Mobiiltelefoni laadimiseks võib piisata inimese toodetud elektrist. Meie neuronid on pideva pinge all ning elu ja surma erinevust saab määrata entsefalogrammil olevate elektrilainete järgi.
Ravi kiirtega
Kunagi Vana-Roomas jalutas rikka arhitekti ja arstiks pürgija poeg Claudius Galen Vahemere kaldal. Ja siis avanes tema pilk väga kummaline vaatepilt – kaks lähedalasuvate külade elanikku kõndisid talle vastu, elektrilised raikad pähe seotud! Nii kirjeldab ajalugu esimest teadaolevat juhtumit füsioteraapia kasutamisest elava elektri abil. Meetodit võttis Galenus arvesse ja nii ebatavalisel viisil päästis ta gladiaatorite haavade järgsest valust ja ravis isegi keiser Mark Antony enda seljavalu, kes varsti pärast seda oma isiklikuks arstiks määras.
Pärast seda puutus inimene rohkem kui korra kokku "elava elektri" seletamatu nähtusega. Ja kogemus ei olnud alati positiivne. Nii kohtasid eurooplased kunagi suurte geograafiliste avastuste ajastul Amazonase rannikul kohalikke elektriangerjaid, kes tekitasid vees kuni 550 volti elektripinget. Häda sellele, kes kogemata kolmemeetrisesse tapmistsooni kukkus.
Elekter kõigis
Kuid esimest korda pööras teadus elektrofüüsikale või täpsemalt elusorganismide elektritootmisvõimele tähelepanu pärast väga naljakat juhtumit 18. sajandil konnajalgadega, mis ühel tormisel päeval kuskil Bolognas kokkupuutest tõmblema hakkas. rauaga. Seda kohutavat pilti nägi Bolognese professori Luigi Galvatti naine, kes tuli lihapoodi prantsuse delikatessi järele ja rääkis oma mehele naabruses möllavatest kurjadest vaimudest. Kuid Galvatti vaatas seda teaduslikust vaatenurgast ja pärast 25-aastast rasket tööd ilmus tema raamat "Traktaadid lihaste liikumise elektrijõust". Selles väitis teadlane kõigepealt, et elekter eksisteerib meis kõigis ja närvid on omamoodi "elektrijuhtmed".
Kuidas see töötab
Kuidas inimene elektrit toodab? See on tingitud paljudest biokeemilistest protsessidest, mis toimuvad raku tasandil. Meie kehas leidub palju erinevaid kemikaale – hapnik, naatrium, kaltsium, kaalium ja paljud teised. Nende reaktsioonid üksteisega toodavad elektrienergiat. Näiteks "rakulise hingamise" protsessis, kui rakk vabastab energiat, mis on saadud veest, süsinikdioksiidist jne. See omakorda ladestub spetsiaalsetesse keemilistesse kõrge energiasisaldusega ühenditesse, nimetagem neid "hoidlateks" ja seda kasutatakse hiljem "vajaduse korral".
Kuid see on vaid üks näide – meie kehas toimub palju keemilisi protsesse, mis toodavad elektrit. Iga inimene on tõeline jõuallikas ja seda saab kasutada igapäevaelus.
Kas me toodame palju vatti?
Inimenergia kui alternatiivne jõuallikas ei ole ammu enam ulmekirjanike unistus. Inimestel on suured väljavaated elektrigeneraatoritena; seda saab toota peaaegu igast meie tegevusest. Nii et ühest hingetõmbest saab 1 W ja 60 W pirni toiteks piisab rahulikust sammust ning telefoni laadimiseks piisab. Seega saab inimene ressursside ja alternatiivsete energiaallikatega probleemi sõna otseses mõttes ise lahendada.
Jääb üle vaid õppida seda energiat, mida me nii kasutult raiskame, üle kandma sinna, kuhu vaja. Ja teadlastel on selles osas juba ettepanekud. Seega uuritakse aktiivselt piesoelektri mõju, mis tekitab mehaanilisest tegevusest pingeid. Selle põhjal pakkusid Austraalia teadlased juba 2011. aastal välja arvutimudeli, mida laetaks klahvivajutusega. Koreas töötatakse välja telefoni, mida laetakse vestlustest ehk helilainetest, ning Gruusia Tehnoloogiainstituudi teadlaste rühm on loonud toimiva prototüübi tsinkoksiidist valmistatud "nanogeneraatorist", mis on implanteeritakse inimkehasse ja genereerib voolu igast meie liigutusest.
Kuid see pole veel kõik, mõne linna päikesepaneelide abistamiseks saavad nad energiat tipptunnist, täpsemalt jalakäijate ja autode kõnnimisel tekkivast vibratsioonist ning seejärel kasutavad seda linna valgustamiseks. Selle idee pakkusid välja Londoni arhitektid firmast Facility Architects. Nad ütlevad: "Tippajal läbib Victoria jaama 60 minutiga 34 000 inimest. Pole vaja matemaatilist geeniust, et mõista, et kui seda energiat saab rakendada, võib see tegelikult luua väga kasuliku energiaallika, mida praegu raisatakse. Muide, jaapanlased kasutavad selleks juba turnikeed Tokyo metroos, millest iga päev läbib sadu tuhandeid inimesi. Raudtee on ju Tõusva Päikese Maa peamised transpordiarterid.
"Surmalained"
Muide, elav elekter on paljude väga kummaliste nähtuste põhjuseks, mida teadus siiani seletada ei suuda. Võib-olla kuulsaim neist on "surmalaine", mille avastamine viis uue faasi debatti hinge olemasolu ja "surmalähedase kogemuse" olemuse üle, millest kliinilist surma kogenud inimesed mõnikord teatavad. .
2009. aastal tehti ühes Ameerika haiglas entsefalogrammid üheksalt surijalt, keda sel ajal enam päästa ei õnnestunud. Eksperiment viidi läbi, et lahendada pikaajaline eetiline vaidlus selle üle, millal inimene on tõeliselt surnud. Tulemused olid sensatsioonilised – pärast surma plahvatas sõna otseses mõttes kõikide katsealuste aju, mis oleks pidanud juba tapetud olema – selles tekkisid uskumatult võimsad elektriimpulsside pursked, mida polnud elusal inimesel veel täheldatud. Need tekkisid kaks kuni kolm minutit pärast südameseiskust ja kestsid umbes kolm minutit. Varem tehti sarnaseid katseid rottidega, kus sama asi algas minut pärast surma ja kestis 10 sekundit. Teadlased on seda nähtust fatalistlikult nimetanud "surmalaineks".
"Surmalainete" teaduslik seletus on tõstatanud palju eetilisi küsimusi. Ühe eksperimenteerija, dr Lakhmir Chawla sõnul on sellised ajutegevuse puhangud seletatavad asjaoluga, et hapnikupuuduse tõttu kaotavad neuronid elektrilise potentsiaali ja tühjenevad, kiirgades "laviinilaadseid" impulsse. “Elusad” neuronid on pidevalt väikese negatiivse pinge all - 70 minivolti, mida säilitatakse väljapoole jäävatest positiivsetest ioonidest vabanemisega. Pärast surma on tasakaal häiritud ja neuronid muudavad polaarsuse kiiresti miinusest plussiks. Sellest ka "surmalaine".
Kui see teooria on õige, tõmbab entsefalogrammi "surmalaine" selle tabamatu piiri elu ja surma vahele. Pärast seda ei saa neuroni tööd taastada, keha ei saa enam elektrilisi impulsse vastu võtta. Teisisõnu, arstidel pole enam mõtet inimese elu eest võidelda.
Aga mis siis, kui vaadata probleemi teisest küljest. Oletagem, et "surmalaine" on aju viimane katse anda südamele elektrilahendus selle toimimise taastamiseks. Sel juhul ei tohiks “surmalaine” ajal käsi kokku panna, vaid pigem kasutada seda võimalust elude päästmiseks. Nii ütleb elustamisarst Lance-Becker Pennsylvania ülikoolist, viidates, et on olnud juhtumeid, kus inimene "ärkas ellu" pärast "lainet", mis tähendab, et elektriimpulsside tugev tõus inimkehas, ja siis langus, ei saa veel viimaseks künniseks pidada.
Elektrivool on peamine energialiik, mis teeb kasulikku tööd kõigis inimelu valdkondades. See paneb liikuma erinevad mehhanismid, annab valgust, kütab maju ja animeerib terve hulga seadmeid, mis tagavad meie mugava olemasolu planeedil. Tõesti, seda tüüpi energia on universaalne. Sellest võib saada kõike ja ebaõige kasutamise korral isegi suurt hävingut.
Aga oli aeg, mil elektriefektid olid looduses veel olemas, kuid ei aidanud inimest kuidagi. Mis on sellest ajast muutunud? Inimesed hakkasid uurima füüsilisi nähtusi ja leidsid huvitavaid masinaid - muundureid, mis üldiselt tegid meie tsivilisatsioonis revolutsioonilise hüppe, võimaldades inimesel saada üht energiat teiselt.
Nii õppisid inimesed elektrit tootma tavalisest metallist, magnetitest ja mehaanilisest liikumisest – see on kõik. Ehitati generaatorid, mis on võimelised tootma kolossaalseid energiavooge kuni megavattideni. Kuid huvitav on see, et nende masinate tööpõhimõte polegi nii keeruline ja võib olla isegi teismelisele üsna arusaadav. Mis see on? Proovime seda probleemi mõista.
Elektromagnetilise induktsiooni efekt
Elektrivoolu ilmumise aluseks juhis on elektromotoorjõud - EMF. See on võimeline liikuma laetud osakesi, mida on igas metallis palju. See jõud ilmneb ainult siis, kui juht kogeb magnetvälja intensiivsuse muutust. Mõju ennast nimetatakse elektromagnetiliseks induktsiooniks. Mida suurem on magnetlainete voo muutumise kiirus, seda suurem on emf. See tähendab, et saate liigutada juhti püsimagneti lähedal või mõjutada statsionaarset traati elektromagneti väljaga, muutes selle tugevust, efekt on sama - juhis ilmub elektrivool.
Teadlased Oersted ja Faraday töötasid selle küsimusega 19. sajandi esimesel poolel. Nad avastasid ka selle füüsikalise nähtuse. Seejärel loodi elektromagnetilise induktsiooni baasil voolugeneraatorid ja elektrimootorid. Huvitav on see, et neid masinaid saab hõlpsasti üksteiseks muuta.
Kuidas alalis- ja vahelduvvoolugeneraatorid töötavad?
On selge, et elektrivoolu generaator on elektromehaaniline masin, mis toodab voolu. Kuid tegelikult on see energia muundur: tuul, vesi, soojus, kõik muu EMF-iks, mis juba tekitab juhis voolu. Ühegi generaatori konstruktsioon ei erine põhimõtteliselt suletud juhtivast vooluringist, mis pöörleb magneti pooluste vahel, nagu teadlaste esimestes katsetes. Ainult võimsate püsi- või sagedamini elektrimagnetite tekitatud magnetvoo suurus on palju suurem. Suletud vooluahel on mitme pöörde mähise kujul, millest kaasaegses generaatoris pole mitte ühte, vaid vähemalt kolm. Seda kõike tehakse selleks, et saada võimalikult suur EMF.
Tavaline vahelduvvoolu (või alalisvoolu) elektrigeneraator koosneb:
- Eluruumid. Täidab raami funktsiooni, mille sisse on paigaldatud elektromagneti poolustega staator. See sisaldab rootori võlli veerelaagreid. See on valmistatud metallist, see kaitseb ka kogu masina sisemist täitmist.
- Magnetpoolustega staator. Selle külge on kinnitatud magnetvoo ergutusmähis. See on valmistatud ferromagnetilisest terasest.
- Rootor või armatuur. See on generaatori liikuv osa, mille võlli keerab pöörlema kõrvaline jõud. Armatuuri südamikule asetatakse iseergutusmähis, kus tekib elektrivool.
- Vahetussõlm. See konstruktsioonielement eemaldab liikuva rootori võlli elektrit. See sisaldab juhtivaid rõngaid, mis on liikuvalt ühendatud grafiidist voolu koguvate kontaktidega.
Alalisvoolu tekitamine
Alalisvoolu tootvas generaatoris pöörleb juhtiv ahel magnetilise küllastuse ruumis. Pealegi osutub ahela iga pool teatud pöörlemishetkeks ühe või teise pooluse lähedale. Laeng juhis liigub selle poolpöörde jooksul ühes suunas.
Osakeste eemaldamiseks tehakse energia eemaldamise mehhanism. Selle eripära on see, et mähise (raami) kumbki pool on ühendatud juhtiva poolrõngaga. Poolrõngad ei ole üksteisega suletud, vaid on kinnitatud dielektrilise materjali külge. Ajavahemikul, mil mähise üks osa hakkab teatud poolust läbima, suletakse poolrõngas elektriahelasse harja kontaktrühmade abil. Selgub, et igasse terminali tuleb ainult ühte tüüpi potentsiaali.
Õigem oleks nimetada energiat mitte konstantseks, vaid pulseerivaks, pideva polaarsusega. Pulsatsiooni põhjustab asjaolu, et juhtme magnetvoo pöörlemisel on nii maksimaalne kui ka minimaalne mõju. Selle pulsatsiooni tasandamiseks kasutatakse rootoril mitut mähist ja ahela sisendis võimsaid kondensaatoreid. Magnetvoo kadude vähendamiseks hoitakse armatuuri ja staatori vahe minimaalne.
Generaatori vooluahel
Kui voolu tekitava seadme liikuv osa pöörleb, indutseeritakse EMF ka raami juhtmetesse, nagu alalisvoolu generaatoris. Kuid on väike eripära - vahelduvvoolu generaatoril on kollektoriüksuse jaoks erinev disain. Selles on iga terminal ühendatud oma juhtiva rõngaga.
Vahelduvvoolugeneraatori tööpõhimõte on järgmine: kui pool mähisest läbib ühe pooluse lähedalt (teine vastavalt vastaspooluse lähedalt), liigub vool vooluahelas ühes suunas minimaalselt kõrgeima väärtuseni. ja jälle nulli. Niipea, kui mähised muudavad oma asukohta pooluste suhtes, hakkab vool liikuma sama mustriga vastupidises suunas.
Sel juhul saadakse vooluahela sisendis signaalivorm sinusoidi kujul, mille poollaine sagedus vastab rootori võlli pöörlemisperioodile. Stabiilse signaali saamiseks väljundis, kus generaatori sagedus on konstantne, peab mehaanilise osa pöörlemisperiood olema konstantne.
gaasi tüüp
Voolugeneraatorite konstruktsioone, kus metallraami asemel kasutatakse laengukandjana juhtivat plasmat, vedelikku või gaasi, nimetatakse MHD generaatoriteks. Rõhu all olevad ained juhitakse magnetintensiivsusega välja. Sama indutseeritud emfi mõjul omandavad laetud osakesed suunalise liikumise, tekitades elektrivoolu. Voolutugevus on otseselt võrdeline magnetvoo läbimise kiirusega, samuti selle võimsusega.
MHD generaatorid on lihtsama disainilahendusega – neil puudub rootori pöörlemismehhanism. Sellised toiteallikad suudavad lühikese aja jooksul tarnida suures koguses energiat. Neid kasutatakse varuseadmetena ja hädaolukordades. Koefitsient, mis määrab nende masinate kasuliku tegevuse (tõhususe), on kõrgem kui elektrilise vahelduvvoolu generaatoril.
Sünkroonse vahelduvvoolu generaator
On olemas järgmist tüüpi vahelduvvoolugeneraatoreid:
- Masinad on sünkroonsed.
- Masinad on asünkroonsed.
Sünkroongeneraatoril on rootori pöörleva liikumise ja elektri vahel range füüsiline seos. Sellistes süsteemides on rootor südamikest, poolustest ja põnevatest mähistest kokku pandud elektromagnet. Viimased saavad toite alalisvooluallikast läbi harjade ja rõngaskontaktide. Staator on traadi mähis, mis on üksteisega ühendatud tähe põhimõttel ühise punktiga - null. EMF on neis juba indutseeritud ja tekib vool.
Rootori võlli käitab välisjõud, tavaliselt turbiinid, mille sagedus on sünkroniseeritud ja konstantne. Sellise generaatoriga ühendatud elektriahel on kolmefaasiline ahel, mille voolu sagedus eraldi liinis on faasinihke 120 kraadi võrra teiste liinide suhtes. Õige sinusoidi saamiseks juhitakse magnetvoo suunda staatori ja rootori osade vahelises pilus viimase konstruktsiooniga.
Generaatori ergastamine toimub kahel viisil:
- Võtke ühendust.
- Kontaktivaba.
Kontaktergutusahelas antakse elekter elektromagneti mähistele läbi harjapaari teisest generaatorist. Seda generaatorit saab kombineerida peavõlliga. Tavaliselt on sellel vähem võimsust, kuid piisavalt tugeva magnetvälja tekitamiseks.
Kontaktivaba põhimõte näeb ette, et võlli sünkroonse vahelduvvoolu generaatoril on täiendavad kolmefaasilised mähised, milles pöörlemisel indutseeritakse emf ja tekib elekter. See tarnitakse alaldusahela kaudu rootori ergutusmähistele. Struktuuriliselt pole sellisel süsteemil liikuvaid kontakte, mis lihtsustab süsteemi, muutes selle töökindlamaks.
Asünkroonne generaator
Seal on asünkroonne vahelduvvoolu generaator. Selle seade erineb sünkroonsest. Sellel ei ole EMF-i täpset sõltuvust rootori võlli pöörlemissagedusest. On olemas selline mõiste nagu "slip S", mis iseloomustab seda mõju erinevust. Libisemise suurus määratakse arvutusega, seega on vale arvata, et asünkroonmootoris puudub elektromehaanilise protsessi muster.
Kui tühikäigul töötav generaator on koormatud, tekitab mähistes voolav vool magnetvoo, mis takistab rootori pöörlemist etteantud sagedusel. See tekitab libisemise, mis loomulikult mõjutab elektromagnetväljade teket.
Kaasaegsel asünkroonse vahelduvvoolu generaatoril on liikuva osa seade kolme erineva kujundusega:
- Õõnes rootor.
- Oravapuuriga rootor.
- Libisemine rootor.
Sellistel masinatel võib olla iseseisev ja sõltumatu ergutus. Esimene ahel on realiseeritud kondensaatorite ja pooljuhtmuundurite kaasamisega mähisesse. Sõltumatut tüüpi ergutus luuakse täiendava vahelduvvooluallika abil.
Generaatori ühendusskeemid
Kõik elektriliinide suure võimsusega toiteallikad toodavad kolmefaasilist elektrivoolu. Need sisaldavad kolme mähist, milles genereeritakse vahelduvvoolud, mille faas on üksteisest nihutatud 1/3 perioodist. Kui arvestada sellise toiteallika iga üksikut mähist, saame liinile voolava ühefaasilise vahelduvvoolu. Generaator võib toota kümnete tuhandete voltide pinget. tarbija saab jaotustrafost.
Igal vahelduvvoolugeneraatoril on standardne mähisseade, kuid koormusega ühendamiseks on kahte tüüpi:
- täht;
- kolmnurk.
Täheühendusega vahelduvvoolugeneraatori tööpõhimõte hõlmab kõigi juhtmete (neutraalsete) ühendamist üheks, mis lähevad koormusest tagasi generaatorisse. See on tingitud asjaolust, et signaal (elektrivool) edastatakse peamiselt väljuva mähisjuhtme (lineaarne) kaudu, mida nimetatakse faasiks. Praktikas on see väga mugav, sest tarbija ühendamiseks pole vaja kolme lisajuhet tõmmata. Liinijuhtmete ning liini- ja nulljuhtmete vaheline pinge on erinev.
Ühendades generaatori mähised kolmnurgaga, suletakse need üksteisega järjestikku üheks ahelaks. Nende liitumispunktidest tõmmatakse jooned tarbijani. Siis pole nulljuhet üldse vaja ja pinge on igal liinil olenemata koormusest sama.
Kolmefaasilise voolu eelis ühefaasilise voolu ees on selle väiksem pulsatsioon alaldamise ajal. Sellel on positiivne mõju toitega seadmetele, eriti alalisvoolumootoritele. Samuti tekitab kolmefaasiline vool pöörleva magnetvälja voolu, mis on võimeline juhtima võimsaid asünkroonseid mootoreid.
Kus on kasutatavad alalis- ja vahelduvvoolugeneraatorid?
Alalisvoolugeneraatorid on mõõtmetelt ja kaalult oluliselt väiksemad kui vahelduvvoolumasinad. Omades viimastest keerukama disaini, on need siiski leidnud rakendust paljudes tööstusharudes.
Neid kasutatakse peamiselt kiirajamitena masinates, kus on vaja kiiruse reguleerimist, näiteks metallitöötlemismehhanismides, kaevanduse elevaatorites ja valtsimistehastes. Transpordis paigaldatakse sellised generaatorid diiselveduritele ja erinevatele laevadele. Paljud tuulegeneraatorite mudelid on kokku pandud püsipingeallikate baasil.
Eriotstarbelisi alalisvoolugeneraatoreid kasutatakse keevitamisel, sünkroontüüpi generaatorite mähiste ergastamiseks, alalisvooluvõimenditena ning galvaaniliste ja elektrolüüsiseadmete toiteks.
Generaatori eesmärk on tööstuslikus mastaabis elektrienergia tootmine. Seda tüüpi energia andis inimkonnale Nikola Tesla. Miks kasutatakse laialdaselt polaarsust muutvat voolu, mitte konstantset voolu? See on tingitud asjaolust, et pideva pinge edastamisel on juhtmetes suured kaod. Ja mida pikem on traat, seda suuremad on kaod. Vahelduvpinget saab transportida suurte vahemaade taha palju madalamate kuludega. Lisaks saate hõlpsasti teisendada vahelduvpinget (seda alandada ja suurendada), mille generaator genereeris 220 V.
Järeldus
Inimene pole lõpuni aru saanud, mis kõike teda ümbritsevat läbistab. Ja elektrienergia on vaid väike osa universumi avalikest saladustest. Masinad, mida me nimetame elektrigeneraatoriteks, on oma olemuselt väga lihtsad, kuid see, mida nad meie heaks teha saavad, on lihtsalt hämmastav. Ometi ei peitu tõeline ime siin mitte tehnoloogias, vaid inimmõttes, mis suutis tungida kosmoses paisatud ideede ammendamatusse reservuaari!
Elektrigeneraator on masin või seadeldis, mis on ette nähtud mitteelektrilise energia muundamiseks elektrienergiaks: mehaaniline elektrienergiaks, keemiline elektrienergiaks, termiline elektrienergiaks jne. Tänapäeval, kui me ütleme sõna "generaator", peame üldiselt silmas muundurit mehaaniline energia.energia – elektrienergiaks.
See võib olla diisel- või bensiinimootoriga kaasaskantav generaator, tuumaelektrijaama generaator, autogeneraator, asünkroonse elektrimootori isetehtud generaator või väikese võimsusega tuuleveski väikese kiirusega generaator. Artikli lõpus vaatleme näitena kahte kõige levinumat generaatorit, kuid kõigepealt räägime nende tööpõhimõtetest.
Ühel või teisel viisil on füüsikalisest vaatepunktist iga mehaanilise generaatori tööpõhimõte sama: kui magnetvälja jooned ristuvad juhiga, tekib selles juhis indutseeritud emf. Juhi ja magnetvälja vastastikust liikumist viivad jõuallikad võivad olla mitmesugused protsessid, kuid sellest tulenevalt on alati vaja generaatorist koormuse toiteks saada emf ja vool.
Elektrigeneraatori tööpõhimõte - Faraday seadus
Elektrigeneraatori tööpõhimõtte avastas juba 1831. aastal inglise füüsik Michael Faraday. Seda põhimõtet nimetati hiljem Faraday seaduseks. See seisneb selles, et kui juht ületab magnetvälja risti, tekib selle juhi otstes potentsiaalide erinevus.
Esimese generaatori ehitas Faraday ise vastavalt tema avastatud põhimõttele; see oli "Faraday ketas" - unipolaarne generaator, milles vaskketas pöörles hobuserauamagneti pooluste vahel. Seade tootis madalal pingel märkimisväärset voolu.
Hiljem leiti, et generaatorites olevad üksikud isoleeritud juhid on praktilisest seisukohast palju tõhusamad kui tahke juhtiv ketas. Ja tänapäevastes generaatorites kasutatakse nüüd staatori mähiseid (lihtsamal näidisjuhul traadi mähised).
Generaator
Valdav enamus tänapäevastest generaatoritest on sünkroonsed vahelduvvoolugeneraatorid. Nendel on staatoril armatuurimähis, millest tekkiv elektrienergia eemaldatakse. Rootoril on ergutusmähis, millesse juhitakse alalisvool läbi libisemisrõngaste, et tekitada pöörlevast rootorist pöörlev magnetväli.
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tõttu, kui rootor pöörleb väliselt ajamilt (näiteks sisepõlemismootorilt), läbib selle magnetvoog vaheldumisi staatori mähise iga faasi ja kutsub seega esile nendes EMF-i.
Enamasti on kolm faasi, need on füüsiliselt nihutatud armatuuril üksteise suhtes 120 kraadi võrra, nii et saadakse kolmefaasiline sinusoidne vool. Et saada, saab faase ühendada tähe- või kolmnurgakonfiguratsioonis.
Sinusoidse EMF f sagedus on võrdeline rootori pöörlemissagedusega: f = np/60, kus - p on rootori magnetiliste plusside paaride arv, n on rootori pöörete arv minutis. Tavaliselt on rootori maksimaalne kiirus 3000 pööret minutis. Kui ühendate sellise sünkroongeneraatori staatori mähistega kolmefaasilise alaldi, saate alalisvoolugeneraatori (muide, kõik autogeneraatorid töötavad nii).
Kolme masina sünkroongeneraator
Muidugi on klassikalisel sünkroongeneraatoril üks tõsine puudus - rootoril on libisemisrõngad ja nendega külgnevad harjad. Harjad sädevad ja kuluvad hõõrdumise ja elektrilise erosiooni tõttu. See ei ole plahvatusohtlikus keskkonnas lubatav. Seetõttu on lennunduses ja diiselgeneraatorites levinumad kontaktivabad sünkroongeneraatorid, eriti kolme masinaga generaatorid.
Kolme masinaga seadmetel on ühte korpusesse paigaldatud kolm masinat: eelerguti, erguti ja generaator - ühisele võllile. Eelerguti on sünkroongeneraator, ergastatakse võllil olevate püsimagnetitega, tema tekitatav pinge suunatakse erguti staatorimähisele.
Erguti staator toimib selle külge kinnitatud kolmefaasilise alaldiga ühendatud rootori mähisele, millest toidetakse generaatori peaergastusmähisega. Generaator genereerib oma staatoris voolu.
Gaasi, diisli ja bensiini kaasaskantavad generaatorid
Tänapäeval on need väga levinud majapidamistes, kus ajamitena kasutatakse sisepõlemismootoreid – sisepõlemismootorit, mis edastab mehaanilise pöörlemise generaatori rootorile.
Vedelkütuse generaatoritel on kütusepaagid, samas kui gaasigeneraatoritel on vaja kütust tarnida torujuhtme kaudu, nii et gaas suunatakse seejärel karburaatorisse, kus see muutub kütusesegu lahutamatuks osaks.
Kõikidel juhtudel põletatakse kütusesegu väntvõlli käitades kolvisüsteemis. See sarnaneb auto mootori tööga. Väntvõll pöörleb kontaktivaba sünkroongeneraatori (generaatori) rootorit.
Andrei Povnõi
See on teatud laetud osakeste järjestatud liikumine. Elektri kogu potentsiaali asjatundlikuks kasutamiseks on vaja selgelt mõista kõiki elektrivoolu struktuuri ja toimimise põhimõtteid. Niisiis, mõelgem välja, mis on töö ja praegune võimsus.
Kust üldse elektrivool tuleb?
Vaatamata küsimuse näilisele lihtsusele suudavad vähesed sellele arusaadavat vastust anda. Muidugi, tänapäeval, mil tehnoloogia areneb uskumatul kiirusel, ei mõtle inimesed eriti sellistele elementaarsetele asjadele nagu elektrivoolu tööpõhimõte. Kust tuleb elekter? Kindlasti vastavad paljud: "Noh, muidugi pesast välja" või kehitavad lihtsalt õlgu. Vahepeal on väga oluline mõista, kuidas praegune töötab. Seda peaksid teadma mitte ainult teadlased, vaid ka inimesed, kes pole teadusmaailmaga kuidagi seotud, nende üldise mitmekesise arengu tõttu. Kuid mitte igaüks ei saa voolu tööpõhimõtet asjatundlikult kasutada.
Niisiis, kõigepealt peaksite mõistma, et elekter ei ilmu tühjalt kohalt: seda toodavad spetsiaalsed generaatorid, mis asuvad erinevates elektrijaamades. Tänu turbiinilabade pöörlemisele toodab söe või õliga vee soojendamisel tekkiv aur energiat, mis seejärel generaatori abil muudetakse elektriks. Generaatori konstruktsioon on väga lihtne: seadme keskel on tohutu ja väga tugev magnet, mis sunnib elektrilaenguid mööda vasktraate liikuma.
Kuidas elektrivool meie kodudesse jõuab?
Kui teatud kogus elektrivoolu on tekitatud energia (soojus- või tuumaenergia) abil, saab sellega inimesi varustada. See elektrivarustus toimib järgmiselt: selleks, et elekter jõuaks edukalt kõikidesse korteritesse ja ettevõtetesse, tuleb seda “tõugata”. Ja selleks peate suurendama jõudu, mis seda teeb. Seda nimetatakse elektrivoolu pingeks. Tööpõhimõte on järgmine: vool läbib trafot, mis suurendab selle pinget. Järgmisena liigub elektrivool sügavale maa alla või kõrgele paigaldatud kaablite kaudu (sest pinge ulatub mõnikord 10 000 voltini, mis on inimesele surmav). Kui vool jõuab sihtkohta, peab see uuesti läbima trafo, mis vähendab nüüd selle pinget. Seejärel liigub see mööda juhtmeid kortermajadesse või muudesse hoonetesse paigaldatud elektrikilpideni.
Läbi juhtmete kantud elektrit saab kasutada tänu pistikupesade süsteemile, ühendades nendega kodumasinad. Seintes on lisajuhtmed, mille kaudu liigub elektrivool ja just tänu sellele töötab majas valgustus ja kogu tehnika.
Mis on praegune töö?
Elektrivooluga kantud energia muudetakse aja jooksul valguseks või soojuseks. Näiteks kui lülitame sisse lambi, muutub elektriline energiavorm valguseks.
Lihtsamalt öeldes on voolu töö tegevus, mille elekter ise toodab. Pealegi saab seda valemi abil väga lihtsalt välja arvutada. Energia jäävuse seadusele tuginedes võime järeldada, et elektrienergia ei ole kadunud, see on täielikult või osaliselt üle läinud teisele kujule, andes välja teatud koguse soojust. See soojus on töö, mida vool läbib juhi läbimisel ja soojendab seda (toimub soojusvahetus). Selline näeb välja Joule-Lenzi valem: A = Q = U*I*t (töö võrdub soojushulga või voolu võimsuse korrutisega, mille jooksul see läbi juhi voolab).
Mida tähendab alalisvool?
Elektrivoolu on kahte tüüpi: vahelduv ja otsene. Need erinevad selle poolest, et viimane ei muuda oma suunda, sellel on kaks klambrit (positiivne “+” ja negatiivne “-”) ning see alustab liikumist alati “+”-st. Ja vahelduvvoolul on kaks terminali - faas ja null. Just ühe faasi olemasolu tõttu juhi otsas nimetatakse seda ka ühefaasiliseks.
Ühefaasilise vahelduv- ja alalisvoolu konstrueerimise põhimõtted on täiesti erinevad: erinevalt konstantsest muudab vahelduvvool nii oma suunda (moodustab voolu nii faasist nulli kui ka nullist faasi suunas) kui ka suurust. Näiteks vahelduvvool muudab perioodiliselt oma laengu väärtust. Selgub, et sagedusel 50 Hz (50 vibratsiooni sekundis) muudavad elektronid oma liikumissuunda täpselt 100 korda.
Kus kasutatakse alalisvoolu?
Alalisvoolul on mõned omadused. Tulenevalt asjaolust, et see voolab rangelt ühes suunas, on seda keerulisem muuta. Alalisvooluallikateks võib pidada järgmisi elemente:
- patareid (nii leelis- kui happeakud);
- tavalised patareid, mida kasutatakse väikestes seadmetes;
- samuti erinevaid seadmeid, nagu muundurid.
DC töö
Millised on selle peamised omadused? See on töö ja praegune võim ning need mõlemad mõisted on üksteisega väga tihedalt seotud. Võimsus viitab töö kiirusele ajaühikus (1 s kohta). Joule-Lenzi seaduse järgi leiame, et alalisvooluga tehtud töö on võrdne voolu enda tugevuse, pinge ja aja korrutisega, mille jooksul laengute ülekandmiseks tehti elektrivälja tööd. mööda dirigenti.
See on valem voolu töö leidmiseks, võttes arvesse Ohmi seadust juhtide takistuse kohta: A = I 2 *R*t (töö võrdub voolu ruuduga, mis on korrutatud juhi takistuse väärtusega ja korrutatuna uuesti töö tegemise ajaga).
Termin "põlvkond" elektrotehnikas pärineb ladina keelest. See tähendab "sündi". Seoses energiaga võime öelda, et generaatorid on tehnilised seadmed, mis toodavad elektrit.
Tuleb märkida, et elektrivoolu saab toota erinevat tüüpi energia muundamise teel, näiteks:
keemiline;
valgus;
termiline ja teised.
Ajalooliselt on generaatorid struktuurid, mis muudavad pöörleva kineetilise energia elektriks.
Vastavalt toodetud elektri tüübile on generaatorid:
1. DC;
2. muutuja.
Teadlased Oersted ja Faraday avastasid füüsikaseadused, mis võimaldavad luua kaasaegseid elektriseadmeid elektri tootmiseks mehaanilise energia muundamise teel.
Mis tahes generaatori konstruktsioonis realiseeritakse see siis, kui suletud raamis indutseeritakse elektrivool selle ristumise tõttu pöörleva magnetväljaga, mis luuakse koduseks kasutamiseks mõeldud lihtsustatud mudelites või suure võimsusega tööstustoodete ergutusmähiste abil.
Kui raam pöörleb, muutub magnetvoo suurus.
Mähises indutseeritud elektromotoorjõud sõltub raami suletud ahelas S läbiva magnetvoo muutumise kiirusest ja on otseselt võrdeline selle väärtusega. Mida kiiremini rootor pöörleb, seda suurem on genereeritud pinge.
Suletud ahela tekitamiseks ja sellest elektrivoolu ärajuhtimiseks oli vaja luua kollektori ja harja koost, mis tagab pideva kontakti pöörleva raami ja ahela statsionaarse osa vahel.
Tänu vedruga harjade konstruktsioonile, mis surutakse vastu kommutaatori plaate, edastatakse elektrivool väljundklemmidele ja sealt edasi tarbijavõrku.
Lihtsaima alalisvoolu generaatori tööpõhimõte
Kui raam pöörleb ümber oma telje, mööduvad selle vasak ja parem pool tsükliliselt magnetite lõuna- või põhjapooluse lähedalt. Neis muutuvad iga kord hoovuste suunad vastupidiseks, nii et igal poolusel voolavad nad ühes suunas.
Väljundahelas alalisvoolu tekitamiseks luuakse kollektorisõlmele poolrõngas iga mähise poole jaoks. Rõngaga külgnevad harjad eemaldavad ainult nende märgi potentsiaali: positiivne või negatiivne.
Kuna pöörleva raami poolrõngas on avatud, tekivad selles hetked, kui vool saavutab maksimaalse väärtuse või puudub. Selleks, et säilitada mitte ainult suund, vaid ka genereeritud pinge konstantne väärtus, on raam valmistatud spetsiaalselt ettevalmistatud tehnoloogia abil:
see ei kasuta ühte pööret, vaid mitut - sõltuvalt kavandatud pinge väärtusest;
kaadrite arv ei ole piiratud ühe eksemplariga: nad püüavad muuta need piisavaks, et optimaalselt hoida pingelangust samal tasemel.
Alalisvoolugeneraatori puhul paiknevad rootori mähised piludes. See võimaldab teil vähendada indutseeritud elektromagnetvälja kadusid.
Alalisvoolugeneraatorite disainifunktsioonid
Seadme peamised elemendid on:
väline jõuraam;
magnetpoolused;
staator;
pöörlev rootor;
lülitusseade harjadega.
Korpus on valmistatud terase sulamitest või malmist, et tagada kogu struktuurile mehaaniline tugevus. Korpuse lisaülesanne on magnetvoo edastamine pooluste vahel.
Magnetpostid kinnitatakse korpuse külge naastude või poltidega. Neile on paigaldatud mähis.
Staator, mida nimetatakse ka ikkeks või südamikuks, on valmistatud ferromagnetilistest materjalidest. Selle peale asetatakse ergutuspooli mähis. Staatori südamik varustatud magnetpoolustega, mis moodustavad selle magnetjõuvälja.
Rootoril on sünonüüm: ankur. Selle magnetsüdamik koosneb lamineeritud plaatidest, mis vähendavad pöörisvoolude teket ja suurendavad efektiivsust. Südamiku sooned sisaldavad rootorit ja/või iseergutusmähiseid.
Vahetussõlm harjade puhul võib pooluste arv olla erinev, kuid see on alati kahekordne. Harja materjaliks on tavaliselt grafiit. Kollektorplaadid on valmistatud vasest, mis on voolujuhtivuse elektriliste omaduste jaoks kõige optimaalsem metall.
Tänu kommutaatori kasutamisele genereeritakse alalisvoolugeneraatori väljundklemmidel pulseeriv signaal.
Alalisvoolugeneraatorite peamised tüübid
Sõltuvalt ergutusmähise toiteallika tüübist eristatakse seadmeid:
1. eneseergastusega;
2. iseseisva kaasamise alusel töötamine.
Esimesed tooted võivad:
kasutada püsimagneteid;
või töötada välistest allikatest, näiteks akudest, tuuleenergiast...
Sõltumatu lülitusega generaatorid töötavad oma mähisest, mida saab ühendada:
järjestikku;
šundid või paralleelne ergutus.
Üks sellise ühenduse võimalustest on näidatud diagrammil.
Alalisvoolugeneraatori näide on konstruktsioon, mida varem sageli autotööstuses kasutati. Selle struktuur on sama, mis asünkroonsel mootoril.
Sellised kollektorstruktuurid on võimelised töötama samaaegselt mootori või generaatori režiimis. Tänu sellele on need levinud ka olemasolevates hübriidautodes.
Ankurreaktsiooni moodustumise protsess
See ilmneb tühikäigurežiimis, kui harja survejõud on valesti reguleeritud, luues nende hõõrdumise ebaoptimaalse režiimi. See võib põhjustada magnetvälja vähenemist või tulekahju suurenemise tõttu suurenenud sädemete tekke tõttu.
Selle vähendamise viisid on järgmised:
magnetväljade kompenseerimine lisapooluste ühendamise teel;
kommutaatoriharjade asendi nihke reguleerimine.
Alalisvoolugeneraatorite eelised
Need sisaldavad:
hüstereesist ja pöörisvoolude tekkest tingitud kadude puudumine;
töötada äärmuslikes tingimustes;
vähendatud kaal ja väikesed mõõtmed.
Lihtsaima vahelduvvoolugeneraatori tööpõhimõte
Selle disaini sees kasutatakse kõiki samu osi nagu eelmises analoogis:
magnetväli;
pöörlev raam;
kollektoriseade harjadega voolu ärajuhtimiseks.
Peamine erinevus seisneb kommutaatori sõlme konstruktsioonis, mis on loodud selliselt, et raami pöörlemisel läbi harjade tekib pidevalt kontakt selle poole raamiga, muutmata tsükliliselt nende asendit.
Tänu sellele kandub vool, mis muutub vastavalt harmooniliste seadustele igas pooles, täiesti muutumatul kujul harjadele ja seejärel nende kaudu tarbijaahelasse.
Loomulikult luuakse raam optimaalse pinge saavutamiseks mitte ühe pöörde, vaid arvutatud pöörete arvu kerimisega.
Seega on alalis- ja vahelduvvoolugeneraatorite tööpõhimõte tavaline ning disainierinevused seisnevad tootmises:
pöörleva rootori kollektoriüksus;
rootori mähiste konfiguratsioonid.
Tööstuslike vahelduvvoolugeneraatorite disainifunktsioonid
Vaatleme tööstusliku induktsioongeneraatori põhiosi, milles rootor saab pöörleva liikumise lähedalasuvast turbiinist. Staatori konstruktsioon sisaldab elektromagnetit (kuigi magnetvälja saab luua püsimagnetite komplektiga) ja rootori mähist, millel on teatud arv pööre.
Iga pöörde sees indutseeritakse elektromotoorjõud, mis lisatakse järjestikku igasse neist ja moodustab väljundklemmidel ühendatud tarbijate toiteahelasse antud pinge koguväärtuse.
EMF-i amplituudi suurendamiseks generaatori väljundis kasutatakse magnetsüsteemi spetsiaalset konstruktsiooni, mis on valmistatud kahest magnetsüdamikust, kasutades spetsiaalset elektrotehnilist terast soontega lamineeritud plaatide kujul. Nende sisse on paigaldatud mähised.
Generaatori korpuses on piludega staatori südamik, mis mahutab magnetvälja tekitava mähise.
Laagritel pöörleval rootoril on ka soontega magnetahel, mille sisse on paigaldatud mähis, mis võtab vastu indutseeritud emfi. Tavaliselt valitakse pöörlemistelje paigutamiseks horisontaalne suund, kuigi on olemas vertikaalse paigutusega generaatorid ja vastav laagrikujundus.
Staatori ja rootori vahele tekib alati tühimik, mis on vajalik pöörlemise tagamiseks ja kinnikiilumise vältimiseks. Kuid samal ajal kaob magnetilise induktsiooni energia. Seetõttu püüavad nad seda teha võimalikult minimaalseks, võttes optimaalselt arvesse mõlemat nõuet.
Rootoriga samal võllil asuv erguti on suhteliselt väikese võimsusega alalisvoolu elektrigeneraator. Selle eesmärk on varustada elektrienergiaga generaatori mähiseid iseseisva ergastuse olekus.
Selliseid erguteid kasutatakse kõige sagedamini turbiinide või hüdrauliliste elektrigeneraatorite konstruktsioonides põhi- või varumeetodi loomisel.
Tööstusliku generaatori pildil on näha kommutaatori rõngaste ja harjade asukoht pöörlevalt rootori konstruktsioonilt voolude kogumiseks. Töötamise ajal kogeb see seade pidevaid mehaanilisi ja elektrilisi koormusi. Nende ületamiseks luuakse keeruline struktuur, mis töötamise ajal nõuab perioodilisi kontrollimisi ja ennetavaid meetmeid.
Tekkivate tegevuskulude vähendamiseks kasutatakse teist, alternatiivset tehnoloogiat, mis samuti kasutab pöörlevate elektromagnetväljade vahelist vastasmõju. Rootorile asetatakse ainult püsi- või elektrimagnetid ja pinge eemaldatakse statsionaarsest mähisest.
Sellise vooluringi loomisel võib sellist kujundust nimetada terminiks "generaator". Seda kasutatakse sünkroongeneraatorites: kõrgsagedusgeneraatorites, autodes, diiselveduritel ja laevadel, elektrijaamade rajatistes elektrienergia tootmiseks.
Sünkroongeneraatorite omadused
Tööpõhimõte
Tegevuse nimi ja eripära seisneb jäiga seose loomises staatorimähises indutseeritud vahelduva elektromotoorjõu sageduse "f" ja rootori pöörlemise vahel.
Staatorisse on paigaldatud kolmefaasiline mähis ja rootoril on südamiku ja ergutusmähisega elektromagnet, mis saab toidet alalisvooluahelatest läbi harjakommutaatori komplekti.
Rootori paneb pöörlema mehaanilise energia allikas - ajamimootor - samal kiirusel. Selle magnetväli teeb sama liikumise.
Staatori mähistes indutseeritakse võrdse suurusega, kuid 120 kraadi võrra nihutatud elektromotoorjõud, luues kolmefaasilise sümmeetrilise süsteemi.
Tarbijaahelate mähiste otstega ühendamisel hakkavad ahelas toimima faasivoolud, mis moodustavad magnetvälja, mis pöörleb samamoodi: sünkroonselt.
Indutseeritud EMF-i väljundsignaali kuju sõltub ainult magnetilise induktsiooni vektori jaotusseadusest rootori pooluste ja staatori plaatide vahelise pilu sees. Seetõttu püüavad nad sellist kujundust luua, kui induktsiooni suurus muutub vastavalt sinusoidaalsele seadusele.
Kui pilu karakteristikuga on konstantne, luuakse pilu sees olev magnetilise induktsiooni vektor trapetsi kujul, nagu on näidatud joondiagrammil 1.
Kui pooluste servade kuju korrigeeritakse kaldus, kusjuures vahe muutub maksimaalse väärtuseni, siis on võimalik saavutada siinusjaotuse kuju, nagu on näidatud real 2. Seda tehnikat kasutatakse praktikas.
Sünkroongeneraatorite ergutusahelad
Rootori ergutusmähisele “OB” tekkiv magnetmotoorjõud loob selle magnetvälja. Sel eesmärgil on alalisvoolu ergutite konstruktsioonid erinevad, mis põhinevad:
1. kontaktimeetod;
2. kontaktivaba meetod.
Esimesel juhul kasutatakse eraldi generaatorit, mida nimetatakse ergutiks "B". Selle ergutusmähise toiteallikaks on täiendav generaator paralleelse ergastuse põhimõttel, mida nimetatakse "PV" alamergutiks.
Kõik rootorid asetatakse ühisele võllile. Tänu sellele pöörlevad nad täpselt samamoodi. Reostaadid r1 ja r2 reguleerivad voolu erguti ja alamerguti ahelates.
Kontaktivaba meetodiga Rootori libisemisrõngaid pole. Otse sellele paigaldatakse kolmefaasiline ergutimähis. See pöörleb sünkroonselt rootoriga ja edastab elektrilise alalisvoolu läbi kaaspöörleva alaldi otse erguti mähisele “B”.
Kontaktivabade vooluahelate tüübid on järgmised:
1. iseergutussüsteem oma staatorimähisest;
2. automatiseeritud skeem.
Esimese meetodiga staatori mähiste pinge suunatakse alandavale trafole ja seejärel pooljuhtalaldile “PP”, mis genereerib alalisvoolu.
Selle meetodi puhul tekib esialgne ergutus jääkmagnetismi nähtuse tõttu.
Automaatne eneseergastuse loomise skeem hõlmab järgmist:
pingetrafo TN;
automatiseeritud ergutusregulaator AVR;
voolutrafo CT;
alaldi trafo VT;
türistori muundur TP;
BZ kaitseüksus.
Asünkroonsete generaatorite omadused
Põhiline erinevus nende konstruktsioonide vahel on jäiga ühenduse puudumine rootori kiiruse (nr) ja mähises indutseeritud EMF (n) vahel. Nende vahel on alati erinevus, mida nimetatakse "libisemiseks". Seda tähistatakse ladina tähega "S" ja seda väljendatakse valemiga S=(n-nr)/n.
Kui generaatoriga on ühendatud koormus, tekib rootori pööramiseks pidurdusmoment. See mõjutab tekitatud EMF-i sagedust ja tekitab negatiivse libisemise.
Asünkroonsete generaatorite rootori struktuur on valmistatud:
lühises;
faas;
õõnes.
Asünkroonsetel generaatoritel võib olla:
1. iseseisev ergutus;
2. eneseergastus.
Esimesel juhul kasutatakse välist vahelduvpinge allikat ja teisel pooljuhtmuundureid või kondensaatoreid primaar-, sekundaar- või mõlemat tüüpi ahelates.
Seega on vahelduv- ja alalisvoolugeneraatoritel ehituspõhimõtetes palju ühiseid jooni, kuid need erinevad teatud elementide konstruktsiooni poolest.