається високовольтними лініями споживачам: містам, підприємствам.Однак побутовим пристроям потрібен постійний струм: його перетворення відбувається, наприклад, у блоці живлення зарядного пристрою смартфона.

«Електростанція нашого родовища працює на видобутому тут газі та за допомогою генератора виробляє достатньо електрики, щоб видобуток нафти та газу вевся ефективно. Більше того, надлишки електроенергії ми спрямовуємо до найближчих населених пунктів. Головне — мінімізувати витрати на виробництво електроенергії та підвищити ККД станції. У нашому випадку він становить 36%», - підсумував Сергій Вірменінов.

Види електричних генераторів та принципи їх роботи

Електричним генератором називається машина або установка, призначена для перетворення енергії неелектричної - в електричну: механічної - в електричну, хімічної - електричну, теплової - електричну і т.д. буд. Сьогодні в основному, вимовляючи слово «генератор», ми маємо на увазі перетворювач механічної енергії — електричну.

Це може бути дизельний або бензиновий переносний генератор, генератор атомної електростанції, автомобільний генератор, саморобний генератор з асинхронного електродвигуна або тихохідний генератор для малопотужного вітряка. Наприкінці статті ми розглянемо як приклад два найбільш поширені генератори, але спочатку поговоримо про принципи їх роботи.

Так чи інакше, з фізичної точки зору принцип роботи кожного з механічних генераторів - той самий: явище електромагнітної індукції, коли при перетині лініями магнітного поля провідника - в цьому провіднику виникає ЕРС індукції. Джерелами сили, що призводить до взаємного переміщення провідника та магнітного поля, можуть бути різні процеси, проте в результаті від генератора завжди потрібно отримати ЕРС та струм для живлення навантаження.

Принцип роботи електричного генератора - Закон Фарадея

Принцип роботи електричного генератора було відкрито далекого 1831 року англійським фізиком Майклом Фарадеєм. Згодом цей принцип назвали законом Фарадея. Він полягає в тому, що при перетині провідником перпендикулярно магнітного поля, на кінцях цього провідника виникає різниця потенціалів.

Перший генератор був побудований самим Фарадеєм згідно з відкритим ним принципом, це був «диск Фарадея» — уніполярний генератор, у якому мідний диск обертався між полюсами підковоподібного магніту. Пристрій давав значний струм при незначній напрузі.

Пізніше було встановлено, що окремі ізольовані провідники в генераторах проявляють себе набагато ефективніше з практичної точки зору, ніж суцільний диск, що проводить. І в сучасних генераторах застосовуються тепер саме дротяні обмотки статора (у найпростішому демонстраційному випадку — виток із дроту).

Генератор змінного струму

У переважній більшості сучасні генератори - це синхронні генератори змінного струму. У них на статорі розташовується якірна обмотка, від якої і відводиться електрична енергія, що генерується. На роторі розташовується обмотка збудження, на яку через пару контактних кілець подається постійний струм, щоб отримати магнітне поле, що обертається, від обертового ротора.

За рахунок явища електромагнітної індукції, при обертанні ротора від зовнішнього приводу (наприклад від ДВС), його магнітний потік по черзі перетинає кожну з фаз обмотки статора, і таким чином наводить в них ЕРС.

Найчастіше фаз три, вони зміщені фізично на якорі один щодо одного на 120 градусів, так виходить трифазний синусоїдальний струм.Фази можна з'єднати за схемою "зірка" або "трикутник", щоб отримати стандартну мережну напругу.

Частота синусоїдальної ЕРС f пропорційна частоті обертання ротора: f = np/60, де p число пар магнітних плюсів ротора, n кількість оборотів ротора в хвилину. Зазвичай максимальна швидкість обертання ротора - 3000 обертів на хвилину. Якщо підключити до обмотування статора такого синхронного генератора трифазний випрямляч, то вийде генератор постійного струму (так працюють, до речі, всі автомобільні генератори).

Спрощена схема трифазного генератора змінного струму:

Тримашинний синхронний генератор

Звичайно, класичний синхронний генератор має один серйозний мінус — на роторі розташовуються контактні кільця і ​​щітки, прилеглі до них. Щітки виблискують і зношуються через тертя та електричну ерозію. У вибухонебезпечному середовищі це неприпустимо. Тому в авіації та в дизель-генераторах більш поширені безконтактні синхронні генератори, зокрема тримашинні.

Тримашинні пристрої в одному корпусі мають три машини: передзбудник, збудник і генератор — на загальному валу. Передзбудник - це синхронний генератор, він збуджується від постійних магнітів на валу, напруга, що генерується ним, подається на обмотку статора збудника.

Статор збудника діє на обмотку на роторі, з'єднану із закріпленим на ній трифазним випрямлячем, від якого живиться основна обмотка збудження генератора. Генератор генерує у своєму статорі струм.

Газові, дизельні та бензинові переносні генератори

Сьогодні дуже поширені в домашніх господарствах дизельні, газові та бензинові генератори, які як приводні двигуни використовують ДВС — двигун внутрішнього згоряння, що передає механічне обертання на ротор генератора.

У генераторів на рідкому паливі є паливні баки, газовим генераторам необхідно подавати паливо через трубопровід, щоб потім газ був подано в карбюратор, де перетвориться на складову частину паливної суміші.

У всіх випадках паливна суміш спалюється в поршневій системі, обертаючи колінвал. Це схоже на роботу автомобільного двигуна. Колінвал обертає ротор безконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Кращі інверторні генератори домашніх електростанцій мають вбудований акумулятор для компенсації перепадів та систему подвійного перетворення, у таких пристроїв змінна напруга виходить більш стабілізованою.

Автомобільні генератори

Ще один приклад генератора змінного струму - найпоширеніший у світі вид генератора - автомобільний генератор. Даний генератор зазвичай містить обмотку збудження з контактними кільцями на роторі та трифазну обмотку статора з випрямлячем.

Вбудований електронний регулятор утримує напругу у допустимих для автомобільного акумулятора межах. Автомобільний генератор - високооборотний генератор, його обороти можуть досягати 9000 за хвилину.

Хоча спочатку струм виходить змінним (полюсні наконечники ротора почергово і в різній полярності перетинають своїми магнітними потоками три фази статора обмотки), потім він випрямляється діодами і перетворюється на постійний, придатний для зарядки акумулятора.

Незвичайні конструкції електричних генераторів:

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно з метою ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.