Der von einem Menschen erzeugte Strom kann ausreichen, um ein Mobiltelefon aufzuladen. Unsere Neuronen stehen unter ständiger Spannung und der Unterschied zwischen Leben und Tod kann anhand der elektrischen Wellen im Enzephalogramm bestimmt werden.
Behandlung mit Stachelrochen
Als Claudius Galen, der Sohn eines wohlhabenden Architekten und eines aufstrebenden Arztes, im antiken Rom spazierte, spazierte er an den Ufern des Mittelmeers entlang. Und dann bot sich ihm ein sehr seltsamer Anblick: Zwei Bewohner der umliegenden Dörfer kamen auf ihn zu, ihnen waren elektrische Stachelrochen an den Kopf gebunden! So beschreibt die Geschichte den ersten bekannten Fall der Anwendung von Physiotherapie mit Hilfe lebender Elektrizität. Die Methode wurde von Galen berücksichtigt, und auf solch ungewöhnliche Weise rettete er die Schmerzen nach den Wunden der Gladiatoren und heilte sogar den schmerzenden Rücken von Kaiser Mark Antonius selbst, der ihn bald darauf zu seinem Leibarzt ernannte.
Danach begegnete der Mensch mehr als einmal dem unerklärlichen Phänomen der „lebendigen Elektrizität“. Und die Erfahrung war nicht immer positiv. So trafen die Europäer einst, im Zeitalter der großen geographischen Entdeckungen, vor der Küste des Amazonas auf einheimische Zitteraale, die im Wasser eine elektrische Spannung von bis zu 550 Volt erzeugten. Wehe dem, der versehentlich in die Drei-Meter-Tötungszone gefallen ist.
Strom in jedem
Doch zum ersten Mal widmete sich die Wissenschaft der Elektrophysik, genauer gesagt der Fähigkeit lebender Organismen, Strom zu erzeugen, nach einem sehr lustigen Vorfall mit Froschschenkeln im 18. Jahrhundert, die an einem stürmischen Tag irgendwo in Bologna durch Kontakt zu zucken begannen mit Eisen. Die Frau des Bologna-Professors Luigi Galvatti, der wegen einer französischen Delikatesse in die Metzgerei kam, sah dieses schreckliche Bild und erzählte ihrem Mann von den bösen Geistern, die in der Nachbarschaft wüteten. Aber Galvatti betrachtete dies aus wissenschaftlicher Sicht und nach 25 Jahren harter Arbeit wurde sein Buch „Abhandlungen über die Kraft der Elektrizität in der Muskelbewegung“ veröffentlicht. Darin stellte der Wissenschaftler zunächst fest, dass in jedem von uns Elektrizität vorhanden sei und Nerven eine Art „elektrische Drähte“ seien.
Wie es funktioniert
Wie erzeugt ein Mensch Strom? Dies ist auf zahlreiche biochemische Prozesse zurückzuführen, die auf zellulärer Ebene ablaufen. In unserem Körper sind viele verschiedene Chemikalien vorhanden – Sauerstoff, Natrium, Kalzium, Kalium und viele andere. Ihre Reaktionen untereinander erzeugen elektrische Energie. Zum Beispiel beim Prozess der „Zellatmung“, wenn die Zelle Energie freisetzt, die aus Wasser, Kohlendioxid usw. gewonnen wird. Es wiederum wird in speziellen chemischen Hochenergieverbindungen, nennen wir sie „Speicher“, abgelegt und anschließend „nach Bedarf“ genutzt.
Aber das ist nur ein Beispiel – es gibt viele chemische Prozesse in unserem Körper, die Strom erzeugen. Jeder Mensch ist ein wahres Kraftpaket, das im Alltag genutzt werden kann.
Erzeugen wir viel Watt?
Menschliche Energie als alternative Energiequelle ist längst kein Traum von Science-Fiction-Autoren mehr. Der Mensch hat große Chancen als Stromerzeuger; er kann aus fast jeder unserer Handlungen erzeugt werden. Mit einem Atemzug können Sie also 1 W erreichen, und ein ruhiger Schritt reicht aus, um eine 60-W-Glühbirne mit Strom zu versorgen, und es reicht aus, um Ihr Telefon aufzuladen. So kann der Mensch das Problem mit Ressourcen und alternativen Energiequellen im wahrsten Sinne des Wortes selbst lösen.
Jetzt müssen wir nur noch lernen, die Energie, die wir so nutzlos verschwenden, dorthin zu übertragen, wo sie gebraucht wird. Und Forscher haben diesbezüglich bereits Vorschläge. Daher wird die Wirkung der Piezoelektrizität, die durch mechanische Einwirkung Spannung erzeugt, aktiv untersucht. Darauf aufbauend schlugen australische Wissenschaftler bereits 2011 ein Modell eines Computers vor, der durch Tastendruck aufgeladen werden sollte. In Korea entwickeln sie ein Telefon, das durch Gespräche, also durch Schallwellen, aufgeladen wird, und eine Gruppe von Wissenschaftlern des Georgia Institute of Technology hat einen funktionierenden Prototyp eines „Nanogenerators“ aus Zinkoxid erstellt Es wird in den menschlichen Körper implantiert und erzeugt bei jeder unserer Bewegungen Strom.
Aber das ist noch nicht alles: Um Solarpaneelen in einigen Städten zu helfen, werden sie Energie aus der Hauptverkehrszeit gewinnen, genauer gesagt aus Vibrationen, wenn Fußgänger und Autos gehen, und diese dann zur Beleuchtung der Stadt nutzen. Diese Idee wurde von Londoner Architekten des Büros Facility Architects vorgeschlagen. Sie sagen: „In Spitzenzeiten passieren 34.000 Menschen in 60 Minuten die Victoria Station. Man muss kein mathematisches Genie sein, um zu erkennen, dass, wenn diese Energie genutzt werden kann, tatsächlich eine sehr nützliche Energiequelle entstehen könnte, die derzeit verschwendet wird.“ Übrigens nutzen die Japaner dafür bereits Drehkreuze in der U-Bahn von Tokio, durch die täglich Hunderttausende Menschen passieren. Schließlich sind die Eisenbahnen die Hauptverkehrsadern im Land der aufgehenden Sonne.
„Wellen des Todes“
Lebendige Elektrizität ist übrigens die Ursache vieler sehr seltsamer Phänomene, die die Wissenschaft immer noch nicht erklären kann. Die vielleicht berühmteste davon ist die „Todeswelle“, deren Entdeckung zu einer neuen Phase der Debatte über die Existenz der Seele und die Natur der „Nahtoderfahrung“ führte, von der Menschen, die einen klinischen Tod erlebt haben, manchmal berichten .
Im Jahr 2009 wurden in einem der amerikanischen Krankenhäuser Enzephalogramme von neun Sterbenden erstellt, die zu diesem Zeitpunkt nicht mehr gerettet werden konnten. Das Experiment wurde durchgeführt, um einen langjährigen ethischen Streit darüber beizulegen, wann eine Person wirklich tot ist. Die Ergebnisse waren sensationell – nach dem Tod explodierte das Gehirn aller Probanden, die bereits hätten getötet werden sollen, buchstäblich – darin entstanden unglaublich starke Ausbrüche elektrischer Impulse, die noch nie bei einem lebenden Menschen beobachtet worden waren. Sie traten zwei bis drei Minuten nach dem Herzstillstand auf und dauerten etwa drei Minuten. Zuvor wurden ähnliche Experimente an Ratten durchgeführt, bei denen das Gleiche eine Minute nach dem Tod begann und 10 Sekunden dauerte. Wissenschaftler haben dieses Phänomen fatalistisch als „Todeswelle“ bezeichnet.
Die wissenschaftliche Erklärung für „Todeswellen“ hat viele ethische Fragen aufgeworfen. Laut einem der Experimentatoren, Dr. Lakhmir Chawla, werden solche Ausbrüche der Gehirnaktivität durch die Tatsache erklärt, dass Neuronen aufgrund von Sauerstoffmangel elektrisches Potenzial verlieren und sich entladen und „lawinenartige“ Impulse aussenden. „Lebende“ Neuronen stehen ständig unter einer kleinen negativen Spannung von 70 Minivolt, die durch die Entfernung positiver Ionen, die draußen bleiben, aufrechterhalten wird. Nach dem Tod ist das Gleichgewicht gestört und die Polarität der Neuronen wechselt schnell von „Minus“ zu „Plus“. Daher die „Todeswelle“.
Wenn diese Theorie richtig ist, zieht die „Todeswelle“ im Enzephalogramm die schwer fassbare Grenze zwischen Leben und Tod. Danach kann die Funktion des Neurons nicht wiederhergestellt werden, der Körper kann keine elektrischen Impulse mehr empfangen. Mit anderen Worten: Es hat keinen Sinn mehr, dass Ärzte um das Leben eines Menschen kämpfen.
Was aber, wenn man das Problem von der anderen Seite betrachtet? Schlagen Sie vor, dass die „Todeswelle“ der letzte Versuch des Gehirns ist, dem Herzen eine elektrische Entladung zu verabreichen, um seine Funktion wiederherzustellen. In diesem Fall sollten Sie während der „Todeswelle“ nicht die Arme verschränken, sondern diese Chance nutzen, um Leben zu retten. Das sagt der Wiederbelebungsarzt Lance-Becker von der University of Pennsylvania und weist darauf hin, dass es Fälle gegeben hat, in denen eine Person nach einer „Welle“ „zum Leben erweckt“ wurde, was bedeutet, dass ein heller Anstieg elektrischer Impulse im menschlichen Körper ausgelöst wurde. und dann ein Rückgang kann noch nicht als letzte Schwelle angesehen werden.
Elektrischer Strom ist die wichtigste Energieart, die in allen Bereichen des menschlichen Lebens nützliche Arbeit leistet. Es setzt verschiedene Mechanismen in Gang, sorgt für Licht, heizt Häuser und belebt eine ganze Reihe von Geräten, die für unser angenehmes Leben auf dem Planeten sorgen. Diese Art von Energie ist wirklich universell. Man kann damit alles erreichen und bei unsachgemäßer Verwendung sogar großen Schaden anrichten.
Aber es gab eine Zeit, in der elektrische Effekte zwar noch in der Natur vorhanden waren, den Menschen aber in keiner Weise halfen. Was hat sich seitdem geändert? Die Menschen begannen, physikalische Phänomene zu studieren und entwickelten interessante Maschinen – Konverter, die im Allgemeinen einen revolutionären Sprung in unserer Zivilisation machten und es einem Menschen ermöglichten, eine Energie von einer anderen zu empfangen.
So lernten die Menschen, aus gewöhnlichem Metall, Magneten und mechanischer Bewegung Strom zu erzeugen – das ist alles. Es wurden Generatoren gebaut, die enorme Energieströme in der Größenordnung von Megawatt erzeugen konnten. Interessant ist jedoch, dass das Funktionsprinzip dieser Maschinen nicht so kompliziert ist und selbst für einen Teenager durchaus verständlich sein kann. Was ist das? Versuchen wir, dieses Problem zu verstehen.
Elektromagnetischer Induktionseffekt
Die Grundlage für das Auftreten von elektrischem Strom in einem Leiter ist die elektromotorische Kraft – EMF. Es ist in der Lage, geladene Teilchen in Bewegung zu setzen, von denen es in jedem Metall viele gibt. Diese Kraft tritt nur dann auf, wenn der Leiter eine Änderung der Intensität des Magnetfelds erfährt. Der Effekt selbst wird elektromagnetische Induktion genannt. Je größer die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Wellenflusses ist, desto größer ist die EMK. Das heißt, Sie können einen Leiter in der Nähe eines Permanentmagneten bewegen oder einen stationären Draht mit dem Feld eines Elektromagneten beeinflussen und so seine Stärke ändern. Der Effekt ist der gleiche: Im Leiter entsteht ein elektrischer Strom.
Die Wissenschaftler Oersted und Faraday beschäftigten sich in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts mit dieser Frage. Sie entdeckten auch dieses physikalische Phänomen. Anschließend wurden Stromgeneratoren und Elektromotoren auf Basis elektromagnetischer Induktion geschaffen. Interessanterweise können diese Maschinen problemlos ineinander umgewandelt werden.
Wie funktionieren Gleich- und Wechselstromgeneratoren?
Es ist klar, dass ein Stromgenerator eine elektromechanische Maschine ist, die Strom erzeugt. Aber in Wirklichkeit ist es ein Wandler von Energie: Wind, Wasser, Wärme, alles in eine EMF, die bereits einen Strom im Leiter verursacht. Der Aufbau eines Generators unterscheidet sich grundsätzlich nicht von einem geschlossenen Stromkreis, der sich zwischen den Polen eines Magneten dreht, wie in den ersten Experimenten von Wissenschaftlern. Lediglich die Stärke des magnetischen Flusses, der von leistungsstarken Permanent- oder häufiger Elektromagneten erzeugt wird, ist viel größer. Der geschlossene Stromkreis hat die Form einer mehrwindigen Wicklung, von der es in einem modernen Generator nicht eine, sondern mindestens drei gibt. All dies geschieht, um die größtmögliche EMF zu erhalten.
Ein Standard-Wechselstromgenerator (oder Gleichstromgenerator) besteht aus:
- Gehäuse. Erfüllt die Funktion eines Rahmens, in dem ein Stator mit Elektromagnetpolen montiert ist. Es enthält Wälzlager der Rotorwelle. Es besteht aus Metall und schützt auch die gesamte Innenfüllung der Maschine.
- Stator mit Magnetpolen. Daran ist die Magnetfluss-Erregerwicklung angebracht. Es besteht aus ferromagnetischem Stahl.
- Rotor oder Anker. Dabei handelt es sich um den beweglichen Teil des Generators, dessen Welle durch eine Fremdkraft in Rotation versetzt wird. Auf dem Ankerkern ist eine selbsterregende Wicklung angebracht, die den elektrischen Strom erzeugt.
- Knoten wechseln. Dieses Strukturelement dient der Stromableitung von der beweglichen Rotorwelle. Es umfasst leitfähige Ringe, die beweglich mit Stromsammelkontakten aus Graphit verbunden sind.
Erzeugung von Gleichstrom
Bei einem Generator, der Gleichstrom erzeugt, dreht sich der Stromkreis im magnetischen Sättigungsraum. Darüber hinaus befindet sich für einen bestimmten Moment der Drehung jede Hälfte des Stromkreises in der Nähe des einen oder anderen Pols. Die Ladung im Leiter bewegt sich während dieser halben Umdrehung in eine Richtung.
Um eine Partikelentfernung zu erreichen, wird ein Energieentfernungsmechanismus entwickelt. Seine Besonderheit besteht darin, dass jede Hälfte der Wicklung (Rahmen) mit einem leitenden Halbring verbunden ist. Die Halbringe sind nicht zueinander geschlossen, sondern an einem dielektrischen Material befestigt. Während der Zeit, in der ein Teil der Wicklung beginnt, einen bestimmten Pol zu passieren, wird der Halbring durch Bürstenkontaktgruppen in den Stromkreis geschlossen. Es stellt sich heraus, dass an jedem Terminal nur eine Art von Potenzial ankommt.
Es wäre richtiger, die Energie nicht als konstant, sondern als pulsierend mit konstanter Polarität zu bezeichnen. Welligkeit entsteht dadurch, dass der magnetische Fluss auf dem Leiter während der Drehung sowohl maximalen als auch minimalen Einfluss hat. Um diese Welligkeit auszugleichen, werden mehrere Wicklungen am Rotor und leistungsstarke Kondensatoren am Eingang der Schaltung verwendet. Um magnetische Flussverluste zu reduzieren, wird der Spalt zwischen Anker und Stator auf ein Minimum reduziert.
Lichtmaschinenschaltung
Wenn sich der bewegliche Teil des Stromerzeugungsgeräts dreht, wird wie bei einem Gleichstromgenerator auch eine EMF in den Rahmenleitern induziert. Es gibt jedoch eine kleine Besonderheit: Der Wechselstromgenerator hat ein anderes Design für die Kollektoreinheit. Darin ist jeder Anschluss mit einem eigenen leitfähigen Ring verbunden.
Das Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators ist wie folgt: Wenn die Hälfte der Wicklung in der Nähe eines Pols (die andere bzw. in der Nähe des Gegenpols) verläuft, bewegt sich der Strom im Stromkreis in eine Richtung von seinem minimalen zu seinem höchsten Wert und wieder auf Null. Sobald die Wicklungen ihre Position relativ zu den Polen ändern, beginnt sich der Strom nach dem gleichen Muster in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
In diesem Fall erhält man am Eingang der Schaltung eine Signalform in Form einer Sinuskurve mit einer Halbwellenfrequenz, die der Rotationsperiode der Rotorwelle entspricht. Um am Ausgang ein stabiles Signal zu erhalten, bei dem die Frequenz des Generators konstant ist, muss die Rotationsperiode des mechanischen Teils konstant sein.
Gasart
Bauformen von Stromgeneratoren, bei denen anstelle eines Metallrahmens ein leitendes Plasma, eine Flüssigkeit oder ein Gas als Ladungsträger verwendet wird, werden als MHD-Generatoren bezeichnet. Unter Druck stehende Substanzen werden in ein magnetisches Feld getrieben. Unter dem Einfluss derselben induzierten EMK erlangen geladene Teilchen eine gerichtete Bewegung und erzeugen einen elektrischen Strom. Die Stärke des Stroms ist direkt proportional zur Durchgangsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses sowie seiner Leistung.
MHD-Generatoren haben eine einfachere Konstruktionslösung – sie verfügen nicht über einen Rotorrotationsmechanismus. Solche Netzteile sind in der Lage, in kurzen Zeiträumen große Energiemengen zu liefern. Sie werden als Backup-Geräte und in Notsituationen eingesetzt. Der Koeffizient, der die Nutzwirkung (Wirkungsgrad) dieser Maschinen bestimmt, ist höher als der eines elektrischen Wechselstromgenerators.
Synchroner Wechselstromgenerator
Es gibt folgende Arten von Wechselstromgeneratoren:
- Die Maschinen sind synchron.
- Die Maschinen sind asynchron.
Bei einem Synchrongenerator besteht eine strenge physikalische Beziehung zwischen der Drehbewegung des Rotors und der Elektrizität. In solchen Systemen ist der Rotor ein Elektromagnet, der aus Kernen, Polen und Erregerwicklungen zusammengesetzt ist. Letztere werden über Bürsten und Ringkontakte von einer Gleichstromquelle gespeist. Der Stator ist eine Drahtspule, die nach dem Sternprinzip mit einem gemeinsamen Punkt – dem Nullpunkt – miteinander verbunden ist. In ihnen wird bereits EMF induziert und Strom erzeugt.
Der Antrieb der Rotorwelle erfolgt durch eine äußere Kraft, meist Turbinen, deren Frequenz synchronisiert und konstant ist. Der an einen solchen Generator angeschlossene Stromkreis ist ein dreiphasiger Stromkreis, dessen Stromfrequenz in einer separaten Leitung gegenüber den anderen Leitungen um 120 Grad phasenverschoben ist. Um die richtige Sinuskurve zu erhalten, wird die Richtung des magnetischen Flusses im Spalt zwischen den Stator- und Rotorteilen durch deren Konstruktion gesteuert.
Der Generator wird auf zwei Arten erregt:
- Kontakt.
- Kontaktlos.
In einem Kontakterregerkreis wird den Elektromagnetwicklungen über ein Bürstenpaar von einem anderen Generator Strom zugeführt. Dieser Generator kann mit der Hauptwelle kombiniert werden. Normalerweise hat es weniger Leistung, reicht aber aus, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen.
Das berührungslose Prinzip sieht vor, dass der Synchron-Wechselstromgenerator auf der Welle zusätzliche Drehstromwicklungen aufweist, in denen bei Rotation eine EMK induziert und Strom erzeugt wird. Es wird über einen Gleichrichterkreis den Erregerspulen des Rotors zugeführt. Strukturell verfügt ein solches System über keine beweglichen Kontakte, was das System vereinfacht und zuverlässiger macht.
Asynchrongenerator
Es gibt einen asynchronen Wechselstromgenerator. Sein Gerät unterscheidet sich vom synchronen. Es gibt keine genaue Abhängigkeit der EMF von der Frequenz, mit der sich die Rotorwelle dreht. Es gibt ein Konzept wie „Slip S“, das diesen Einflussunterschied charakterisiert. Die Größe des Schlupfes wird durch Berechnung ermittelt. Daher ist es falsch zu glauben, dass es für den elektromechanischen Prozess in einem Asynchronmotor kein Muster gibt.
Wenn ein im Leerlauf laufender Generator belastet wird, erzeugt der in den Wicklungen fließende Strom einen magnetischen Fluss, der verhindert, dass sich der Rotor mit einer bestimmten Frequenz dreht. Dadurch entsteht Schlupf, der sich natürlich auf die Erzeugung von EMF auswirkt.
Ein moderner asynchroner Wechselstromgenerator verfügt über eine bewegliche Teilvorrichtung in drei verschiedenen Ausführungen:
- Hohlrotor.
- Käfigläufer.
- Schlupfrotor.
Solche Maschinen können selbsterregt und unabhängig erregt sein. Die erste Schaltung wird durch den Einbau von Kondensatoren und Halbleiterwandlern in die Wicklung realisiert. Die unabhängige Erregung erfolgt durch eine zusätzliche Wechselstromquelle.
Anschlusspläne des Generators
Alle Hochleistungsstromquellen für Stromleitungen erzeugen dreiphasigen elektrischen Strom. Sie enthalten drei Wicklungen, in denen Wechselströme mit jeweils um 1/3 der Periode gegeneinander verschobener Phase erzeugt werden. Betrachtet man jede einzelne Wicklung einer solchen Stromquelle, erhält man einen einphasigen Wechselstrom, der in die Leitung fließt. Ein Generator kann eine Spannung von mehreren zehntausend Volt erzeugen. Der Verbraucher erhält vom Verteiltransformator.
Jeder Wechselstromgenerator verfügt über eine Standardwickelvorrichtung, es gibt jedoch zwei Arten der Verbindung zur Last:
- Stern;
- Dreieck.
Das Funktionsprinzip eines sterngeschalteten Wechselstromgenerators besteht darin, alle Drähte (Neutralleiter) zu einem zusammenzufassen, der von der Last zurück zum Generator führt. Dies liegt daran, dass das Signal (elektrischer Strom) hauptsächlich über den ausgehenden Wicklungsdraht (linear) übertragen wird, der als Phase bezeichnet wird. In der Praxis ist dies sehr praktisch, da für den Anschluss des Verbrauchers nicht drei zusätzliche Leitungen gezogen werden müssen. Die Spannung zwischen den Leitungsdrähten und den Leitungs- und Neutralleitern ist unterschiedlich.
Durch die Verbindung der Generatorwicklungen mit einem Dreieck werden diese in Reihe zu einem Stromkreis geschlossen. Von ihren Anschlusspunkten werden Leitungen zum Verbraucher gezogen. Dann ist überhaupt kein Neutralleiter erforderlich und die Spannung an jeder Leitung ist unabhängig von der Last gleich.
Der Vorteil des Drehstroms gegenüber dem Einphasenstrom liegt in der geringeren Welligkeit bei der Gleichrichtung. Dies wirkt sich positiv auf die angetriebenen Geräte aus, insbesondere auf Gleichstrommotoren. Außerdem erzeugt der Drehstrom einen rotierenden Magnetfeldfluss, der leistungsstarke Asynchronmotoren antreiben kann.
Wo sind Gleich- und Wechselstromgeneratoren einsetzbar?
Gleichstromgeneratoren sind in Größe und Gewicht deutlich kleiner als Wechselstrommaschinen. Obwohl sie komplexer aufgebaut sind als letztere, haben sie dennoch in vielen Branchen Anwendung gefunden.
Sie werden hauptsächlich als Hochgeschwindigkeitsantriebe in Maschinen eingesetzt, bei denen eine Geschwindigkeitsregelung erforderlich ist, beispielsweise in Metallbearbeitungsmechanismen, Bergwerksaufzügen und Walzwerken. Im Transportwesen werden solche Generatoren auf Diesellokomotiven und verschiedenen Schiffen installiert. Viele Modelle von Windgeneratoren werden auf Basis von Konstantspannungsquellen aufgebaut.
Spezielle Gleichstromgeneratoren werden beim Schweißen, zur Erregung der Wicklungen von Synchrongeneratoren, als Gleichstromverstärker und zur Versorgung von Galvanik- und Elektrolyseanlagen eingesetzt.
Der Zweck eines Generators besteht darin, Strom im industriellen Maßstab zu erzeugen. Diese Art von Energie wurde der Menschheit von Nikola Tesla geschenkt. Warum wird häufig polaritätswechselnder Strom und nicht konstanter Strom verwendet? Dies liegt daran, dass bei der Übertragung konstanter Spannung große Verluste in den Leitungen entstehen. Und je länger der Draht ist, desto höher sind die Verluste. Wechselspannung kann zu wesentlich geringeren Kosten über große Entfernungen transportiert werden. Darüber hinaus können Sie die Wechselspannung, die von einem 220-V-Generator erzeugt wurde, problemlos umwandeln (senken und erhöhen).
Abschluss
Der Mensch hat nicht vollständig verstanden, was alles um ihn herum durchdringt. Und elektrische Energie ist nur ein kleiner Teil der offenen Geheimnisse des Universums. Die Maschinen, die wir Stromgeneratoren nennen, sind im Wesentlichen sehr einfach, aber was sie für uns tun können, ist einfach erstaunlich. Doch das wahre Wunder liegt hier nicht in der Technologie, sondern im menschlichen Denken, das in der Lage war, das unerschöpfliche Reservoir an im Weltraum verschütteten Ideen zu durchdringen!
Ein elektrischer Generator ist eine Maschine oder Anlage, die nichtelektrische Energie in elektrische Energie umwandelt: mechanische in elektrische, chemische in elektrische, thermische in elektrische Energie usw. Wenn wir heute das Wort „Generator“ sagen, meinen wir im Allgemeinen einen Konverter von mechanische Energie. Energie - in elektrische Energie.
Dies kann ein tragbarer Diesel- oder Benzingenerator, ein Kernkraftwerksgenerator, ein Autogenerator, ein selbstgebauter Generator aus einem asynchronen Elektromotor oder ein langsam laufender Generator für eine Windmühle mit geringer Leistung sein. Am Ende des Artikels betrachten wir beispielhaft die beiden gängigsten Generatoren, sprechen aber zunächst über die Funktionsprinzipien.
Aus physikalischer Sicht ist das Funktionsprinzip jedes mechanischen Generators auf die eine oder andere Weise das gleiche: Wenn die magnetischen Feldlinien einen Leiter kreuzen, entsteht in diesem Leiter eine induzierte EMK. Die Kraftquellen, die zur gegenseitigen Bewegung des Leiters und des Magnetfelds führen, können verschiedene Prozesse sein. Daher ist es jedoch immer erforderlich, vom Generator eine EMK und einen Strom zu erhalten, um die Last mit Strom zu versorgen.
Funktionsprinzip eines elektrischen Generators – Faradaysches Gesetz
Das Funktionsprinzip eines elektrischen Generators wurde bereits 1831 vom englischen Physiker Michael Faraday entdeckt. Dieses Prinzip wurde später Faradaysches Gesetz genannt. Es liegt darin, dass, wenn ein Leiter ein Magnetfeld senkrecht kreuzt, an den Enden dieses Leiters eine Potentialdifferenz entsteht.
Den ersten Generator baute Faraday selbst nach dem von ihm entdeckten Prinzip; es handelte sich um eine „Faraday-Scheibe“ – einen unipolaren Generator, bei dem eine Kupferscheibe zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten rotierte. Das Gerät erzeugte bei niedriger Spannung einen erheblichen Strom.
Später stellte sich heraus, dass einzelne isolierte Leiter in Generatoren aus praktischer Sicht viel effektiver sind als eine massive leitende Scheibe. Und in modernen Generatoren kommen mittlerweile Draht-Statorwicklungen zum Einsatz (im einfachsten Demonstrationsfall eine Drahtspule).
Generator
Die überwiegende Mehrheit der modernen Generatoren sind synchrone Wechselstromgeneratoren. Sie verfügen über eine Ankerwicklung am Stator, aus der die erzeugte elektrische Energie entnommen wird. Auf dem Rotor befindet sich eine Erregerwicklung, der über ein Paar Schleifringe Gleichstrom zugeführt wird, um vom rotierenden Rotor ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Wenn sich der Rotor aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion von einem externen Antrieb (z. B. von einem Verbrennungsmotor) dreht, kreuzt sein magnetischer Fluss abwechselnd jede der Phasen der Statorwicklung und induziert so eine EMF in ihnen.
Meistens gibt es drei Phasen, die auf dem Anker physikalisch um 120 Grad gegeneinander verschoben sind, sodass ein dreiphasiger Sinusstrom entsteht. Um dies zu erreichen, können die Phasen in Stern- oder Dreieckschaltung angeschlossen werden.
Die Frequenz der sinusförmigen EMK f ist proportional zur Rotorrotationsfrequenz: f = np/60, wobei - p die Anzahl der Paare magnetischer Pluspunkte des Rotors ist, n die Anzahl der Rotorumdrehungen pro Minute. Typischerweise beträgt die maximale Rotorgeschwindigkeit 3000 U/min. Wenn man an die Statorwicklungen eines solchen Synchrongenerators einen Drehstromgleichrichter anschließt, erhält man einen Gleichstromgenerator (übrigens funktionieren alle Autogeneratoren auf diese Weise).
Drei-Maschinen-Synchrongenerator
Natürlich hat der klassische Synchrongenerator einen gravierenden Nachteil: Der Rotor verfügt über Schleifringe und angrenzende Bürsten. Bürsten erzeugen Funkenbildung und verschleißen durch Reibung und elektrische Erosion. Dies ist in explosionsgefährdeter Umgebung nicht zulässig. In der Luftfahrt und bei Dieselgeneratoren sind daher berührungslose Synchrongeneratoren, insbesondere Dreimaschinengeneratoren, häufiger anzutreffen.
Bei Dreimaschinengeräten sind drei Maschinen in einem Gehäuse verbaut: ein Vorerreger, ein Erreger und ein Generator – auf einer gemeinsamen Welle. Der Vorerreger ist ein Synchrongenerator, er wird durch Permanentmagnete auf der Welle erregt, die von ihm erzeugte Spannung wird der Statorwicklung des Erregers zugeführt.
Der Erregerstator wirkt auf eine Wicklung am Rotor, die mit einem daran befestigten Dreiphasengleichrichter verbunden ist, von dem aus die Haupterregerwicklung des Generators gespeist wird. Der Generator erzeugt in seinem Stator Strom.
Tragbare Gas-, Diesel- und Benzingeneratoren
Heutzutage sind sie in Haushalten sehr verbreitet, die Verbrennungsmotoren als Antriebsmotoren verwenden – einen Verbrennungsmotor, der die mechanische Drehung auf den Rotor des Generators überträgt.
Flüssigbrennstoffgeneratoren verfügen über Kraftstofftanks, während Gasgeneratoren den Kraftstoff über eine Rohrleitung zuführen müssen, damit das Gas dann dem Vergaser zugeführt wird, wo es ein integraler Bestandteil des Kraftstoffgemisches wird.
In allen Fällen wird das Kraftstoffgemisch in einem Kolbensystem verbrannt und treibt so die Kurbelwelle an. Es ähnelt der Funktionsweise eines Automotors. Die Kurbelwelle dreht den Rotor eines kontaktlosen Synchrongenerators (Lichtmaschine).
Andrey Povny
Dies ist die geordnete Bewegung bestimmter geladener Teilchen. Um das volle Potenzial der Elektrizität kompetent nutzen zu können, ist es notwendig, alle Prinzipien des Aufbaus und der Funktionsweise von elektrischem Strom klar zu verstehen. Lassen Sie uns also herausfinden, was Arbeit und aktuelle Leistung sind.
Woher kommt überhaupt elektrischer Strom?
Trotz der scheinbaren Einfachheit der Frage sind nur wenige in der Lage, eine verständliche Antwort darauf zu geben. Natürlich denken die Menschen heutzutage, wo sich die Technologie mit unglaublicher Geschwindigkeit weiterentwickelt, nicht viel über so grundlegende Dinge wie das Funktionsprinzip des elektrischen Stroms nach. Woher kommt Strom? Sicherlich werden viele antworten: „Na ja, natürlich aus der Steckdose“ oder einfach nur mit den Schultern zucken. In der Zwischenzeit ist es sehr wichtig zu verstehen, wie Strom funktioniert. Dies sollte nicht nur Wissenschaftlern bekannt sein, sondern auch Menschen, die in keiner Weise mit der Welt der Wissenschaft verbunden sind, für ihre insgesamt vielfältige Entwicklung. Aber nicht jeder kann das Funktionsprinzip des Stroms kompetent nutzen.
Zunächst sollten Sie also verstehen, dass Strom nicht aus dem Nichts entsteht: Er wird von speziellen Generatoren erzeugt, die in verschiedenen Kraftwerken stehen. Dank der Rotation von Turbinenschaufeln erzeugt Dampf, der durch Erhitzen von Wasser mit Kohle oder Öl erzeugt wird, Energie, die anschließend mit Hilfe eines Generators in Strom umgewandelt wird. Der Aufbau des Generators ist sehr einfach: In der Mitte des Geräts befindet sich ein riesiger und sehr starker Magnet, der elektrische Ladungen dazu zwingt, sich entlang von Kupferdrähten zu bewegen.
Wie gelangt elektrischer Strom in unsere Häuser?
Nachdem eine bestimmte Menge an elektrischem Strom durch Energie (thermisch oder nuklear) erzeugt wurde, kann diese an den Menschen abgegeben werden. Diese Stromversorgung funktioniert wie folgt: Damit der Strom erfolgreich alle Wohnungen und Betriebe erreichen kann, muss er „push“ sein. Und dafür müssen Sie die Kraft erhöhen, die dies bewirkt. Man nennt sie elektrische Stromspannung. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Strom fließt durch einen Transformator, wodurch seine Spannung erhöht wird. Als nächstes fließt der elektrische Strom durch Kabel, die tief unter der Erde oder in der Höhe verlegt sind (da die Spannung manchmal 10.000 Volt erreicht, was für Menschen tödlich ist). Wenn der Strom sein Ziel erreicht, muss er erneut durch den Transformator fließen, der nun seine Spannung reduziert. Anschließend gelangt es über Leitungen zu installierten Schalttafeln in Mehrfamilienhäusern oder anderen Gebäuden.
Der durch die Leitungen transportierte Strom kann dank eines Steckdosensystems genutzt werden, an das Haushaltsgeräte angeschlossen werden. In den Wänden befinden sich zusätzliche Drähte, durch die elektrischer Strom fließt, und dank dieser funktionieren die Beleuchtung und alle Geräte im Haus.
Was ist aktuelle Arbeit?
Die von einem elektrischen Strom transportierte Energie wird im Laufe der Zeit in Licht oder Wärme umgewandelt. Wenn wir beispielsweise eine Lampe einschalten, verwandelt sich die elektrische Energieform in Licht.
Vereinfacht ausgedrückt ist die Arbeit des Stroms die Wirkung, die Elektrizität selbst hervorruft. Darüber hinaus lässt es sich mithilfe der Formel sehr einfach berechnen. Basierend auf dem Energieerhaltungssatz können wir schließen, dass elektrische Energie nicht verloren gegangen ist, sondern ganz oder teilweise in eine andere Form übergegangen ist und dabei eine bestimmte Wärmemenge abgegeben hat. Diese Wärme ist die Arbeit, die der Strom verrichtet, wenn er durch den Leiter fließt und ihn erwärmt (Wärmeaustausch findet statt). So sieht die Joule-Lenz-Formel aus: A = Q = U*I*t (Arbeit ist gleich der Wärmemenge oder dem Produkt aus der aktuellen Leistung und der Zeit, in der sie durch den Leiter fließt).
Was bedeutet Gleichstrom?
Es gibt zwei Arten von elektrischem Strom: Wechselstrom und Gleichstrom. Sie unterscheiden sich darin, dass letzterer seine Richtung nicht ändert, zwei Klemmen hat (positiv „+“ und negativ „-“) und seine Bewegung immer bei „+“ beginnt. Und Wechselstrom hat zwei Anschlüsse – Phase und Null. Gerade wegen des Vorhandenseins einer Phase am Ende des Leiters wird er auch als einphasig bezeichnet.
Die Konstruktionsprinzipien von einphasigem Wechsel- und Gleichstrom sind völlig unterschiedlich: Im Gegensatz zu konstantem Wechselstrom ändert sich sowohl seine Richtung (er bildet einen Fluss sowohl von der Phase in Richtung Null als auch von Null in Richtung Phase) und seine Größe. Beispielsweise ändert Wechselstrom periodisch den Wert seiner Ladung. Es stellt sich heraus, dass Elektronen bei einer Frequenz von 50 Hz (50 Schwingungen pro Sekunde) genau 100 Mal die Richtung ihrer Bewegung ändern.
Wo wird Gleichstrom eingesetzt?
Gleichstrom hat einige Eigenschaften. Aufgrund der Tatsache, dass es streng in eine Richtung fließt, ist es schwieriger, es umzuwandeln. Die folgenden Elemente können als Gleichstromquellen betrachtet werden:
- Batterien (sowohl Alkali- als auch Säurebatterien);
- gewöhnliche Batterien, die in kleinen Geräten verwendet werden;
- sowie verschiedene Geräte wie Konverter.
Gleichstrombetrieb
Was sind seine Hauptmerkmale? Das ist Arbeit und aktuelle Macht, und beide Konzepte sind sehr eng miteinander verbunden. Unter Leistung versteht man die Arbeitsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit (pro 1 s). Nach dem Joule-Lenz-Gesetz stellen wir fest, dass die von einem elektrischen Gleichstrom geleistete Arbeit gleich dem Produkt aus der Stärke des Stroms selbst, der Spannung und der Zeit ist, in der die Arbeit des elektrischen Feldes zur Ladungsübertragung verrichtet wurde entlang des Dirigenten.
Dies ist die Formel zur Ermittlung der Stromarbeit unter Berücksichtigung des Ohmschen Gesetzes über den Widerstand in Leitern: A = I 2 *R*t (Arbeit ist gleich dem Quadrat des Stroms multipliziert mit dem Widerstandswert des Leiters und wiederum multipliziert mit der Zeit, in der die Arbeit erledigt wurde).
Der Begriff „Generation“ in der Elektrotechnik stammt aus dem Lateinischen. Es bedeutet „Geburt“. In Bezug auf Energie kann man sagen, dass Generatoren technische Geräte sind, die Strom erzeugen.
Es ist zu beachten, dass elektrischer Strom durch die Umwandlung verschiedener Energiearten erzeugt werden kann, zum Beispiel:
chemisch;
Licht;
thermisch und andere.
Historisch gesehen sind Generatoren Strukturen, die kinetische Rotationsenergie in Elektrizität umwandeln.
Je nach Art der erzeugten Elektrizität gibt es folgende Generatoren:
1. Gleichstrom;
2. variabel.
Die physikalischen Gesetze, die es ermöglichen, moderne elektrische Anlagen zur Stromerzeugung durch Umwandlung mechanischer Energie zu schaffen, wurden von den Wissenschaftlern Oersted und Faraday entdeckt.
Bei der Konstruktion jedes Generators wird dies dadurch realisiert, dass elektrischer Strom in einem geschlossenen Rahmen aufgrund seiner Überschneidung mit einem rotierenden Magnetfeld induziert wird, das in vereinfachten Modellen für den Hausgebrauch oder durch Erregerwicklungen an Industrieprodukten mit hoher Leistung erzeugt wird.
Wenn sich der Rahmen dreht, ändert sich die Größe des magnetischen Flusses.
Die in der Spule induzierte elektromotorische Kraft hängt von der Änderungsrate des magnetischen Flusses ab, der in einer geschlossenen Schleife S durch den Rahmen fließt, und ist direkt proportional zu ihrem Wert. Je schneller sich der Rotor dreht, desto höher ist die erzeugte Spannung.
Um einen geschlossenen Stromkreis zu schaffen und daraus elektrischen Strom abzuleiten, war es notwendig, einen Kollektor und eine Bürstenanordnung zu schaffen, die einen ständigen Kontakt zwischen dem rotierenden Rahmen und dem stationären Teil des Stromkreises gewährleistet.
Aufgrund der Konstruktion der federbelasteten Bürsten, die gegen die Kommutatorplatten gedrückt werden, wird elektrischer Strom zu den Ausgangsklemmen übertragen und von dort fließt er dann in das Verbrauchernetz.
Das Funktionsprinzip des einfachsten Gleichstromgenerators
Wenn sich der Rahmen um seine Achse dreht, bewegen sich seine linke und rechte Hälfte zyklisch in der Nähe des Süd- oder Nordpols der Magnete. In ihnen ändert sich jedes Mal die Richtung der Ströme in die entgegengesetzte Richtung, so dass sie an jedem Pol in eine Richtung fließen.
Um einen Gleichstrom im Ausgangskreis zu erzeugen, wird am Kollektorknoten für jede Wicklungshälfte ein Halbring angelegt. An den Ring angrenzende Bürsten entfernen das Potenzial nur ihres Vorzeichens: positiv oder negativ.
Da der Halbring des Drehrahmens offen ist, entstehen darin Momente, wenn der Strom seinen Maximalwert erreicht oder fehlt. Um nicht nur die Richtung, sondern auch einen konstanten Wert der erzeugten Spannung aufrechtzuerhalten, wird der Rahmen mit einer speziell vorbereiteten Technologie hergestellt:
es verwendet nicht eine Umdrehung, sondern mehrere – abhängig vom Wert der geplanten Spannung;
Die Anzahl der Frames ist nicht auf eine Kopie beschränkt: Sie versuchen, sie ausreichend zu machen, um Spannungsabfälle optimal auf dem gleichen Niveau zu halten.
Bei einem Gleichstromgenerator sind die Rotorwicklungen in Nuten angeordnet. Dadurch können Verluste des induzierten elektromagnetischen Feldes reduziert werden.
Konstruktionsmerkmale von Gleichstromgeneratoren
Die Hauptelemente des Geräts sind:
externer Stromrahmen;
magnetische Pole;
Stator;
rotierender Rotor;
Schalteinheit mit Bürsten.
Der Körper besteht aus Stahllegierungen oder Gusseisen, um der Gesamtstruktur mechanische Festigkeit zu verleihen. Eine weitere Aufgabe des Gehäuses ist die Übertragung des magnetischen Flusses zwischen den Polen.
Die Magnetpole werden mit Stehbolzen oder Bolzen am Gehäuse befestigt. Auf ihnen ist eine Wicklung montiert.
Der Stator, auch Joch oder Kern genannt, besteht aus ferromagnetischen Materialien. Darauf wird die Erregerspulenwicklung platziert. Statorkern Ausgestattet mit Magnetpolen, die sein magnetisches Kraftfeld bilden.
Rotor hat ein Synonym: Anker. Sein Magnetkern besteht aus laminierten Platten, die die Bildung von Wirbelströmen reduzieren und den Wirkungsgrad erhöhen. Die Nuten des Kerns enthalten die Rotor- und/oder Selbsterregungswicklungen.
Knoten wechseln Bei Bürsten kann die Anzahl der Pole unterschiedlich sein, sie ist jedoch immer ein Vielfaches von zwei. Das Bürstenmaterial ist in der Regel Graphit. Die Kollektorplatten bestehen aus Kupfer, dem für die elektrischen Eigenschaften und die Stromleitfähigkeit am besten geeigneten Metall.
Durch den Einsatz eines Kommutators wird an den Ausgangsklemmen des Gleichstromgenerators ein pulsierendes Signal erzeugt.
Haupttypen von Gleichstromgeneratorkonstruktionen
Je nach Art der Stromversorgung der Erregerwicklung werden Geräte unterschieden:
1. mit Selbsterregung;
2. Arbeiten auf der Grundlage der eigenständigen Inklusion.
Die ersten Produkte können:
Verwenden Sie Permanentmagnete.
oder mit externen Quellen arbeiten, zum Beispiel Batterien, Windkraft...
Generatoren mit unabhängiger Schaltung arbeiten mit einer eigenen Wicklung, die angeschlossen werden kann:
der Reihe nach;
Shunts oder parallele Erregung.
Eine der Möglichkeiten einer solchen Verbindung ist im Diagramm dargestellt.
Ein Beispiel für einen Gleichstromgenerator ist eine Bauform, die früher häufig in Automobilanwendungen zum Einsatz kam. Sein Aufbau entspricht dem eines Asynchronmotors.
Solche Kollektorstrukturen können gleichzeitig im Motor- oder Generatormodus betrieben werden. Aus diesem Grund sind sie in bestehenden Hybridautos weit verbreitet.
Der Prozess der Bildung einer Ankerreaktion
Es tritt im Leerlauf auf, wenn die Anpresskraft der Bürsten falsch eingestellt ist, wodurch ein nicht optimaler Reibungsmodus entsteht. Dies kann zu verringerten Magnetfeldern oder einem Brand aufgrund erhöhter Funkenbildung führen.
Möglichkeiten zur Reduzierung sind:
Kompensation von Magnetfeldern durch Anschluss zusätzlicher Pole;
Anpassen der Verschiebung der Position der Kommutatorbürsten.
Vorteile von Gleichstromgeneratoren
Diese beinhalten:
keine Verluste durch Hysterese und Wirbelstrombildung;
unter extremen Bedingungen arbeiten;
reduziertes Gewicht und kleine Abmessungen.
Das Funktionsprinzip des einfachsten Wechselstromgenerators
In diesem Design werden dieselben Teile wie im vorherigen Analogon verwendet:
ein Magnetfeld;
Drehrahmen;
Kollektoreinheit mit Bürsten zur Stromableitung.
Der Hauptunterschied liegt in der Konstruktion der Kommutatoreinheit, die so gestaltet ist, dass bei der Drehung des Rahmens durch die Bürsten ständig Kontakt mit ihrer Rahmenhälfte hergestellt wird, ohne deren Position zyklisch zu ändern.
Dadurch wird der Strom, der sich nach den Gesetzen der Harmonischen in jeder Hälfte ändert, völlig unverändert auf die Bürsten und dann über diese auf den Verbraucherkreis übertragen.
Natürlich wird der Rahmen nicht durch das Wickeln einer Windung, sondern durch eine berechnete Anzahl von Windungen erzeugt, um eine optimale Spannung zu erreichen.
Somit ist das Funktionsprinzip von Gleich- und Wechselstromgeneratoren gleich und die konstruktiven Unterschiede liegen in der Herstellung:
rotierende Rotorkollektoreinheit;
Wicklungskonfigurationen am Rotor.
Konstruktionsmerkmale industrieller Wechselstromgeneratoren
Betrachten wir die Hauptteile eines industriellen Induktionsgenerators, bei dem der Rotor Drehbewegungen von einer nahegelegenen Turbine erhält. Das Statordesign umfasst einen Elektromagneten (obwohl das Magnetfeld auch durch eine Reihe von Permanentmagneten erzeugt werden kann) und eine Rotorwicklung mit einer bestimmten Anzahl von Windungen.
In jeder Windung wird eine elektromotorische Kraft induziert, die sich in jeder Windung sequentiell addiert und an den Ausgangsklemmen den Gesamtwert der Spannung bildet, die dem Stromkreis der angeschlossenen Verbraucher zugeführt wird.
Um die Amplitude der EMF am Ausgang des Generators zu erhöhen, wird ein spezielles Design des Magnetsystems verwendet, das aus zwei Magnetkernen durch die Verwendung spezieller Elektrostahlsorten in Form von laminierten Platten mit Rillen besteht. In ihnen sind Wicklungen montiert.
Das Generatorgehäuse enthält einen Statorkern mit Schlitzen zur Aufnahme einer Wicklung, die ein Magnetfeld erzeugt.
Der auf Lagern rotierende Rotor verfügt außerdem über einen Magnetkreis mit Nuten, in dem eine Wicklung montiert ist, die die induzierte EMK aufnimmt. Typischerweise wird für die Anordnung der Rotationsachse eine horizontale Richtung gewählt, es gibt jedoch auch Generatorkonstruktionen mit vertikaler Anordnung und entsprechender Lagerkonstruktion.
Zwischen Stator und Rotor entsteht immer ein Spalt, der notwendig ist, um die Rotation sicherzustellen und ein Verklemmen zu vermeiden. Gleichzeitig geht jedoch die magnetische Induktionsenergie verloren. Daher versuchen sie, es so minimal wie möglich zu gestalten und dabei beide Anforderungen optimal zu berücksichtigen.
Der Erreger, der sich auf derselben Welle wie der Rotor befindet, ist ein Gleichstromgenerator mit relativ geringer Leistung. Sein Zweck besteht darin, die Wicklungen eines Stromgenerators im Zustand unabhängiger Erregung mit Strom zu versorgen.
Solche Erreger werden am häufigsten bei Konstruktionen von Turbinen- oder hydraulischen Stromgeneratoren verwendet, wenn sie die Haupt- oder Ersatzerregungsmethode schaffen.
Das Bild eines Industriegenerators zeigt die Position der Kommutatorringe und Bürsten zum Sammeln der Ströme von der rotierenden Rotorstruktur. Während des Betriebs ist dieses Gerät ständigen mechanischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Um sie zu überwinden, entsteht eine komplexe Struktur, die während des Betriebs regelmäßige Inspektionen und vorbeugende Maßnahmen erfordert.
Um die entstehenden Betriebskosten zu reduzieren, kommt eine weitere, alternative Technologie zum Einsatz, die ebenfalls die Wechselwirkung rotierender elektromagnetischer Felder nutzt. Auf dem Rotor sind ausschließlich Permanent- oder Elektromagnete angebracht und die Spannung wird von einer stationären Wicklung abgenommen.
Bei der Erstellung einer solchen Schaltung kann ein solches Design als „Lichtmaschine“ bezeichnet werden. Es wird in Synchrongeneratoren eingesetzt: Hochfrequenzgeneratoren, Automobilgeneratoren, Diesellokomotiven und Schiffen sowie Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung.
Merkmale von Synchrongeneratoren
Funktionsprinzip
Der Name und die Besonderheit der Aktion liegt in der Schaffung einer starren Verbindung zwischen der Frequenz der in der Statorwicklung „f“ induzierten elektromotorischen Wechselkraft und der Drehung des Rotors.
Im Stator ist eine dreiphasige Wicklung montiert, und auf dem Rotor befindet sich ein Elektromagnet mit einem Kern und einer Erregerwicklung, der über eine Bürstenkommutatorbaugruppe von Gleichstromkreisen gespeist wird.
Der Rotor wird durch eine mechanische Energiequelle – einen Antriebsmotor – mit gleicher Drehzahl in Rotation versetzt. Sein Magnetfeld macht die gleiche Bewegung.
In den Statorwicklungen werden elektromotorische Kräfte gleicher Größe, jedoch um 120 Grad in der Richtung verschoben, induziert, wodurch ein dreiphasiges symmetrisches System entsteht.
Beim Anschluss an die Enden der Wicklungen von Verbraucherstromkreisen beginnen die Phasenströme im Stromkreis zu wirken, die ein Magnetfeld bilden, das sich auf die gleiche Weise dreht: synchron.
Die Form des Ausgangssignals der induzierten EMF hängt nur vom Verteilungsgesetz des magnetischen Induktionsvektors innerhalb des Spalts zwischen den Rotorpolen und den Statorplatten ab. Daher streben sie danach, ein solches Design zu schaffen, wenn sich die Größe der Induktion gemäß einem Sinusgesetz ändert.
Wenn der Spalt eine konstante Charakteristik aufweist, entsteht der magnetische Induktionsvektor innerhalb des Spalts in Form eines Trapezes, wie im Liniendiagramm 1 dargestellt.
Wenn die Form der Kanten an den Polen auf schräg korrigiert wird und sich der Spalt auf den Maximalwert ändert, kann eine sinusförmige Verteilungsform erreicht werden, wie durch Linie 2 dargestellt. Diese Technik wird in der Praxis verwendet.
Erregerschaltungen für Synchrongeneratoren
Die magnetomotorische Kraft, die an der Erregerwicklung „OB“ des Rotors entsteht, erzeugt sein Magnetfeld. Zu diesem Zweck gibt es unterschiedliche Bauformen von Gleichstromerregern basierend auf:
1. Kontaktmethode;
2. Kontaktlose Methode.
Im ersten Fall wird ein separater Generator verwendet, der als Erreger „B“ bezeichnet wird. Seine Erregerwicklung wird von einem zusätzlichen Generator nach dem Prinzip der Parallelerregung, dem sogenannten „PV“-Untererreger, gespeist.
Alle Rotoren sitzen auf einer gemeinsamen Welle. Aus diesem Grund drehen sie sich genau gleich. Die Rheostaten r1 und r2 dienen zur Regelung der Ströme im Erreger- und Untererregerkreis.
Mit einer kontaktlosen Methode Es gibt keine Rotorschleifringe. Direkt darauf ist eine dreiphasige Erregerwicklung montiert. Es dreht sich synchron mit dem Rotor und überträgt elektrischen Gleichstrom über einen mitrotierenden Gleichrichter direkt auf die Erregerwicklung „B“.
Die Arten der kontaktlosen Schaltung sind:
1. Selbsterregungssystem durch eigene Statorwicklung;
2. Automatisiertes Schema.
Mit der ersten Methode Die Spannung der Statorwicklungen wird einem Abwärtstransformator und dann einem Halbleitergleichrichter „PP“ zugeführt, der Gleichstrom erzeugt.
Bei dieser Methode wird die anfängliche Anregung durch das Phänomen des Restmagnetismus erzeugt.
Ein automatisches Schema zur Erzeugung von Selbsterregung umfasst die Verwendung von:
Spannungswandler TN;
automatisierter Erregerregler AVR;
Stromwandler CT;
Gleichrichtertransformator VT;
Thyristorwandler TP;
BZ-Schutzeinheit.
Merkmale von Asynchrongeneratoren
Der grundlegende Unterschied zwischen diesen Konstruktionen besteht im Fehlen einer starren Verbindung zwischen der Rotordrehzahl (nr) und der in der Wicklung induzierten EMK (n). Es gibt immer einen Unterschied zwischen ihnen, der als „Schlupf“ bezeichnet wird. Es wird mit dem lateinischen Buchstaben „S“ bezeichnet und durch die Formel S=(n-nr)/n ausgedrückt.
Wenn eine Last an den Generator angeschlossen wird, entsteht ein Bremsmoment, das den Rotor dreht. Es beeinflusst die Frequenz der erzeugten EMF und erzeugt einen negativen Schlupf.
Die Rotorstruktur von Asynchrongeneratoren besteht aus:
kurzgeschlossen;
Phase;
hohl.
Asynchrongeneratoren können Folgendes haben:
1. unabhängige Anregung;
2. Selbsterregung.
Im ersten Fall wird eine externe Wechselspannungsquelle verwendet, und im zweiten Fall werden Halbleiterwandler oder Kondensatoren im Primär-, Sekundär- oder beiden Schaltungstypen verwendet.
So weisen Wechsel- und Gleichstromgeneratoren viele Gemeinsamkeiten in den Konstruktionsprinzipien auf, unterscheiden sich jedoch in der Gestaltung bestimmter Elemente.