Електричеството, генерирано от човек, може да бъде достатъчно за зареждане на мобилен телефон. Нашите неврони са под постоянно напрежение и разликата между живота и смъртта може да се определи от електрическите вълни на енцефалограмата.
Лечение със скатове
Веднъж в древен Рим, син на богат архитект и амбициозен лекар, Клавдий Гален се разхождал по бреговете на Средиземно море. И тогава пред очите му се откри много странна гледка - двама жители на близките села вървяха към него, с електрически скатове, вързани на главите им! Така историята описва първия известен случай на използване на физиотерапия с помощта на живо електричество. Методът е взет предвид от Гален и по такъв необичаен начин той спасява от болки след рани на гладиатори и дори излекува болния гръб на самия император Марк Антоний, който скоро след това го назначава за свой личен лекар.
След това човекът неведнъж се е сблъсквал с необяснимото явление „живо електричество“. И опитът не винаги е бил положителен. И така, веднъж, в ерата на големите географски открития, край бреговете на Амазонка, европейците срещнаха местни електрически змиорки, които генерираха електрическо напрежение във водата до 550 волта. Горко на този, който случайно е попаднал в триметровата зона на убийство.
Електричество във всички
Но за първи път науката обърна внимание на електрофизиката, или по-точно на способността на живите организми да генерират електричество, след много забавен инцидент с жабешки бутчета през 18 век, които в един бурен ден някъде в Болоня започнаха да потрепват от контакт с желязо. Съпругата на професора по Болонезе Луиджи Галвати, която влязла в месарницата за френски деликатес, видяла тази ужасна картина и разказала на съпруга си за злите духове, които бушуват в квартала. Но Галвати погледна на това от научна гледна точка и след 25 години упорита работа беше публикувана книгата му „Трактати за силата на електричеството в мускулното движение“. В него ученият първо заявява, че електричеството съществува във всеки от нас, а нервите са вид „електрически проводници“.
Как работи
Как човек генерира електричество? Това се дължи на множество биохимични процеси, протичащи на клетъчно ниво. В тялото ни има много различни химикали - кислород, натрий, калций, калий и много други. Техните реакции една с друга произвеждат електрическа енергия. Например в процеса на „клетъчно дишане“, когато клетката освобождава енергия, получена от вода, въглероден диоксид и т.н. То от своя страна се отлага в специални химични високоенергийни съединения, да ги наречем „хранилища“, и впоследствие се използва „при нужда“.
Но това е само един пример – има много химични процеси в тялото ни, които произвеждат електричество. Всеки човек е истинска сила и може да се използва в ежедневието.
Генерираме ли много ватове?
Човешката енергия като алтернативен източник на енергия отдавна е престанала да бъде мечта на писателите на научна фантастика. Хората имат големи перспективи като генератори на електричество; то може да бъде генерирано от почти всяко наше действие. Така че от един дъх можете да получите 1 W, а една спокойна стъпка е достатъчна, за да захраните 60 W крушка и ще бъде достатъчна, за да заредите телефона си. Така че човек може буквално сам да реши проблема с ресурсите и алтернативните източници на енергия.
Всичко, което остава да направим, е да се научим да прехвърляме енергията, която губим толкова безполезно, „където е необходимо“. И изследователите вече имат предложения в това отношение. По този начин активно се изучава ефектът на пиезоелектричеството, което създава напрежение от механично действие. Въз основа на него още през 2011 г. австралийски учени предложиха модел на компютър, който да се зарежда чрез натискане на клавиши. В Корея разработват телефон, който ще се зарежда от разговори, тоест от звукови вълни, а група учени от Технологичния институт на Джорджия създаде работещ прототип на „наногенератор“ от цинков оксид, който е имплантиран в човешкото тяло и генерира ток от всяко наше движение.
Но това не е всичко, за да помогнат на слънчевите панели в някои градове те ще получат енергия от пиковите часове, по-точно от вибрациите, когато вървят пешеходци и коли, и след това ще я използват, за да осветяват града. Тази идея е предложена от лондонски архитекти от фирмата Facility Architects. Те казват: „В пиковите моменти 34 000 души минават през гара Виктория за 60 минути. Не е нужен математически гений, за да разбере, че ако тази енергия може да бъде овладяна, тя всъщност може да създаде много полезен източник на енергия, който в момента се губи." Между другото, японците вече използват турникети за това в токийското метро, през което всеки ден преминават стотици хиляди хора. В крайна сметка железниците са основните транспортни артерии на Страната на изгряващото слънце.
"Вълни на смъртта"
Между другото, живото електричество е причината за много много странни явления, които науката все още не може да обясни. Може би най-известният от тях е „вълната на смъртта“, чието откриване доведе до нов етап от дебата за съществуването на душата и естеството на „преживяването близо до смъртта“, за което хората, преживели клинична смърт, понякога съобщават .
През 2009 г. в една от американските болници са взети енцефалограми от девет умиращи, които по това време вече не могат да бъдат спасени. Експериментът е проведен, за да разреши дългогодишен етичен спор за това кога човек наистина е мъртъв. Резултатите са сензационни - след смъртта мозъкът на всички субекти, който вече е трябвало да бъде убит, буквално експлодира - в него възникват невероятно мощни изблици на електрически импулси, каквито никога не са наблюдавани при жив човек. Те се появяват две до три минути след сърдечния арест и продължават приблизително три минути. Преди това подобни експерименти бяха проведени върху плъхове, при които същото започна минута след смъртта и продължи 10 секунди. Учените фаталистично нарекоха това явление „вълна на смъртта“.
Научното обяснение за „вълните на смъртта“ повдигна много етични въпроси. Според един от експериментаторите, д-р Лахмир Чаула, подобни изблици на мозъчна активност се обясняват с факта, че поради липса на кислород невроните губят електрически потенциал и се разреждат, излъчвайки импулси "лавинноподобни". „Живите“ неврони са постоянно под малко отрицателно напрежение - 70 миниволта, което се поддържа чрез освобождаване от положителните йони, които остават навън. След смъртта балансът се нарушава и невроните бързо променят полярността си от „минус“ на „плюс“. Оттук и „вълната на смъртта“.
Ако тази теория е вярна, „вълната на смъртта“ на енцефалограмата очертава тази неуловима линия между живота и смъртта. След това функционирането на неврона не може да бъде възстановено, тялото вече няма да може да получава електрически импулси. С други думи, вече няма смисъл лекарите да се борят за живота на човек.
Но какво ще стане, ако погледнете проблема от другата страна. Предполага се, че „вълната на смъртта“ е последният опит на мозъка да даде на сърцето електрически разряд, за да възстанови функционирането му. В този случай по време на „вълната на смъртта“ не трябва да скръстите ръце, а по-скоро да използвате този шанс да спасите животи. Това казва реаниматорът Ланс-Бекер от Университета на Пенсилвания, като посочва, че има случаи, когато човек „оживява“ след „вълна“, което означава, че ярък прилив на електрически импулси в човешкото тяло, и след това спад, все още не може да се счита за последния праг.
Електрическият ток е основният вид енергия, който извършва полезна работа във всички сфери на човешкия живот. Той задвижва различни механизми, осигурява светлина, отоплява къщи и оживява цял набор от устройства, които осигуряват комфортното ни съществуване на планетата. Наистина този вид енергия е универсален. Можете да получите всичко от него и дори голямо разрушение, ако се използва неправилно.
Но имаше време, когато електрическите ефекти все още присъстваха в природата, но не помагаха на хората по никакъв начин. Какво се промени оттогава? Хората започнаха да изучават физическите явления и излязоха с интересни машини - преобразуватели, които като цяло направиха революционен скок в нашата цивилизация, позволявайки на човек да получава една енергия от друга.
Ето как хората се научиха да генерират електричество от обикновен метал, магнити и механично движение - това е всичко. Изградени са генератори, способни да произвеждат колосални енергийни потоци, възлизащи на мегавати. Но интересно е, че принципът на работа на тези машини не е толкова сложен и може да бъде напълно разбираем дори за тийнейджър. Какво е? Нека се опитаме да разберем този проблем.
Ефект на електромагнитна индукция
Основата за появата на електрически ток в проводник е електродвижещата сила - ЕМП. Той е в състояние да предизвика движение на заредени частици, каквито има много във всеки метал. Тази сила се появява само ако проводникът изпитва промяна в интензитета на магнитното поле. Самият ефект се нарича електромагнитна индукция. Колкото по-голяма е скоростта на промяна на потока от магнитни вълни, толкова по-голяма е ЕДС. Тоест, можете да преместите проводник близо до постоянен магнит или да повлияете на неподвижен проводник с полето на електромагнит, променяйки неговата сила, ефектът ще бъде същият - в проводника ще се появи електрически ток.
Учените Ерстед и Фарадей работят по този въпрос през първата половина на 19 век. Те откриха и този физически феномен. Впоследствие са създадени генератори на ток и електродвигатели на базата на електромагнитна индукция. Интересното е, че тези машини могат лесно да се преобразуват една в друга.
Как работят DC и AC генераторите?
Ясно е, че генераторът на електрически ток е електромеханична машина, която произвежда ток. Но всъщност това е преобразувател на енергия: вятър, вода, топлина, всичко в ЕМП, което вече предизвиква ток в проводника. Дизайнът на всеки генератор по същество не се различава от затворена проводяща верига, която се върти между полюсите на магнит, както в първите експерименти на учените. Само големината на магнитния поток, създаден от мощни постоянни или по-често електрически магнити, е много по-голяма. Затворената верига има формата на многооборотна намотка, от която в модерен генератор няма една, а поне три. Всичко това се прави, за да се получи възможно най-голямото ЕМП.
Стандартен AC (или DC) електрически генератор се състои от:
- Корпуси. Изпълнява функцията на рамка, вътре в която е монтиран статор с електромагнитни полюси. Съдържа търкалящи лагери на вала на ротора. Изработен е от метал, предпазва и целия вътрешен пълнеж на машината.
- Статор с магнитни полюси.Към него е прикрепена намотката за възбуждане на магнитния поток. Изработен е от феромагнитна стомана.
- Ротор или арматура.Това е движещата се част на генератора, чийто вал се задвижва във въртене от външна сила. На сърцевината на котвата е поставена намотка за самовъзбуждане, където се генерира електрически ток.
- Комутационен възел.Този конструктивен елемент служи за отстраняване на електричество от подвижния вал на ротора. Той включва проводими пръстени, които са подвижно свързани с графитни контакти за събиране на ток.
Създаване на постоянен ток
В генератор, произвеждащ постоянен ток, проводящата верига се върти в пространството на магнитно насищане. Освен това за определен момент на въртене всяка половина от веригата се оказва близо до един или друг полюс. Зарядът в проводника се движи в една посока по време на този полузавъртане.
За да се постигне отстраняване на частиците, се прави механизъм за отстраняване на енергия. Неговата особеност е, че всяка половина на намотката (рамката) е свързана към проводящ полупръстен. Полупръстените не са затворени един към друг, а са фиксирани към диелектричен материал. През периода, когато една част от намотката започне да преминава през определен полюс, полупръстенът се затваря в електрическата верига чрез четкови контактни групи. Оказва се, че към всеки терминал идва само един вид потенциал.
Би било по-правилно енергията да се нарече не постоянна, а пулсираща, с постоянна полярност. Пулсациите се причиняват от факта, че магнитният поток върху проводника по време на въртене има както максимално, така и минимално влияние. За да се изравни тази пулсация, се използват няколко намотки на ротора и мощни кондензатори на входа на веригата. За да се намалят загубите на магнитен поток, разстоянието между арматурата и статора е сведено до минимум.
Верига на алтернатора
Когато движещата се част на устройството за генериране на ток се върти, ЕМП също се индуцира в проводниците на рамката, както при генератор на постоянен ток. Но има малка особеност - генераторът на променлив ток има различен дизайн за колекторния блок. В него всяка клема е свързана със собствен проводящ пръстен.
Принципът на работа на генератор за променлив ток е следният: когато половината от намотката минава близо до един полюс (другата, съответно, близо до противоположния полюс), токът се движи във веригата в една посока от минималната до най-високата стойност и пак на нула. Веднага щом намотките променят позицията си спрямо полюсите, токът започва да се движи в обратна посока със същия модел.
В този случай на входа на веригата се получава сигнална форма под формата на синусоида с честота на половин вълна, съответстваща на периода на въртене на вала на ротора. За да се получи стабилен сигнал на изхода, където честотата на алтернатора е постоянна, периодът на въртене на механичната част трябва да бъде постоянен.
тип газ
Конструкции на генератори на ток, където вместо метална рамка като носител на заряд се използва проводима плазма, течност или газ, се наричат MHD генератори. Веществата под налягане се задвижват в поле с магнитен интензитет. Под въздействието на същата индуцирана ЕДС, заредените частици придобиват насочено движение, създавайки електрически ток. Големината на тока е право пропорционална на скоростта на преминаване през магнитния поток, както и на неговата мощност.
MHD генераторите имат по-просто конструктивно решение - те нямат механизъм за въртене на ротора. Такива захранвания са в състояние да доставят големи количества енергия за кратки периоди от време. Те се използват като резервни устройства и в аварийни ситуации. Коефициентът, който определя полезното действие (КПД) на тези машини е по-висок от този на електрически генератор за променлив ток.
Синхронен генератор на променлив ток
Има следните видове генератори за променлив ток:
- Машините са синхронни.
- Машините са асинхронни.
Синхронният алтернатор има строга физическа връзка между въртеливото движение на ротора и електричеството. В такива системи роторът е електромагнит, сглобен от ядра, полюси и вълнуващи намотки. Последните се захранват от източник на постоянен ток чрез четки и пръстеновидни контакти. Статорът е намотка от тел, свързана помежду си по принципа на звездата с обща точка - нула. В тях вече се индуцира ЕМП и се генерира ток.
Роторният вал се задвижва от външна сила, обикновено турбини, чиято честота е синхронизирана и постоянна. Електрическата верига, свързана към такъв генератор, е трифазна верига, чиято честота на тока в отделна линия е фазово изместена на 120 градуса спрямо другите линии. За да се получи правилната синусоида, посоката на магнитния поток в пролуката между частите на статора и ротора се контролира от дизайна на последния.
Алтернаторът се възбужда по два метода:
- Контакт.
- Безконтактно.
В контактна верига за възбуждане електричеството се подава към намотките на електромагнита чрез двойка четки от друг генератор. Този генератор може да се комбинира с главния вал. Обикновено има по-малка мощност, но достатъчна, за да създаде силно магнитно поле.
Безконтактният принцип предвижда, че синхронният генератор на променлив ток на вала има допълнителни трифазни намотки, в които по време на въртене се индуцира ЕДС и се генерира електричество. Подава се през изправителна верига към възбудителните намотки на ротора. Структурно такава система няма движещи се контакти, което опростява системата, което я прави по-надеждна.
Асинхронен генератор
Има асинхронен генератор за променлив ток. Устройството му се различава от синхронното. Той няма точна зависимост на ЕМП от честотата, с която се върти валът на ротора. Има такова понятие като „приплъзване S“, което характеризира тази разлика във влиянието. Размерът на приплъзването се определя чрез изчисление, така че е погрешно да се мисли, че няма модел на електромеханичния процес в асинхронен двигател.
Ако генератор, работещ на празен ход, е натоварен, токът, протичащ в намотките, ще създаде магнитен поток, който предотвратява въртенето на ротора с дадена честота. Това създава приплъзване, което естествено влияе върху генерирането на ЕМП.
Модерен асинхронен генератор на променлив ток има устройство с подвижна част в три различни дизайна:
- Кух ротор.
- Ротор с катерица.
- Плъзгащ ротор.
Такива машини могат да имат самостоятелно и независимо възбуждане. Първата верига се изпълнява чрез включване на кондензатори и полупроводникови преобразуватели в намотката. Възбуждането от независим тип се създава от допълнителен източник на променлив ток.
Схеми на свързване на генератора
Всички мощни източници на енергия за електропроводи произвеждат трифазен електрически ток. Те съдържат три намотки, в които се генерират променливи токове с фазово изместване един спрямо друг с 1/3 от периода. Ако разгледаме всяка отделна намотка на такъв източник на енергия, получаваме еднофазен променлив ток, протичащ в линията. Генераторът може да произведе напрежение от десетки хиляди волта. потребителят получава от разпределителния трансформатор.
Всеки генератор на променлив ток има стандартно устройство за навиване, но има два вида свързване към товара:
- звезда;
- триъгълник.
Принципът на работа на генератор за променлив ток, свързан в звезда, включва комбиниране на всички проводници (неутрални) в един, който преминава от товара обратно към генератора. Това се дължи на факта, че сигналът (електрически ток) се предава главно през изходящия намотаващ проводник (линеен), който се нарича фаза. На практика това е много удобно, тъй като не е необходимо да дърпате три допълнителни проводника, за да свържете консуматора. Напрежението между линейните проводници и линейните и неутралните проводници ще бъде различно.
Чрез свързване на намотките на генератора с триъгълник, те се затварят една към друга последователно в една верига. От техните точки на свързване линиите се изчертават към потребителя. Тогава изобщо няма нужда от неутрален проводник и напрежението на всяка линия ще бъде същото, независимо от товара.
Предимството на трифазния ток пред монофазния е по-ниската му пулсация при изправяне. Това има положителен ефект върху захранваните устройства, особено двигателите с постоянен ток. Освен това трифазният ток създава поток от въртящо се магнитно поле, което е в състояние да управлява мощни асинхронни двигатели.
Къде са приложими DC и AC генераторите?
DC генераторите са значително по-малки по размер и тегло от AC машините. Имайки по-сложен дизайн от последния, те все пак са намерили приложение в много индустрии.
Те се използват главно като високоскоростни задвижвания в машини, където се изисква контрол на скоростта, например в металообработващи механизми, минни асансьори и валцови мелници. В транспорта такива генератори се монтират на дизелови локомотиви и различни кораби. Много модели вятърни генератори се сглобяват на базата на източници на постоянно напрежение.
Генераторите за постоянен ток със специално предназначение се използват в заваряването, за възбуждане на намотките на генератори от синхронен тип, като усилватели на постоянен ток, за захранване на галванични и електролизни инсталации.
Целта на алтернатора е да генерира електричество в индустриален мащаб. Този вид енергия е даден на човечеството от Никола Тесла. Защо се използва широко ток с промяна на полярността, а не постоянен ток? Това се дължи на факта, че при предаване на постоянно напрежение има големи загуби в проводниците. И колкото по-дълъг е проводникът, толкова по-големи са загубите. AC напрежението може да се транспортира на огромни разстояния на много по-ниска цена. Освен това можете лесно да преобразувате променливото напрежение (намаляване и увеличаване), което е генерирано от 220 V генератор.
Заключение
Човекът не е разбрал напълно какво прониква във всичко около него. А електрическата енергия е само малка част от откритите тайни на Вселената. Машините, които наричаме генератори на енергия, са много прости по същество, но това, което могат да направят за нас, е просто невероятно. И все пак истинското чудо тук не е в техниката, а в човешката мисъл, която успя да проникне в неизчерпаемия резервоар от идеи, разлят в космоса!
Електрическият генератор е машина или инсталация, предназначена да преобразува неелектрическа енергия в електрическа: механична в електрическа, химическа в електрическа, термична в електрическа и т.н. Днес, когато казваме думата „генератор“, обикновено имаме предвид преобразувател на механична енергия енергия - в електрическа енергия.
Това може да бъде дизелов или бензинов преносим генератор, генератор за атомна електроцентрала, автомобилен генератор, домашен генератор от асинхронен електрически двигател или нискоскоростен генератор за вятърна мелница с ниска мощност. В края на статията ще разгледаме двата най-често срещани генератора като пример, но първо ще говорим за принципите на тяхната работа.
По един или друг начин, от физическа гледна точка, принципът на работа на всеки от механичните генератори е един и същ: когато линиите на магнитното поле пресичат проводник, в този проводник възниква индуцирана ЕДС. Източниците на сила, водещи до взаимното движение на проводника и магнитното поле, могат да бъдат различни процеси, но в резултат на това винаги е необходимо да се получи емф и ток от генератора за захранване на товара.
Принцип на действие на електрически генератор - закон на Фарадей
Принципът на действие на електрически генератор е открит през 1831 г. от английския физик Майкъл Фарадей. По-късно този принцип е наречен закон на Фарадей. Той се крие във факта, че когато проводник пресича магнитно поле перпендикулярно, в краищата на този проводник възниква потенциална разлика.
Първият генератор е построен от самия Фарадей според открития от него принцип; това беше „диск на Фарадей“ - еднополюсен генератор, в който меден диск се въртеше между полюсите на подковообразен магнит. Устройството произвежда значителен ток при ниско напрежение.
По-късно беше установено, че отделните изолирани проводници в генераторите са много по-ефективни от практическа гледна точка от твърд проводящ диск. И в съвременните генератори сега се използват жични статорни намотки (в най-простия демонстрационен случай, намотка от тел).
Алтернатор
По-голямата част от съвременните генератори са синхронни генератори на променлив ток. Те имат котвена намотка на статора, от която се отвежда генерираната електрическа енергия. На ротора има възбуждаща намотка, към която се подава постоянен ток през чифт контактни пръстени, за да се създаде въртящо се магнитно поле от въртящия се ротор.
Поради явлението електромагнитна индукция, когато роторът се върти от външно задвижване (например от двигател с вътрешно горене), неговият магнитен поток последователно пресича всяка от фазите на намотката на статора и по този начин индуцира ЕМП в тях.
Най-често има три фази, те са физически изместени на арматурата една спрямо друга на 120 градуса, така че се получава трифазен синусоидален ток. Фазите могат да бъдат свързани в конфигурация звезда или триъгълник, за да се получи.
Честотата на синусоидалната ЕМП f е пропорционална на честотата на въртене на ротора: f = np/60, където - p е броят на двойките магнитни плюсове на ротора, n е броят на оборотите на ротора в минута. Обикновено максималната скорост на ротора е 3000 rpm. Ако свържете трифазен токоизправител към статорните намотки на такъв синхронен генератор, ще получите генератор на постоянен ток (между другото, всички автомобилни генератори работят по този начин).
Синхронен генератор с три машини
Разбира се, класическият синхронен генератор има един сериозен недостатък - роторът има контактни пръстени и четки, съседни на тях. Четките искри и се износват поради триене и електрическа ерозия. Това не е допустимо във взривоопасна среда. Следователно в авиацията и в дизеловите генератори по-често се срещат безконтактни синхронни генератори, по-специално тези с три машини.
Тримашинните устройства имат три машини, монтирани в един корпус: предвъзбудител, възбудител и генератор - на общ вал. Предвъзбудителят е синхронен генератор, възбужда се от постоянни магнити на вала, генерираното от него напрежение се подава към статорната намотка на възбудителя.
Статорът на възбудителя действа върху намотка на ротора, свързана с прикрепен към него трифазен токоизправител, от който се захранва основната намотка на възбуждане на генератора. Генераторът генерира ток в своя статор.
Газови, дизелови и бензинови преносими генератори
Днес те са много разпространени в домакинствата, които използват двигатели с вътрешно горене като задвижващи двигатели - двигател с вътрешно горене, който предава механично въртене към ротора на генератора.
Генераторите на течно гориво имат резервоари за гориво, докато газовите генератори трябва да доставят гориво през тръбопровод, така че газът след това да се подава към карбуратора, където става неразделна част от горивната смес.
Във всички случаи горивната смес се изгаря в бутална система, задвижваща коляновия вал. Подобно е на това как работи автомобилен двигател. Коляновият вал върти ротора на безконтактен синхронен генератор (алтернатор).
Андрей Повни
Това е подреденото движение на определени заредени частици. За да се използва компетентно пълният потенциал на електричеството, е необходимо ясно да се разберат всички принципи на структурата и работата на електрическия ток. И така, нека да разберем какво е работа и текуща мощност.
Откъде изобщо идва електрическият ток?
Въпреки привидната простота на въпроса, малцина са в състояние да дадат разбираем отговор на него. Разбира се, в наши дни, когато технологиите се развиват с невероятна скорост, хората не мислят много за такива основни неща като принципа на действие на електрическия ток. Откъде идва електричеството? Със сигурност мнозина ще отговорят: „Е, от контакта, разбира се“ или просто ще свият рамене. Междувременно е много важно да разберете как работи токът. Това трябва да знаят не само учените, но и хората, които по никакъв начин не са свързани със света на науката, за тяхното цялостно многостранно развитие. Но не всеки може компетентно да използва принципа на работа на тока.
Така че, първо трябва да разберете, че електричеството не се появява от нищото: то се произвежда от специални генератори, които се намират в различни електроцентрали. Благодарение на въртенето на лопатките на турбината, парата, получена при нагряване на вода с въглища или масло, произвежда енергия, която впоследствие се преобразува в електричество с помощта на генератор. Конструкцията на генератора е много проста: в центъра на устройството има огромен и много силен магнит, който принуждава електрическите заряди да се движат по медни проводници.
Как електрическият ток достига до домовете ни?
След генериране на определено количество електрически ток с помощта на енергия (топлинна или ядрена), той може да бъде доставен на хората. Това снабдяване с електричество работи по следния начин: за да може електричеството да достигне успешно до всички апартаменти и предприятия, то трябва да бъде „избутано“. И за това ще трябва да увеличите силата, която ще направи това. Нарича се напрежение на електрически ток. Принципът на действие е следният: токът преминава през трансформатор, което увеличава напрежението му. След това електрическият ток протича през кабели, монтирани дълбоко под земята или на височина (тъй като напрежението понякога достига 10 000 волта, което е смъртоносно за хората). Когато токът достигне местоназначението си, той трябва отново да премине през трансформатора, който сега ще намали неговото напрежение. След това се движи по жиците до инсталираните разпределителни табла в жилищни сгради или други сгради.
Електричеството, пренасяно през проводниците, може да се използва благодарение на система от контакти, свързващи домакински уреди към тях. В стените има допълнителни проводници, през които протича електрически ток, и благодарение на това осветлението и цялото оборудване в къщата работят.
Каква е текущата работа?
Енергията, пренасяна от електрически ток, се преобразува с времето в светлина или топлина. Например, когато включим лампа, електрическата форма на енергия се превръща в светлина.
Казано на прост език, работата на тока е действието, което произвежда самото електричество. Освен това може много лесно да се изчисли с помощта на формулата. Въз основа на закона за запазване на енергията можем да заключим, че електрическата енергия не е загубена, тя напълно или частично е преминала в друга форма, отделяйки определено количество топлина. Тази топлина е работата, извършена от тока, когато той преминава през проводника и го нагрява (възниква топлообмен). Ето как изглежда формулата на Джаул-Ленц: A = Q = U*I*t (работата е равна на количеството топлина или произведението на текущата мощност и времето, през което тя протича през проводника).
Какво означава постоянен ток?
Електрическият ток е два вида: променлив и постоянен. Те се различават по това, че последният не променя посоката си, има две скоби (положителен "+" и отрицателен "-") и винаги започва движението си от "+". А променливият ток има два извода - фаза и нула. Именно поради наличието на една фаза в края на проводника той се нарича още монофазен.
Принципите на проектиране на еднофазен променлив и постоянен електрически ток са напълно различни: за разлика от постоянния, променливият ток променя както посоката си (образувайки поток както от фаза към нула, така и от нула към фаза), така и неговата величина. Например променливият ток периодично променя стойността на своя заряд. Оказва се, че при честота 50 Hz (50 трептения в секунда) електроните сменят посоката на движение точно 100 пъти.
Къде се използва DC?
Постоянният електрически ток има някои характеристики. Поради факта, че тече строго в една посока, е по-трудно да се трансформира. Следните елементи могат да се считат за източници на постоянен ток:
- батерии (както алкални, така и киселинни);
- обикновени батерии, използвани в малки устройства;
- както и различни устройства като конвертори.
DC работа
Какви са основните му характеристики? Това е работа и текуща мощност и двете понятия са много тясно свързани помежду си. Мощността се отнася до скоростта на работа за единица време (за 1 s). Според закона на Джаул-Ленц откриваме, че работата, извършена от постоянен електрически ток, е равна на произведението от силата на самия ток, напрежението и времето, през което е извършена работата на електрическото поле за пренасяне на заряди по протежение на проводника.
Това е формулата за намиране на работата на тока, като се вземе предвид законът на Ом за съпротивлението в проводниците: A = I 2 *R*t (работата е равна на квадрата на тока, умножен по стойността на съпротивлението на проводника и отново умножено по времето, през което е извършена работата).
Терминът "генерация" в електротехниката идва от латински. Това означава "раждане". По отношение на енергията можем да кажем, че генераторите са технически устройства, които произвеждат електричество.
Трябва да се отбележи, че електрическият ток може да бъде произведен чрез преобразуване на различни видове енергия, например:
химически;
светлина;
термични и други.
Исторически генераторите са структури, които преобразуват ротационната кинетична енергия в електричество.
Според вида на генерираната електроенергия генераторите биват:
1. DC;
2. променлив.
Физическите закони, които правят възможно създаването на съвременни електрически инсталации за генериране на електричество чрез трансформация на механична енергия, са открити от учените Ерстед и Фарадей.
При проектирането на всеки генератор се реализира, когато електрическият ток се индуцира в затворена рамка поради пресичането му с въртящо се магнитно поле, което се създава в опростени модели за домашна употреба или чрез възбуждащи намотки на промишлени продукти с висока мощност.
Когато рамката се върти, големината на магнитния поток се променя.
Електродвижещата сила, индуцирана в намотката, зависи от скоростта на промяна на магнитния поток, преминаващ през рамката в затворен контур S, и е право пропорционална на нейната стойност. Колкото по-бързо се върти роторът, толкова по-високо е генерираното напрежение.
За да се създаде затворена верига и да се източи електрически ток от нея, беше необходимо да се създаде колектор и четка, която осигурява постоянен контакт между въртящата се рамка и неподвижната част на веригата.
Благодарение на конструкцията на пружинните четки, които се притискат към комутаторните пластини, електрическият ток се предава към изходните клеми, а от тях след това се влива в консуматорската мрежа.
Принципът на работа на най-простия DC генератор
Когато рамката се върти около оста си, лявата и дясната й половина преминават циклично близо до южния или северния полюс на магнитите. При тях всеки път посоките на токовете се променят на противоположни, така че на всеки полюс те текат в една посока.
За да се създаде постоянен ток в изходната верига, на колекторния възел се създава полупръстен за всяка половина на намотката. Четките, съседни на пръстена, премахват потенциала само на техния знак: положителен или отрицателен.
Тъй като полупръстенът на въртящата се рамка е отворен, в него се създават моменти, когато токът достигне максималната си стойност или отсъства. За да се поддържа не само посоката, но и постоянна стойност на генерираното напрежение, рамката е изработена по специално подготвена технология:
използва не един завой, а няколко - в зависимост от стойността на планираното напрежение;
броят на кадрите не е ограничен до едно копие: те се опитват да ги направят достатъчни, за да поддържат оптимално падането на напрежението на същото ниво.
За DC генератор намотките на ротора са разположени в слотове. Това ви позволява да намалите загубите на индуцираното електромагнитно поле.
Конструктивни характеристики на генератори за постоянен ток
Основните елементи на устройството са:
външна захранваща рамка;
магнитни полюси;
статор;
въртящ се ротор;
превключващ блок с четки.
Тялото е изработено от стоманени сплави или чугун, за да осигури механична здравина на цялостната конструкция. Допълнителна задача на корпуса е да предава магнитен поток между полюсите.
Магнитните полюси са прикрепени към корпуса с шпилки или болтове. На тях е монтирана намотка.
Статорът, наричан още ярем или ядро, е направен от феромагнитни материали. Върху него е поставена намотката на възбудителната намотка. Ядро на статораснабден с магнитни полюси, които формират неговото магнитно поле.
Роторът има синоним: котва. Неговата магнитна сърцевина се състои от ламинирани плочи, които намаляват образуването на вихрови токове и повишават ефективността. Жлебовете на сърцевината съдържат намотките на ротора и/или самовъзбуждането.
Комутационен възелс четките може да има различен брой полюси, но той винаги е кратен на две. Материалът на четката обикновено е графит. Колекторните пластини са изработени от мед, като най-оптималния метал, подходящ за електрическите свойства на проводимостта на тока.
Благодарение на използването на комутатор, на изходните клеми на DC генератора се генерира пулсиращ сигнал.
Основни типове конструкции на генератори за постоянен ток
В зависимост от вида на захранването на възбуждащата намотка се разграничават устройства:
1. със самовъзбуждане;
2. работа на базата на самостоятелно включване.
Първите продукти могат:
използвайте постоянни магнити;
или работят от външни източници, например батерии, вятърна енергия...
Генераторите с независимо превключване работят от собствена намотка, която може да бъде свързана:
последователно;
шунтове или паралелно възбуждане.
Една от опциите за такава връзка е показана на диаграмата.
Пример за генератор на постоянен ток е дизайн, който преди това често се използваше в автомобилни приложения. Структурата му е същата като тази на асинхронния двигател.
Такива колекторни структури могат да работят едновременно в режим на двигател или генератор. Поради това те са широко разпространени в съществуващите хибридни автомобили.
Процесът на образуване на реакция на котва
Това се случва в режим на празен ход, когато силата на натискане на четката е неправилно регулирана, създавайки неоптимален режим на тяхното триене. Това може да доведе до намалени магнитни полета или пожар поради повишено генериране на искри.
Начините за намаляването му са:
компенсиране на магнитни полета чрез свързване на допълнителни полюси;
регулиране на изместването на позицията на четките на комутатора.
Предимства на DC генераторите
Те включват:
няма загуби поради хистерезис и образуване на вихрови токове;
работа в екстремни условия;
намалено тегло и малки размери.
Принципът на работа на най-простия генератор на променлив ток
Вътре в този дизайн се използват всички същите части, както в предишния аналог:
магнитно поле;
въртяща се рамка;
колекторен възел с четки за токоотвеждане.
Основната разлика е в дизайна на комутаторния блок, който е създаден по такъв начин, че когато рамката се върти през четките, постоянно се създава контакт с нейната половина на рамката, без циклично да променя позицията си.
Поради това токът, променящ се според законите на хармониците във всяка половина, се предава напълно непроменен към четките и след това през тях към потребителската верига.
Естествено, рамката се създава чрез навиване не на един оборот, а на изчислен брой обороти за постигане на оптимално напрежение.
По този начин принципът на работа на генераторите за постоянен и променлив ток е общ, а разликите в дизайна са в производството:
колекторен възел с въртящ се ротор;
конфигурации на намотките на ротора.
Конструктивни характеристики на промишлени генератори за променлив ток
Нека разгледаме основните части на промишлен индукционен генератор, в който роторът получава въртеливо движение от близка турбина. Конструкцията на статора включва електромагнит (въпреки че магнитното поле може да бъде създадено от набор от постоянни магнити) и роторна намотка с определен брой завои.
Във всеки оборот се индуцира електродвижеща сила, която се добавя последователно във всеки от тях и формира на изходните клеми общата стойност на напрежението, подадено към силовата верига на свързаните консуматори.
За да се увеличи амплитудата на ЕМП на изхода на генератора, се използва специална конструкция на магнитната система, направена от две магнитни ядра чрез използването на специални класове електрическа стомана под формата на ламинирани плочи с жлебове. В тях са монтирани намотки.
Корпусът на генератора съдържа сърцевина на статора със слотове за поставяне на намотка, която създава магнитно поле.
Роторът, въртящ се върху лагери, също има магнитна верига с жлебове, вътре в която е монтирана намотка, която получава индуцираната ЕДС. Обикновено се избира хоризонтална посока за поставяне на оста на въртене, въпреки че има конструкции на генератори с вертикално разположение и съответна конструкция на лагера.
Между статора и ротора винаги се създава празнина, която е необходима, за да се осигури въртене и да се избегне задръстване. Но в същото време има загуба на енергия на магнитна индукция. Ето защо те се опитват да го направят възможно най-малко, като оптимално вземат предвид и двете изисквания.
Възбудителят, разположен на същия вал като ротора, е електрически генератор за постоянен ток с относително ниска мощност. Предназначението му е да доставя електричество на намотките на електрогенератор в състояние на независимо възбуждане.
Такива възбудители най-често се използват с конструкции на турбинни или хидравлични електрически генератори при създаване на основен или резервен метод на възбуждане.
Картината на индустриален генератор показва разположението на комутаторните пръстени и четките за събиране на токове от структурата на въртящия се ротор. По време на работа това устройство изпитва постоянни механични и електрически натоварвания. За преодоляването им се създава сложна конструкция, която по време на експлоатация изисква периодични проверки и превантивни мерки.
За намаляване на създадените оперативни разходи се използва друга, алтернативна технология, която също използва взаимодействието между въртящи се електромагнитни полета. На ротора се поставят само постоянни или електрически магнити, а напрежението се отстранява от неподвижна намотка.
При създаването на такава верига такъв дизайн може да се нарече терминът "алтернатор". Използва се в синхронни генератори: високочестотни, автомобилни, на дизелови локомотиви и кораби, инсталации на електроцентрали за производство на електроенергия.
Характеристики на синхронните генератори
Принцип на действие
Името и отличителната черта на действието се състои в създаването на твърда връзка между честотата на променливата електродвижеща сила, индуцирана в намотката на статора "f" и въртенето на ротора.
В статора е монтирана трифазна намотка, а на ротора има електромагнит със сърцевина и възбуждаща намотка, захранвана от DC вериги чрез четков комутатор.
Роторът се задвижва във въртене от източник на механична енергия - задвижващ двигател - със същата скорост. Неговото магнитно поле извършва същото движение.
Електродвижещи сили с еднаква величина, но изместени на 120 градуса в посока, се индуцират в намотките на статора, създавайки трифазна симетрична система.
При свързване към краищата на намотките на потребителските вериги започват да действат фазовите токове във веригата, които образуват магнитно поле, което се върти по същия начин: синхронно.
Формата на изходния сигнал на индуцирания ЕМП зависи само от закона за разпределение на вектора на магнитната индукция вътре в междината между полюсите на ротора и плочите на статора. Следователно те се стремят да създадат такъв дизайн, когато величината на индукцията се променя според синусоидалния закон.
Когато междината има постоянна характеристика, векторът на магнитната индукция вътре в междината се създава във формата на трапец, както е показано на линейна графика 1.
Ако формата на ръбовете при полюсите се коригира до наклонена с разликата, променяща се до максималната стойност, тогава може да се постигне синусоидална форма на разпределение, както е показано от линия 2. Тази техника се използва на практика.
Вериги за възбуждане на синхронни генератори
Магнитодвижещата сила, възникваща върху намотката на възбуждане "OB" на ротора, създава неговото магнитно поле. За тази цел има различни дизайни на DC възбудители, базирани на:
1. контактен начин;
2. безконтактен метод.
В първия случай се използва отделен генератор, наречен възбудител "В". Неговата възбудителна намотка се захранва от допълнителен генератор на принципа на паралелно възбуждане, наречен "PV" подвъзбудител.
Всички ротори са поставени на общ вал. Поради това те се въртят абсолютно еднакво. Реостатите r1 и r2 служат за регулиране на токове във веригите на възбудителя и подвъзбудителя.
С безконтактен методНяма плъзгащи се пръстени на ротора. Директно върху него е монтирана намотка на трифазен възбудител. Той се върти синхронно с ротора и предава електрически постоянен ток през съвместно въртящ се токоизправител директно към намотката на възбудителя "B".
Видовете безконтактни вериги са:
1. система за самовъзбуждане от собствена статорна намотка;
2. автоматизирана схема.
С първия методнапрежението от намотките на статора се подава към понижаващ трансформатор и след това към полупроводников токоизправител "PP", който генерира постоянен ток.
При този метод първоначалното възбуждане се създава поради явлението остатъчен магнетизъм.
Автоматична схема за създаване на самовъзбуждане включва използването на:
трансформатор на напрежение TN;
автоматизиран регулатор на възбуждане AVR;
токов трансформатор CT;
токоизправителен трансформатор VT;
тиристорен преобразувател TP;
Блок за защита BZ.
Характеристики на асинхронните генератори
Основната разлика между тези конструкции е липсата на твърда връзка между скоростта на ротора (nr) и ЕМП, индуцирана в намотката (n). Между тях винаги има разлика, която се нарича "приплъзване". Означава се с латинската буква “S” и се изразява с формулата S=(n-nr)/n.
Когато товарът е свързан към генератора, се създава спирачен момент за въртене на ротора. Той влияе на честотата на генерирания ЕМП и създава отрицателно приплъзване.
Роторната структура на асинхронните генератори е направена:
късо съединение;
фаза;
кух.
Асинхронните генератори могат да имат:
1. независимо възбуждане;
2. самовъзбуждане.
В първия случай се използва външен източник на променливо напрежение, а във втория се използват полупроводникови преобразуватели или кондензатори в първичната, вторичната или и в двата вида вериги.
По този начин генераторите на променлив и постоянен ток имат много общи черти в принципите на конструкцията, но се различават в дизайна на определени елементи.