Electricitatea generată de o persoană poate fi suficientă pentru a încărca un telefon mobil. Neuronii noștri sunt sub tensiune constantă, iar diferența dintre viață și moarte poate fi determinată de undele electrice de pe encefalogramă.
Tratament cu raze
Odată ajuns în Roma antică, fiul unui arhitect bogat și al unui medic aspirant, Claudius Galen se plimba de-a lungul țărmurilor Mării Mediterane. Și apoi o priveliște foarte ciudată i-a întâlnit ochii - doi locuitori din satele din apropiere mergeau spre el, cu razele electrice legate de cap! Așa descrie istoria primul caz cunoscut de utilizare a kinetoterapiei cu ajutorul electricității vie. Metoda a fost luată în considerare de Galen și, într-un mod atât de neobișnuit, a salvat de durerea după rănile gladiatorilor și chiar a vindecat durerea de spate a împăratului Marc Antoniu însuși, care la scurt timp după aceea l-a numit medic personal.
După aceasta, omul a întâlnit nu o dată fenomenul inexplicabil al „electricității vie”. Și experiența nu a fost întotdeauna pozitivă. Așa că, odată, în epoca marilor descoperiri geografice, în largul coastei Amazonului, europenii au întâlnit anghile electrice locale, care generau tensiune electrică în apă de până la 550 de volți. Vai de cel care a căzut accidental în zona de ucidere de trei metri.
Electricitate în toată lumea
Dar, pentru prima dată, știința a acordat atenție electrofizicii, sau mai precis capacității organismelor vii de a genera electricitate, după un incident foarte amuzant cu pulpe de broaște din secolul al XVIII-lea, pe care într-o zi furtunoasă, undeva în Bologna, a început să se zvâcnească din contact. cu fier. Soția profesorului bolognez Luigi Galvatti, care a intrat în măcelărie pentru o delicatesă franțuzească, a văzut această imagine îngrozitoare și i-a spus soțului ei despre spiritele rele care făceau furie în cartier. Dar Galvatti a privit acest lucru din punct de vedere științific și, după 25 de ani de muncă grea, a fost publicată cartea sa „Tratate despre forța electricității în mișcarea musculară”. În ea, omul de știință a afirmat mai întâi că electricitatea există în fiecare dintre noi, iar nervii sunt un fel de „fire electrice”.
Cum functioneaza
Cum generează o persoană energie electrică? Acest lucru se datorează numeroaselor procese biochimice care au loc la nivel celular. Există multe substanțe chimice diferite prezente în corpul nostru - oxigen, sodiu, calciu, potasiu și multe altele. Reacțiile lor între ele produc energie electrică. De exemplu, în procesul de „respirație celulară”, când celula eliberează energie obținută din apă, dioxid de carbon și așa mai departe. La rândul său, este depozitat în compuși chimici speciali de înaltă energie, să le numim „depozitare” și ulterior este folosit „după nevoie”.
Dar acesta este doar un exemplu - există multe procese chimice în corpul nostru care produc electricitate. Fiecare persoană este o adevărată putere și poate fi folosită în viața de zi cu zi.
Generăm mulți wați?
Energia umană ca sursă alternativă de energie a încetat de mult să fie un vis al scriitorilor de science fiction. Oamenii au perspective mari ca generatori de electricitate; aceasta poate fi generată din aproape oricare dintre acțiunile noastre. Așadar, dintr-o singură respirație poți obține 1 W, iar un pas calm este suficient pentru a alimenta un bec de 60 W și va fi suficient pentru a-ți încărca telefonul. Deci, o persoană poate rezolva literalmente problema cu resurse și surse alternative de energie.
Tot ce mai rămâne de făcut este să învățăm să transferăm energia pe care o irosim atât de inutil „acolo unde este nevoie”. Iar cercetătorii au deja propuneri în acest sens. Astfel, efectul piezoelectricității, care creează tensiune din acțiunea mecanică, este studiat activ. Pe baza acestuia, în 2011, oamenii de știință australieni au propus un model de computer care să fie încărcat prin apăsarea tastelor. În Coreea, ei dezvoltă un telefon care va fi încărcat din conversații, adică din unde sonore, iar un grup de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din Georgia a creat un prototip funcțional al unui „nanogenerator” făcut din oxid de zinc, care este implantat în corpul uman și generează curent din fiecare mișcare a noastră.
Dar asta nu este tot, pentru a ajuta panourile solare din unele orașe, vor obține energie din orele de vârf, mai precis din vibrațiile atunci când pietonii și mașinile merg, și apoi o vor folosi pentru a ilumina orașul. Această idee a fost propusă de arhitecții londonezi de la firma Facility Architects. Ei spun: „În orele de vârf, 34.000 de oameni trec prin Victoria Station în 60 de minute. Nu este nevoie de un geniu matematic pentru a realiza că, dacă această energie poate fi valorificată, ar putea crea de fapt o sursă foarte utilă de energie care este în prezent irosită.” Apropo, japonezii folosesc deja turnichete pentru asta în metroul din Tokyo, prin care trec sute de mii de oameni în fiecare zi. La urma urmei, căile ferate sunt principalele artere de transport ale Țării Soarelui Răsare.
„Valuri ale morții”
Apropo, electricitatea vie este cauza multor fenomene foarte ciudate pe care știința încă nu le poate explica. Poate cel mai faimos dintre ele este „valul morții”, a cărui descoperire a condus la o nouă etapă de dezbatere despre existența sufletului și natura „experienței aproape de moarte” pe care o raportează uneori oamenii care au experimentat moartea clinică. .
În 2009, într-unul dintre spitalele americane, s-au prelevat encefalograme de la nouă oameni muribunzi care la acea vreme nu mai puteau fi salvați. Experimentul a fost realizat pentru a rezolva o dispută etică de lungă durată despre momentul în care o persoană este cu adevărat moartă. Rezultatele au fost senzaționale - după moarte, creierul tuturor subiecților, care ar fi trebuit deja uciși, a explodat literalmente - în el au apărut explozii incredibil de puternice de impulsuri electrice, care nu fuseseră niciodată observate la o persoană vie. Au avut loc la două până la trei minute după stopul cardiac și au durat aproximativ trei minute. Anterior, au fost efectuate experimente similare pe șobolani, în care același lucru a început la un minut după moarte și a durat 10 secunde. Oamenii de știință au numit în mod fatal acest fenomen „un val al morții”.
Explicația științifică pentru „valurile morții” a ridicat multe întrebări etice. Potrivit unuia dintre experimentatori, dr. Lakhmir Chawla, astfel de explozii de activitate cerebrală se explică prin faptul că, din lipsa de oxigen, neuronii pierd potențialul electric și se descarcă, emițând impulsuri „ca avalanșă”. Neuronii „vii” sunt în mod constant sub o tensiune negativă mică - 70 de minivolți, care este menținută prin eliminarea ionilor pozitivi care rămân în exterior. După moarte, echilibrul este perturbat, iar neuronii își schimbă rapid polaritatea de la „minus” la „plus”. De aici „valul morții”.
Dacă această teorie este corectă, „unda morții” de pe encefalogramă trasează acea linie evazivă dintre viață și moarte. După aceasta, funcționarea neuronului nu poate fi restabilită; organismul nu va mai putea primi impulsuri electrice. Cu alte cuvinte, nu mai are rost ca medicii să lupte pentru viața unei persoane.
Dar dacă priviți problema din cealaltă parte. Sugerați că „unda morții” este ultima încercare a creierului de a da inimii o descărcare electrică pentru a-și restabili funcționarea. În acest caz, în timpul „valului morții” nu ar trebui să vă încrucișați brațele, ci mai degrabă să folosiți această șansă pentru a salva vieți. Acesta este ceea ce spune medicul de resuscitare Lance-Becker de la Universitatea din Pennsylvania, subliniind că au existat cazuri în care o persoană „a prins viață” după un „val”, ceea ce înseamnă că o creștere puternică a impulsurilor electrice în corpul uman, și apoi un declin, nu poate fi încă considerat ultimul prag.
Curentul electric este principalul tip de energie care efectuează lucrări utile în toate sferele vieții umane. Pune în mișcare diverse mecanisme, oferă lumină, încălzește case și animă o mulțime de dispozitive care ne asigură existența confortabilă pe planetă. Într-adevăr, acest tip de energie este universal. Puteți obține orice din el și chiar distrugeri mari dacă este folosit inadecvat.
Dar a existat o vreme când efectele electrice erau încă prezente în natură, dar nu i-au ajutat în niciun fel pe oameni. Ce s-a schimbat de atunci? Oamenii au început să studieze fenomenele fizice și au venit cu mașini interesante - convertoare, care, în general, au făcut un salt revoluționar în civilizația noastră, permițând unei persoane să primească o energie de la alta.
Așa au învățat oamenii să genereze electricitate din metal obișnuit, magneți și mișcare mecanică - asta este tot. Au fost construite generatoare capabile să producă fluxuri colosale de energie, în valoare de megawați. Dar este interesant că principiul de funcționare al acestor mașini nu este atât de complicat și poate fi destul de înțeles chiar și pentru un adolescent. Ce este? Să încercăm să înțelegem această problemă.
Efect de inducție electromagnetică
Baza apariției curentului electric într-un conductor este forța electromotoare - EMF. Este capabil să provoace mișcarea particulelor încărcate, dintre care există multe în orice metal. Această forță apare numai dacă conductorul experimentează o modificare a intensității câmpului magnetic. Efectul în sine se numește inducție electromagnetică. Cu cât viteza de schimbare a fluxului undelor magnetice este mai mare, cu atât este mai mare fem. Adică, puteți muta un conductor lângă un magnet permanent sau puteți influența un fir staționar cu câmpul unui electromagnet, schimbându-i puterea, efectul va fi același - un curent electric va apărea în conductor.
Oamenii de știință Oersted și Faraday au lucrat la această problemă în prima jumătate a secolului al XIX-lea. Au descoperit și acest fenomen fizic. Ulterior, au fost create generatoare de curent și motoare electrice pe baza inducției electromagnetice. Interesant este că aceste mașini pot fi ușor transformate unele în altele.
Cum funcționează generatoarele DC și AC?
Este clar că un generator de curent electric este o mașină electromecanică care produce curent. Dar, de fapt, este un convertor de energie: vânt, apă, căldură, orice într-un EMF, care provoacă deja un curent în conductor. Designul oricărui generator nu este în mod fundamental diferit de un circuit conductor închis care se rotește între polii unui magnet, ca în primele experimente ale oamenilor de știință. Doar mărimea fluxului magnetic creat de magneți permanenți puternici sau, mai des, electrici este mult mai mare. Circuitul închis are forma unei înfășurări cu mai multe spire, dintre care într-un generator modern nu există unul, ci cel puțin trei. Toate acestea se fac pentru a obține cel mai mare EMF posibil.
Un generator electric standard AC (sau DC) este format din:
- Locuințe. Îndeplinește funcția de cadru în interiorul căruia este montat un stator cu poli de electromagneți. Conține rulmenți de rulare ai arborelui rotorului. Este fabricat din metal, protejează și întreaga umplere internă a mașinii.
- Stator cu poli magnetici.Înfășurarea de excitație a fluxului magnetic este atașată la acesta. Este realizat din otel feromagnetic.
- Rotor sau armătură. Aceasta este partea mobilă a generatorului, al cărei arbore este antrenat în rotație de o forță străină. O înfășurare cu autoexcitare este plasată pe miezul armăturii, unde este generat curentul electric.
- Nod de comutare. Acest element structural servește la eliminarea electricității din arborele rotorului mobil. Include inele conductoare care sunt conectate mobil la contacte de colectare a curentului din grafit.
Crearea curentului continuu
Într-un generator care produce curent continuu, circuitul conductor se rotește în spațiul de saturație magnetică. Mai mult, pentru un anumit moment de rotație, fiecare jumătate a circuitului se dovedește a fi aproape de unul sau altul pol. Sarcina din conductor se mișcă într-o direcție în timpul acestei jumătăți de tură.
Pentru a obține îndepărtarea particulelor, se realizează un mecanism de îndepărtare a energiei. Particularitatea sa este că fiecare jumătate a înfășurării (cadru) este conectată la un semi-inel conductiv. Jumătățile inele nu sunt închise între ele, ci sunt fixate pe un material dielectric. În perioada în care o parte a înfășurării începe să treacă de un anumit pol, jumătatea inelului este închisă în circuitul electric prin grupuri de contact cu perii. Se dovedește că la fiecare terminal vine un singur tip de potențial.
Ar fi mai corect să numim energia nu constantă, ci pulsantă, cu polaritate constantă. Ondularea este cauzată de faptul că fluxul magnetic pe conductor în timpul rotației are atât influență maximă, cât și minimă. Pentru a echilibra această ondulație, mai multe înfășurări sunt utilizate pe rotor și condensatoare puternice la intrarea circuitului. Pentru a reduce pierderile de flux magnetic, distanța dintre armătură și stator este menținută la minimum.
Circuitul alternatorului
Când partea mobilă a dispozitivului generator de curent se rotește, un EMF este, de asemenea, indus în conductorii cadru, ca într-un generator de curent continuu. Dar există o mică particularitate - generatorul de curent alternativ are un design diferit pentru unitatea de colectare. În el, fiecare terminal este conectat la propriul său inel conductor.
Principiul de funcționare al unui generator de curent alternativ este următorul: când jumătate din înfășurare trece în apropierea unui pol (celălalt, respectiv, lângă polul opus), curentul se mișcă în circuit într-o direcție de la valoarea sa minimă la cea mai mare. și din nou la zero. De îndată ce înfășurările își schimbă poziția față de poli, curentul începe să se miște în direcția opusă cu același model.
În acest caz, la intrarea circuitului, se obține o formă de semnal sub forma unui sinusoid cu o frecvență de semiundă corespunzătoare perioadei de rotație a arborelui rotorului. Pentru a obține un semnal stabil la ieșire, unde frecvența alternatorului este constantă, perioada de rotație a piesei mecanice trebuie să fie constantă.
tip de gaz
Proiectele generatoarelor de curent, în care în loc de un cadru metalic este folosită plasmă conductivă, lichid sau gaz ca purtător de sarcină, se numesc generatoare MHD. Substanțele sub presiune sunt conduse într-un câmp de intensitate magnetică. Sub influența aceleiași feme induse, particulele încărcate capătă mișcare direcțională, creând un curent electric. Mărimea curentului este direct proporțională cu viteza de trecere prin fluxul magnetic, precum și cu puterea acestuia.
Generatoarele MHD au o soluție de proiectare mai simplă - nu au mecanism de rotație a rotorului. Astfel de surse de alimentare sunt capabile să furnizeze cantități mari de energie în perioade scurte de timp. Sunt folosite ca dispozitive de rezervă și în situații de urgență. Coeficientul care determină acțiunea utilă (eficiența) acestor mașini este mai mare decât cel al unui generator electric de curent alternativ.
Generator de curent alternativ sincron
Există următoarele tipuri de generatoare de curent alternativ:
- Mașinile sunt sincrone.
- Mașinile sunt asincrone.
Un alternator sincron are o relație fizică strictă între mișcarea de rotație a rotorului și electricitate. În astfel de sisteme, rotorul este un electromagnet asamblat din miezuri, poli și înfășurări excitante. Acestea din urmă sunt alimentate de la o sursă de curent continuu prin perii și contacte inelare. Statorul este o bobină de sârmă conectată între ele conform principiului stea cu un punct comun - zero. EMF este deja indus în ele și se generează curent.
Arborele rotorului este antrenat de o forță externă, de obicei turbine, a căror frecvență este sincronizată și constantă. Circuitul electric conectat la un astfel de generator este un circuit trifazat, a cărui frecvență a curentului într-o linie separată este defazată cu 120 de grade față de celelalte linii. Pentru a obține sinusoidul corect, direcția fluxului magnetic în spațiul dintre părțile statorului și rotorului este controlată de proiectarea acestuia din urmă.
Alternatorul este excitat prin două metode:
- A lua legatura.
- Fără contact.
Într-un circuit de excitație de contact, electricitatea este furnizată înfășurărilor electromagneților printr-o pereche de perii de la un alt generator. Acest generator poate fi combinat cu arborele principal. De obicei are mai puțină putere, dar suficientă pentru a crea un câmp magnetic puternic.
Principiul fără contact prevede că generatorul de curent alternativ sincron de pe arbore are înfășurări trifazate suplimentare, în care este indusă o fem în timpul rotației și este generată electricitate. Este alimentat printr-un circuit de redresare la bobinele de excitație ale rotorului. Din punct de vedere structural, un astfel de sistem nu are contacte mobile, ceea ce simplifică sistemul, făcându-l mai fiabil.
Generator asincron
Există un generator de curent alternativ asincron. Dispozitivul său diferă de cel sincron. Nu are o dependență exactă a EMF de frecvența la care se rotește arborele rotorului. Există un astfel de concept ca „alunecarea S”, care caracterizează această diferență de influență. Cantitatea de alunecare este determinată prin calcul, deci este greșit să credem că nu există un model pentru procesul electromecanic într-un motor asincron.
Dacă un generator care funcționează în gol este încărcat, curentul care curge în înfășurări va crea un flux magnetic care împiedică rotorul să se rotească la o anumită frecvență. Acest lucru creează alunecare, care afectează în mod natural generarea de CEM.
Un generator de curent alternativ asincron modern are un dispozitiv cu parte mobilă în trei modele diferite:
- Rotor gol.
- Rotor cu colivie.
- Rotor de alunecare.
Astfel de mașini pot avea excitație autonomă și independentă. Primul circuit este implementat prin includerea condensatoarelor și convertoarelor semiconductoare în înfășurare. Excitația de tip independent este creată de o sursă suplimentară de curent alternativ.
Scheme de conectare a generatorului
Toate sursele de putere de mare putere pentru liniile electrice produc curent electric trifazat. Acestea conțin trei înfășurări în care sunt generați curenți alternativi cu o fază defazată unul față de celălalt cu 1/3 din perioadă. Dacă luăm în considerare fiecare înfășurare individuală a unei astfel de surse de energie, obținem un curent alternativ monofazat care curge în linie. Un generator poate produce o tensiune de zeci de mii de volți. consumatorul primeşte de la transformatorul de distribuţie.
Orice generator de curent alternativ are un dispozitiv de înfășurare standard, dar există două tipuri de conexiune la sarcină:
- stea;
- triunghi.
Principiul de funcționare al unui generator de curent alternativ conectat în stea implică combinarea tuturor firelor (neutre) într-unul singur, care merg de la sarcină înapoi la generator. Acest lucru se datorează faptului că semnalul (curent electric) este transmis în principal prin firul de înfășurare de ieșire (liniar), care se numește fază. În practică, acest lucru este foarte convenabil, deoarece nu trebuie să trageți trei fire suplimentare pentru a conecta consumatorul. Tensiunea dintre firele de linie și firele de linie și neutru va fi diferită.
Prin conectarea înfășurărilor generatorului cu un triunghi, acestea sunt închise între ele în serie într-un singur circuit. Din punctele lor de conectare, liniile sunt trasate către consumator. Atunci nu este deloc nevoie de un fir neutru, iar tensiunea pe fiecare linie va fi aceeași, indiferent de sarcină.
Avantajul curentului trifazat față de curentul monofazat este ondulația sa mai mică în timpul redresării. Acest lucru are un efect pozitiv asupra dispozitivelor alimentate, în special motoarelor de curent continuu. De asemenea, curentul trifazat creează un flux de câmp magnetic rotativ, care este capabil să conducă motoare asincrone puternice.
Unde sunt aplicabile generatoarele DC și AC?
Generatoarele de curent continuu sunt semnificativ mai mici ca dimensiune și greutate decât mașinile cu curent alternativ. Având un design mai complex decât acesta din urmă, ele și-au găsit totuși aplicație în multe industrii.
Ele sunt utilizate în principal ca acționări de mare viteză în mașini în care este necesar controlul vitezei, de exemplu, în mecanismele de prelucrare a metalelor, ascensoare de mine și laminoare. În transport, astfel de generatoare sunt instalate pe locomotive diesel și pe diverse nave. Multe modele de generatoare eoliene sunt asamblate pe baza surselor de tensiune constante.
Generatoarele de curent continuu cu destinație specială sunt utilizate în sudare, pentru a excita înfășurările generatoarelor de tip sincron, ca amplificatoare de curent continuu și pentru a alimenta instalațiile galvanice și de electroliză.
Scopul unui alternator este de a genera energie electrică la scară industrială. Acest tip de energie a fost dat umanității de Nikola Tesla. De ce curentul care schimbă polaritatea, și nu curentul constant, este utilizat pe scară largă? Acest lucru se datorează faptului că la transmiterea tensiunii constante există pierderi mari în fire. Și cu cât firul este mai lung, cu atât pierderile sunt mai mari. Tensiunea AC poate fi transportată pe distanțe mari la costuri mult mai mici. Mai mult, puteți converti cu ușurință tensiunea alternativă (scăderea și creșterea acesteia), care a fost generată de un generator de 220 V.
Concluzie
Omul nu a înțeles pe deplin ce pătrunde în tot ceea ce îl înconjoară. Iar energia electrică este doar o mică parte din secretele deschise ale universului. Mașinile pe care le numim generatoare de energie sunt foarte simple în esență, dar ceea ce pot face pentru noi este pur și simplu uimitor. Totuși, adevăratul miracol aici nu este în tehnologie, ci în gândirea umană, care a putut pătrunde în rezervorul inepuizabil de idei vărsate în spațiu!
Un generator electric este o mașină sau o instalație concepută pentru a transforma energia neelectrică în energie electrică: mecanică în electrică, chimică în electrică, termică în electrică etc. Astăzi, când spunem cuvântul „generator”, ne referim în general la un convertor de energie mecanică.energie – în energie electrică.
Acesta ar putea fi un generator portabil pe motorină sau pe benzină, un generator de centrală nucleară, un generator de mașină, un generator de casă de la un motor electric asincron sau un generator de viteză mică pentru o moară de vânt cu putere redusă. La sfârșitul articolului ne vom uita la cele mai comune două generatoare ca exemplu, dar mai întâi vom vorbi despre principiile funcționării lor.
Într-un fel sau altul, din punct de vedere fizic, principiul de funcționare al fiecăruia dintre generatoarele mecanice este același: când, atunci când liniile câmpului magnetic traversează un conductor, în acest conductor apare o fem indusă. Sursele de forță care conduc la mișcarea reciprocă a conductorului și a câmpului magnetic pot fi diverse procese, dar, ca urmare, este întotdeauna necesar să se obțină o fem și un curent de la generator pentru a alimenta sarcina.
Principiul de funcționare al unui generator electric - Legea lui Faraday
Principiul de funcționare a unui generator electric a fost descoperit în 1831 de către fizicianul englez Michael Faraday. Acest principiu a fost numit mai târziu legea lui Faraday. Constă în faptul că atunci când un conductor traversează un câmp magnetic perpendicular, la capetele acestui conductor apare o diferență de potențial.
Primul generator a fost construit de Faraday însuși conform principiului descoperit de el; a fost un „disc Faraday” - un generator unipolar în care un disc de cupru se rotește între polii unui magnet de potcoavă. Dispozitivul producea un curent semnificativ la tensiune joasă.
Ulterior s-a constatat că conductoarele izolate individuale din generatoare sunt mult mai eficiente din punct de vedere practic decât un disc conducător solid. Și în generatoarele moderne sunt acum folosite înfășurările statorului de sârmă (în cel mai simplu caz demonstrativ, o bobină de sârmă).
Alternator
Marea majoritate a generatoarelor moderne sunt generatoare de curent alternativ sincron. Au o înfășurare de armătură pe stator, din care este îndepărtată energia electrică generată. Pe rotor există o înfășurare de excitație, la care este furnizat un curent continuu printr-o pereche de inele colectoare pentru a produce un câmp magnetic rotativ de la rotorul în rotație.
Datorită fenomenului de inducție electromagnetică, atunci când rotorul se rotește dintr-o unitate externă (de exemplu, de la un motor cu ardere internă), fluxul său magnetic traversează alternativ fiecare dintre fazele înfășurării statorului și astfel induce un EMF în ele.
Cel mai adesea, există trei faze, acestea sunt deplasate fizic pe armătură una față de alta cu 120 de grade, astfel încât se obține un curent sinusoidal trifazat. Fazele pot fi conectate într-o configurație stea sau delta pentru a obține.
Frecvența EMF sinusoidală f este proporțională cu frecvența de rotație a rotorului: f = np/60, unde - p este numărul de perechi de plusuri magnetice ale rotorului, n este numărul de rotații ale rotorului pe minut. De obicei, viteza maximă a rotorului este de 3000 rpm. Dacă conectați un redresor trifazat la înfășurările statorice ale unui astfel de generator sincron, veți obține un generator de curent continuu (apropo, toate generatoarele auto funcționează astfel).
Generator sincron cu trei mașini
Desigur, generatorul sincron clasic are un dezavantaj serios - rotorul are inele colectoare și perii adiacente acestora. Periile fac scântei și uzură din cauza frecării și eroziunii electrice. Acest lucru nu este permis într-un mediu exploziv. Prin urmare, în aviație și în generatoarele diesel, generatoarele sincrone fără contact, în special cele cu trei mașini, sunt mai frecvente.
Dispozitivele cu trei mașini au trei mașini instalate într-o singură carcasă: un pre-excitator, un excitator și un generator - pe un arbore comun. Preexcitatorul este un generator sincron, este excitat de magneți permanenți pe arbore, tensiunea pe care o generează este furnizată înfășurării statorului a excitatorului.
Statorul excitator acționează pe o înfășurare a rotorului conectată la un redresor trifazat atașat acestuia, de la care este alimentată înfășurarea principală de excitație a generatorului. Generatorul generează curent în statorul său.
Generatoare portabile pe gaz, diesel si benzina
Astăzi sunt foarte frecvente în gospodăriile care folosesc motoarele cu ardere internă ca motoare de antrenare - un motor cu ardere internă care transmite rotația mecanică rotorului generatorului.
Generatoarele de combustibil lichid au rezervoare de combustibil, în timp ce generatoarele de gaz trebuie să furnizeze combustibil printr-o conductă, astfel încât gazul să fie apoi furnizat către carburator, unde devine o parte integrantă a amestecului de combustibil.
În toate cazurile, amestecul de combustibil este ars într-un sistem de piston, antrenând arborele cotit. Este asemănător cu modul în care funcționează un motor de mașină. Arborele cotit rotește rotorul unui generator sincron fără contact (alternator).
Andrei Povny
Aceasta este mișcarea ordonată a anumitor particule încărcate. Pentru a utiliza în mod competent întregul potențial al electricității, este necesar să înțelegeți clar toate principiile structurii și funcționării curentului electric. Deci, să ne dăm seama ce sunt munca și puterea curentă.
De unde vine chiar curentul electric?
În ciuda aparentei simplități a întrebării, puțini sunt capabili să dea un răspuns inteligibil. Desigur, în zilele noastre, când tehnologia se dezvoltă cu o viteză incredibilă, oamenii nu se gândesc prea mult la lucruri de bază precum principiul de funcționare a curentului electric. De unde vine electricitatea? Cu siguranță mulți vor răspunde: „Ei bine, din priză, desigur” sau pur și simplu vor ridica din umeri. Între timp, este foarte important să înțelegem cum funcționează curentul. Acest lucru ar trebui să fie cunoscut nu numai oamenilor de știință, ci și oamenilor care nu au nicio legătură cu lumea științei, pentru dezvoltarea lor globală diversificată. Dar nu toată lumea poate folosi în mod competent principiul de funcționare al curentului.
Deci, mai întâi trebuie să înțelegeți că electricitatea nu apare de nicăieri: este produsă de generatoare speciale care sunt amplasate la diferite centrale electrice. Datorită rotației palelor turbinei, aburul produs prin încălzirea apei cu cărbune sau ulei produce energie, care este ulterior transformată în energie electrică cu ajutorul unui generator. Designul generatorului este foarte simplu: în centrul dispozitivului se află un magnet uriaș și foarte puternic, care forțează sarcinile electrice să se deplaseze de-a lungul firelor de cupru.
Cum ajunge curentul electric în casele noastre?
După ce o anumită cantitate de curent electric a fost generată folosind energie (termică sau nucleară), acesta poate fi furnizat oamenilor. Această furnizare de energie electrică funcționează după cum urmează: pentru ca electricitatea să ajungă cu succes la toate apartamentele și afacerile, trebuie să fie „push”. Și pentru aceasta va trebui să creșteți forța care va face acest lucru. Se numește tensiune de curent electric. Principiul de funcționare este următorul: curentul trece printr-un transformator, ceea ce îi crește tensiunea. În continuare, curentul electric trece prin cabluri instalate adânc în subteran sau la înălțime (deoarece tensiunea ajunge uneori la 10.000 de volți, ceea ce este mortal pentru oameni). Când curentul ajunge la destinație, trebuie să treacă din nou prin transformator, care acum își va reduce tensiunea. Apoi se deplasează de-a lungul cablurilor până la tablourile de distribuție instalate în blocuri sau alte clădiri.
Electricitatea transportată prin fire poate fi folosită datorită unui sistem de prize, care conectează la acestea aparatele de uz casnic. Există fire suplimentare în pereți prin care curge curentul electric și datorită acestui lucru funcționează iluminatul și toate echipamentele din casă.
Ce este munca curentă?
Energia transportată de un curent electric este transformată în timp în lumină sau căldură. De exemplu, atunci când aprindem o lampă, forma electrică a energiei se transformă în lumină.
Pentru a spune într-un limbaj simplu, munca curentului este acțiunea pe care electricitatea însăși a produs-o. Mai mult, poate fi foarte ușor de calculat folosind formula. Pe baza legii conservării energiei, putem concluziona că energia electrică nu s-a pierdut, s-a transferat complet sau parțial într-o altă formă, degajând o anumită cantitate de căldură. Această căldură este munca făcută de curent atunci când trece prin conductor și îl încălzește (se produce schimbul de căldură). Așa arată formula Joule-Lenz: A = Q = U*I*t (lucrarea este egală cu cantitatea de căldură sau produsul puterii curente și timpul în care curge prin conductor).
Ce înseamnă curent continuu?
Curentul electric este de două tipuri: alternativ și continuu. Ele diferă prin faptul că acesta din urmă nu își schimbă direcția, are două cleme (pozitiv „+” și negativ „-”) și își începe întotdeauna mișcarea de la „+”. Și curentul alternativ are două terminale - fază și zero. Tocmai din cauza prezenței unei faze la capătul conductorului se mai numește și monofazat.
Principiile de proiectare a curentului electric alternativ și continuu monofazat sunt complet diferite: spre deosebire de constant, curentul alternativ își schimbă atât direcția (formând un flux atât de la fază spre zero, cât și de la zero către fază), cât și amploarea sa. De exemplu, curentul alternativ modifică periodic valoarea încărcăturii sale. Se dovedește că la o frecvență de 50 Hz (50 de vibrații pe secundă), electronii își schimbă direcția mișcării de exact 100 de ori.
Unde se folosește DC?
Curentul electric continuu are unele caracteristici. Datorită faptului că curge strict într-o singură direcție, este mai dificil să-l transformi. Următoarele elemente pot fi considerate surse DC:
- baterii (atât alcaline, cât și acide);
- baterii obișnuite utilizate în dispozitive mici;
- precum și diverse dispozitive precum convertoare.
Funcționare DC
Care sunt principalele sale caracteristici? Aceasta este munca și puterea actuală, iar ambele concepte sunt foarte strâns legate între ele. Puterea se referă la viteza de lucru pe unitatea de timp (pe 1 s). Conform legii Joule-Lenz, constatăm că munca efectuată de un curent electric continuu este egală cu produsul dintre puterea curentului însuși, tensiunea și timpul în care a fost efectuată munca câmpului electric pentru a transfera sarcini. de-a lungul conductorului.
Aceasta este formula pentru aflarea lucrului curentului, ținând cont de legea lui Ohm asupra rezistenței în conductori: A = I 2 *R*t (lucrarea este egală cu pătratul curentului înmulțit cu valoarea rezistenței conductorului și din nou înmulțit cu timpul în care s-a făcut munca).
Termenul „generație” în inginerie electrică provine din latină. Înseamnă „naștere”. În ceea ce privește energia, putem spune că generatoarele sunt dispozitive tehnice care generează energie electrică.
Trebuie remarcat faptul că curentul electric poate fi produs prin conversia diferitelor tipuri de energie, de exemplu:
chimic;
ușoară;
termice si altele.
Din punct de vedere istoric, generatoarele sunt structuri care convertesc energia cinetică de rotație în electricitate.
În funcție de tipul de energie electrică generată, generatoarele sunt:
1. DC;
2. variabilă.
Legile fizice care fac posibilă crearea de instalații electrice moderne pentru generarea de energie electrică prin transformarea energiei mecanice au fost descoperite de oamenii de știință Oersted și Faraday.
În proiectarea oricărui generator, se realizează atunci când curentul electric este indus într-un cadru închis datorită intersecției sale cu un câmp magnetic rotativ, care este creat în modele simplificate pentru uz casnic sau prin înfășurări de excitație pe produse industriale de mare putere.
Când cadrul se rotește, mărimea fluxului magnetic se modifică.
Forța electromotoare indusă în bobină depinde de viteza de schimbare a fluxului magnetic care trece prin cadru într-o buclă închisă S și este direct proporțională cu valoarea acestuia. Cu cât rotorul se rotește mai repede, cu atât este mai mare tensiunea generată.
Pentru a crea un circuit închis și a scurge curentul electric din acesta, a fost necesar să se creeze un colector și un ansamblu perie care să asigure contactul constant între cadrul rotativ și partea staționară a circuitului.
Datorită designului periilor cu arc, care sunt apăsate pe plăcile comutatorului, curentul electric este transmis la bornele de ieșire, iar din acestea curge apoi în rețeaua de consumatori.
Principiul de funcționare al celui mai simplu generator de curent continuu
Când cadrul se rotește în jurul axei sale, jumătățile sale stânga și dreaptă trec ciclic lângă polul sud sau nord al magneților. În ele, de fiecare dată direcțiile curenților se schimbă în sens opus astfel încât la fiecare pol să curgă într-o singură direcție.
Pentru a crea un curent continuu în circuitul de ieșire, pe nodul colector este creat un semi-inel pentru fiecare jumătate a înfășurării. Periile adiacente inelului îndepărtează doar potențialul semnului lor: pozitiv sau negativ.
Deoarece jumătatea inelului cadrului rotativ este deschis, în el se creează momente când curentul atinge valoarea maximă sau este absent. Pentru a menține nu numai direcția, ci și o valoare constantă a tensiunii generate, cadrul este realizat folosind o tehnologie special pregătită:
folosește nu o tură, ci mai multe - în funcție de valoarea tensiunii planificate;
numărul de cadre nu este limitat la o copie: ele încearcă să le facă suficiente pentru a menține în mod optim căderile de tensiune la același nivel.
Pentru un generator de curent continuu, înfășurările rotorului sunt amplasate în fante. Acest lucru vă permite să reduceți pierderile de câmp electromagnetic indus.
Caracteristicile de proiectare ale generatoarelor de curent continuu
Principalele elemente ale dispozitivului sunt:
cadru extern de alimentare;
poli magnetici;
stator;
rotor rotativ;
unitate de comutare cu perii.
Corpul este realizat din aliaje de oțel sau fontă pentru a oferi rezistență mecanică structurii generale. O sarcină suplimentară a carcasei este transmiterea fluxului magnetic între poli.
Polii magnetici sunt atașați la carcasă cu știfturi sau șuruburi. Pe ele este montată o înfășurare.
Statorul, numit și jug sau miez, este realizat din materiale feromagnetice. Pe ea este plasată bobina de excitație. Miezul statorului echipat cu poli magnetici care formează câmpul său de forță magnetică.
Rotorul are un sinonim: ancora. Miezul său magnetic este format din plăci laminate, care reduc formarea de curenți turbionari și cresc eficiența. Canelurile miezului conțin rotorul și/sau înfășurările cu autoexcitare.
Nod de comutare cu perii poate avea un număr diferit de poli, dar este întotdeauna un multiplu de doi. Materialul periei este de obicei grafit. Plăcile colectoare sunt realizate din cupru, ca fiind cel mai optim metal potrivit pentru proprietățile electrice ale conductivității curentului.
Datorită utilizării unui comutator, un semnal pulsatoriu este generat la bornele de ieșire ale generatorului de curent continuu.
Principalele tipuri de modele de generatoare de curent continuu
În funcție de tipul de alimentare a înfășurării de excitație, dispozitivele se disting:
1. cu autoexcitare;
2. lucrând pe baza incluziunii independente.
Primele produse pot:
utilizați magneți permanenți;
sau lucrați din surse externe, de exemplu, baterii, energie eoliană...
Generatoarele cu comutare independentă funcționează din propria înfășurare, care poate fi conectată:
secvenţial;
șunturi sau excitație paralelă.
Una dintre opțiunile pentru o astfel de conexiune este prezentată în diagramă.
Un exemplu de generator de curent continuu este un design care anterior a fost adesea folosit în aplicații auto. Structura sa este aceeași cu cea a unui motor asincron.
Astfel de structuri colectoare sunt capabile să funcționeze simultan în modul motor sau generator. Datorită acestui fapt, acestea s-au răspândit în mașinile hibride existente.
Procesul de formare a unei reacții de ancorare
Apare în modul inactiv atunci când forța de apăsare a periei este reglată incorect, creând un mod neoptim al frecării acestora. Acest lucru poate duce la câmpuri magnetice reduse sau un incendiu din cauza generării crescute de scântei.
Modalitățile de reducere a acestuia sunt:
compensarea câmpurilor magnetice prin conectarea unor poli suplimentari;
reglarea deplasării poziţiei periilor de comutator.
Avantajele generatoarelor de curent continuu
Acestea includ:
fără pierderi din cauza histerezisului și formării de curenți turbionari;
munca in conditii extreme;
greutate redusă și dimensiuni reduse.
Principiul de funcționare al celui mai simplu generator de curent alternativ
În interiorul acestui design sunt folosite aceleași părți ca și în analogul anterior:
un câmp magnetic;
cadru rotativ;
unitate colectoare cu perii pentru scurgerea curentului.
Principala diferență constă în designul unității de comutator, care este creat în așa fel încât atunci când cadrul se rotește prin perii, contactul este constant creat cu jumătatea sa din cadrul, fără a schimba ciclic poziția acestora.
Datorită acestui fapt, curentul, modificându-se conform legilor armonicelor în fiecare jumătate, este transmis complet neschimbat la perii și apoi prin acestea către circuitul de consum.
Desigur, cadrul este creat prin înfășurarea nu a unei spire, ci a unui număr calculat de spire pentru a obține o tensiune optimă.
Astfel, principiul de funcționare al generatoarelor de curent continuu și alternativ este comun, iar diferențele de proiectare se află în producție:
unitate colectoare cu rotor rotativ;
configurații de înfășurare pe rotor.
Caracteristici de proiectare ale generatoarelor industriale de curent alternativ
Să luăm în considerare principalele părți ale unui generator industrial de inducție, în care rotorul primește mișcare de rotație de la o turbină din apropiere. Designul statorului include un electromagnet (deși câmpul magnetic poate fi creat de un set de magneți permanenți) și o înfășurare a rotorului cu un anumit număr de spire.
În interiorul fiecărei spire este indusă o forță electromotoare, care se adună secvențial în fiecare dintre ele și formează la bornele de ieșire valoarea totală a tensiunii furnizate circuitului de putere al consumatorilor conectați.
Pentru a crește amplitudinea EMF la ieșirea generatorului, se utilizează un design special al sistemului magnetic, realizat din două miezuri magnetice prin utilizarea unor clase speciale de oțel electric sub formă de plăci laminate cu caneluri. În interiorul lor sunt montate înfășurări.
Carcasa generatorului conține un miez de stator cu fante pentru a găzdui o înfășurare care creează un câmp magnetic.
Rotorul care se rotește pe rulmenți are și un circuit magnetic cu caneluri, în interiorul căruia este montată o înfășurare care primește fem-ul indus. În mod obișnuit, se alege o direcție orizontală pentru a plasa axa de rotație, deși există modele de generatoare cu un aranjament vertical și un design de rulment corespunzător.
Se creează întotdeauna un spațiu între stator și rotor, care este necesar pentru a asigura rotația și pentru a evita blocarea. Dar, în același timp, are loc o pierdere de energie de inducție magnetică. Prin urmare, încearcă să o facă cât mai minim posibil, ținând cont în mod optim de ambele cerințe.
Excitatorul, situat pe același arbore cu rotorul, este un generator electric de curent continuu cu putere relativ scăzută. Scopul său este de a furniza energie electrică înfășurărilor unui generator de energie într-o stare de excitație independentă.
Astfel de excitatoare sunt cel mai adesea utilizate cu modelele de turbine sau generatoare electrice hidraulice atunci când se creează metoda principală sau de rezervă de excitare.
Imaginea unui generator industrial arată locația inelelor de comutator și a periilor pentru colectarea curenților din structura rotorului rotativ. În timpul funcționării, această unitate suferă sarcini mecanice și electrice constante. Pentru a le depăși, se creează o structură complexă, care în timpul funcționării necesită inspecții periodice și măsuri preventive.
Pentru a reduce costurile de operare create, se folosește o altă tehnologie, alternativă, care folosește și interacțiunea dintre câmpurile electromagnetice rotative. Pe rotor sunt plasați doar magneți permanenți sau electrici, iar tensiunea este îndepărtată dintr-o înfășurare staționară.
Atunci când se creează un astfel de circuit, un astfel de design poate fi numit termenul „alternator”. Se folosește la generatoarele sincrone: de înaltă frecvență, auto, pe locomotive și nave diesel, instalații de centrale electrice pentru producerea energiei electrice.
Caracteristicile generatoarelor sincrone
Principiul de funcționare
Denumirea și trăsătura distinctivă a acțiunii constă în crearea unei conexiuni rigide între frecvența forței electromotoare alternative induse în înfășurarea statorului „f” și rotația rotorului.
În stator este montată o înfășurare trifazată, iar pe rotor există un electromagnet cu un miez și o înfășurare de excitație, alimentat din circuite de curent continuu printr-un ansamblu comutator cu perii.
Rotorul este antrenat în rotație de o sursă de energie mecanică - un motor de antrenare - la aceeași viteză. Câmpul său magnetic face aceeași mișcare.
Forțe electromotoare de mărime egală, dar deplasate cu 120 de grade în direcție, sunt induse în înfășurările statorului, creând un sistem simetric trifazat.
Când sunt conectate la capetele înfășurărilor circuitelor de consum, încep să acționeze curenții de fază din circuit, care formează un câmp magnetic care se rotește în același mod: sincron.
Forma semnalului de ieșire al EMF indus depinde numai de legea de distribuție a vectorului de inducție magnetică în interiorul golului dintre polii rotorului și plăcile statorului. Prin urmare, ei se străduiesc să creeze un astfel de design atunci când magnitudinea inducției se modifică conform unei legi sinusoidale.
Când golul are o caracteristică constantă, vectorul de inducție magnetică din interiorul golului este creat sub forma unui trapez, așa cum se arată în graficul linie 1.
Dacă forma muchiilor de la poli este corectată în oblică cu golul schimbându-se la valoarea maximă, atunci se poate obține o formă de distribuție sinusoidală, așa cum se arată în linia 2. Această tehnică este utilizată în practică.
Circuite de excitare pentru generatoare sincrone
Forța magnetomotoare care apare pe înfășurarea de excitație „OB” a rotorului creează câmpul magnetic al acestuia. În acest scop, există diferite modele de excitatoare DC bazate pe:
1. metoda de contact;
2. metoda fără contact.
În primul caz, se folosește un generator separat, numit excitator „B”. Înfășurarea sa de excitație este alimentată de un generator suplimentar conform principiului excitației paralele, numit subexcitator „PV”.
Toate rotoarele sunt plasate pe un arbore comun. Din acest motiv, ele se rotesc exact la fel. Reostatele r1 și r2 servesc la reglarea curenților în circuitele excitator și subexcitator.
Cu o metodă fără contact Nu există inele colectoare ale rotorului. O înfășurare de excitație trifazată este montată direct pe ea. Se rotește sincron cu rotorul și transmite curent electric direct printr-un redresor co-rotativ direct către înfășurarea excitatorului „B”.
Tipurile de circuite fără contact sunt:
1. sistem de autoexcitare din propria înfășurare a statorului;
2. schema automatizata.
Cu prima metodă tensiunea de la înfășurările statorului este furnizată unui transformator descendente și apoi unui redresor semiconductor „PP”, care generează curent continuu.
În această metodă, excitația inițială este creată din cauza fenomenului de magnetism rezidual.
O schemă automată pentru crearea autoexcitației include utilizarea:
transformator de tensiune TN;
regulator de excitație automat AVR;
transformator de curent CT;
transformator redresor VT;
convertor tiristor TP;
Unitate de protecție BZ.
Caracteristicile generatoarelor asincrone
Diferența fundamentală dintre aceste modele este absența unei conexiuni rigide între viteza rotorului (nr) și EMF indus în înfășurare (n). Există întotdeauna o diferență între ele, care se numește „alunecare”. Este notat cu litera latină „S” și exprimat prin formula S=(n-nr)/n.
Când o sarcină este conectată la generator, se creează un cuplu de frânare pentru a roti rotorul. Afectează frecvența EMF generată și creează o alunecare negativă.
Structura rotorului generatoarelor asincrone este realizată:
circuit scurt;
fază;
gol.
Generatoarele asincrone pot avea:
1. excitaţie independentă;
2. autoexcitare.
În primul caz, se utilizează o sursă externă de tensiune alternativă, iar în al doilea, convertoare sau condensatoare semiconductoare sunt utilizate în circuitele primare, secundare sau ambele tipuri.
Astfel, generatoarele de curent alternativ și continuu au multe caracteristici comune în principiile construcției, dar diferă în proiectarea anumitor elemente.