Pojem „generácia“ v elektrotechnike pochádza z latinčiny. Znamená to „narodenie“. Vo vzťahu k energii môžeme povedať, že generátory sú technické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu.
Treba poznamenať, že elektrický prúd môže byť vyrobený premenou rôznych druhov energie, napríklad:
chemický;
svetlo;
termálne a iné.
Historicky sú generátory štruktúry, ktoré premieňajú rotačnú kinetickú energiu na elektrinu.
Podľa typu vyrobenej elektriny sú generátory:
1. DC;
2. premenlivý.
Fyzikálne zákony, ktoré umožňujú vytvárať moderné elektrické inštalácie na výrobu elektriny transformáciou mechanickej energie, objavili vedci Oersted a Faraday.
Pri konštrukcii akéhokoľvek generátora sa realizuje, keď je elektrický prúd indukovaný v uzavretom ráme v dôsledku jeho priesečníka s rotujúcim magnetickým poľom, ktoré sa vytvára v zjednodušených modeloch pre domáce použitie alebo budiacimi vinutiami na priemyselných výrobkoch s vysokým výkonom.
Keď sa rám otáča, mení sa veľkosť magnetického toku.
Elektromotorická sila indukovaná v cievke závisí od rýchlosti zmeny magnetického toku prechádzajúceho rámom v uzavretej slučke S a je priamo úmerná jej hodnote. Čím rýchlejšie sa rotor otáča, tým vyššie je generované napätie.
Aby sa vytvoril uzavretý okruh a odvádzal z neho elektrický prúd, bolo potrebné vytvoriť zberač a zostavu kefky, ktorá zabezpečuje stály kontakt medzi otočným rámom a stacionárnou časťou okruhu.
Vďaka konštrukcii odpružených kief, ktoré sú pritlačené na platne komutátora, sa elektrický prúd prenáša na výstupné svorky a z nich potom prúdi do spotrebiteľskej siete.
Princíp činnosti najjednoduchšieho generátora jednosmerného prúdu
Keď sa rám otáča okolo svojej osi, jeho ľavá a pravá polovica cyklicky prechádza blízko južného alebo severného pólu magnetov. V nich sa zakaždým zmenia smery prúdov na opačné, aby na každom póle tiekli jedným smerom.
Aby sa vo výstupnom obvode vytvoril jednosmerný prúd, na uzle kolektora sa vytvorí polkruh pre každú polovicu vinutia. Štetce priľahlé k krúžku odstraňujú potenciál iba ich znamienka: pozitívne alebo negatívne.
Pretože je polkruh otočného rámu otvorený, vytvárajú sa v ňom momenty, keď prúd dosiahne maximálnu hodnotu alebo chýba. Aby sa zachoval nielen smer, ale aj konštantná hodnota generovaného napätia, je rám vyrobený špeciálne pripravenou technológiou:
nepoužíva jednu otáčku, ale niekoľko - v závislosti od hodnoty plánovaného napätia;
počet snímok nie je obmedzený na jednu kópiu: snažia sa, aby boli dostatočné na optimálne udržanie poklesu napätia na rovnakej úrovni.
V prípade generátora jednosmerného prúdu sú vinutia rotora umiestnené v drážkach. To umožňuje znížiť straty indukovaného elektromagnetického poľa.
Konštrukčné vlastnosti generátorov jednosmerného prúdu
Hlavné prvky zariadenia sú:
externý napájací rám;
magnetické póly;
stator;
rotujúci rotor;
spínacia jednotka s kefami.
Telo je vyrobené z oceľových zliatin alebo liatiny, aby sa zabezpečila mechanická pevnosť celkovej konštrukcie. Ďalšou úlohou puzdra je prenášať magnetický tok medzi pólmi.
Póly magnetov sú pripevnené k puzdru pomocou svorníkov alebo skrutiek. Na nich je namontované vinutie.
Stator, tiež nazývaný jarmo alebo jadro, je vyrobený z feromagnetických materiálov. Na ňom je umiestnené vinutie budiacej cievky. Jadro statora vybavený magnetickými pólmi, ktoré tvoria jeho magnetické silové pole.
Rotor má synonymum: kotva. Jeho magnetické jadro tvoria laminované platne, ktoré znižujú tvorbu vírivých prúdov a zvyšujú účinnosť. Drážky jadra obsahujú rotor a/alebo samobudiace vinutia.
Prepínací uzol s kefami môže mať rôzny počet pólov, ale vždy je to násobok dvoch. Materiál kefy je zvyčajne grafit. Kolektorové dosky sú vyrobené z medi, ako najoptimálnejšieho kovu vhodného pre elektrické vlastnosti prúdovej vodivosti.
Vďaka použitiu komutátora je na výstupných svorkách DC generátora generovaný pulzujúci signál.
Hlavné typy návrhov DC generátorov
V závislosti od typu napájania budiaceho vinutia sa rozlišujú zariadenia:
1. so samobudením;
2. pracujúci na základe samostatného začlenenia.
Prvé produkty môžu:
používať permanentné magnety;
alebo pracovať z externých zdrojov, napríklad batérie, veterná energia...
Generátory s nezávislým spínaním pracujú z vlastného vinutia, ktoré je možné pripojiť:
postupne;
bočníky alebo paralelné budenie.
Jedna z možností takéhoto pripojenia je znázornená na obrázku.
Príkladom jednosmerného generátora je dizajn, ktorý sa predtým často používal v automobilových aplikáciách. Jeho štruktúra je rovnaká ako u asynchrónneho motora.
Takéto kolektorové štruktúry sú schopné pracovať súčasne v režime motora alebo generátora. Vďaka tomu sa rozšírili v existujúcich hybridných autách.
Proces tvorby kotevnej reakcie
Vyskytuje sa v režime nečinnosti, keď je prítlačná sila kefy nesprávne nastavená, čím vzniká neoptimálny režim ich trenia. To môže mať za následok zníženie magnetických polí alebo požiar v dôsledku zvýšenej tvorby iskier.
Spôsoby, ako ho znížiť, sú:
kompenzácia magnetických polí pripojením ďalších pólov;
nastavenie posunu polohy kefiek komutátora.
Výhody DC generátorov
Tie obsahujú:
žiadne straty v dôsledku hysterézie a tvorby vírivých prúdov;
práca v extrémnych podmienkach;
znížená hmotnosť a malé rozmery.
Princíp činnosti jednoduchého alternátora
Vo vnútri tohto dizajnu sa používajú všetky rovnaké časti ako v predchádzajúcom analógu:
magnetické pole;
otočný rám;
kolektorová jednotka s kefami na odvod prúdu.
Hlavný rozdiel spočíva v konštrukcii komutátorovej jednotky, ktorá je vytvorená tak, že pri otáčaní rámu cez kefy je neustále vytváraný kontakt s jeho polovicou rámu bez toho, aby sa cyklicky menila ich poloha.
Vďaka tomu sa prúd, meniaci sa podľa zákonov harmonických v každej polovici, prenáša úplne nezmenený na kefy a potom cez ne do obvodu spotrebiča.
Prirodzene, rám je vytvorený navíjaním nie jednej otáčky, ale vypočítaného počtu závitov na dosiahnutie optimálneho napätia.
Princíp činnosti generátorov jednosmerného a striedavého prúdu je teda bežný a konštrukčné rozdiely spočívajú vo výrobe:
rotačná rotorová zberná jednotka;
konfigurácie vinutia na rotore.
Konštrukčné vlastnosti priemyselných generátorov striedavého prúdu
Uvažujme o hlavných častiach priemyselného indukčného generátora, v ktorom rotor prijíma rotačný pohyb z neďalekej turbíny. Konštrukcia statora obsahuje elektromagnet (hoci magnetické pole môže byť vytvorené sústavou permanentných magnetov) a vinutie rotora s určitým počtom závitov.
Vo vnútri každého závitu sa indukuje elektromotorická sila, ktorá sa postupne pridáva do každého z nich a tvorí na výstupných svorkách celkovú hodnotu napätia dodávaného do silového obvodu pripojených spotrebičov.
Na zvýšenie amplitúdy EMF na výstupe generátora sa používa špeciálna konštrukcia magnetického systému, vyrobená z dvoch magnetických jadier pomocou špeciálnych tried elektroocele vo forme laminovaných dosiek s drážkami. Vnútri sú namontované vinutia.
Kryt generátora obsahuje jadro statora so štrbinami na umiestnenie vinutia, ktoré vytvára magnetické pole.
Rotor otáčajúci sa na ložiskách má tiež magnetický obvod s drážkami, vo vnútri ktorých je namontované vinutie, ktoré prijíma indukované emf. Na umiestnenie osi otáčania sa zvyčajne volí horizontálny smer, hoci existujú konštrukcie generátorov s vertikálnym usporiadaním a zodpovedajúcim dizajnom ložísk.
Medzi statorom a rotorom je vždy vytvorená medzera, ktorá je potrebná na zabezpečenie rotácie a zabránenie zaseknutiu. Zároveň však dochádza k strate magnetickej indukčnej energie. Preto sa ho snažia robiť čo najmenej, optimálne zohľadňujúc obe tieto požiadavky.
Budič, umiestnený na rovnakom hriadeli ako rotor, je jednosmerný elektrický generátor s relatívne nízkym výkonom. Jeho účelom je dodávať elektrickú energiu do vinutí elektrocentrály v stave nezávislého budenia.
Takéto budiče sa najčastejšie používajú pri konštrukciách turbínových alebo hydraulických elektrických generátorov pri vytváraní hlavného alebo záložného spôsobu budenia.
Obrázok priemyselného generátora ukazuje umiestnenie komutátorových krúžkov a kief na zber prúdov z rotujúcej konštrukcie rotora. Počas prevádzky je táto jednotka vystavená konštantnému mechanickému a elektrickému zaťaženiu. Na ich prekonanie je vytvorená zložitá štruktúra, ktorá si počas prevádzky vyžaduje pravidelné kontroly a preventívne opatrenia.
Na zníženie vzniknutých prevádzkových nákladov sa používa iná, alternatívna technológia, ktorá využíva aj interakciu medzi rotujúcimi elektromagnetickými poľami. Na rotor sú umiestnené iba permanentné alebo elektrické magnety a napätie je odstránené zo stacionárneho vinutia.
Pri vytváraní takéhoto obvodu možno takýto dizajn nazvať pojmom „alternátor“. Používa sa v synchrónnych generátoroch: vysokofrekvenčných, automobilových, na dieselových lokomotívach a lodiach, inštaláciách elektrární na výrobu elektriny.
Vlastnosti synchrónnych generátorov
Princíp fungovania
Názov a charakteristická črta akcie spočíva vo vytvorení pevného spojenia medzi frekvenciou striedavej elektromotorickej sily indukovanej vo vinutí statora „f“ a rotáciou rotora.
V statore je namontované trojfázové vinutie a na rotore je elektromagnet s jadrom a budiacim vinutím, napájaný z jednosmerných obvodov cez zostavu kefového komutátora.
Rotor je poháňaný do otáčania zdrojom mechanickej energie - hnacím motorom - pri rovnakej rýchlosti. Jeho magnetické pole robí rovnaký pohyb.
Elektromotorické sily rovnakej veľkosti, ale posunuté v smere o 120 stupňov, sa indukujú vo vinutiach statora a vytvárajú trojfázový symetrický systém.
Pri pripojení na konce vinutí spotrebiteľských obvodov začnú pôsobiť fázové prúdy v obvode, ktoré tvoria magnetické pole, ktoré sa otáča rovnakým spôsobom: synchrónne.
Tvar výstupného signálu indukovaného EMF závisí len od distribučného zákona vektora magnetickej indukcie vo vnútri medzery medzi pólmi rotora a statorovými doskami. Preto sa snažia vytvoriť taký dizajn, keď sa veľkosť indukcie mení podľa sínusového zákona.
Keď má medzera konštantnú charakteristiku, vektor magnetickej indukcie vo vnútri medzery je vytvorený v tvare lichobežníka, ako je znázornené na čiarovom grafe 1.
Ak je tvar hrán na póloch korigovaný na šikmý s medzerou meniacou sa na maximálnu hodnotu, potom je možné dosiahnuť sínusový tvar rozloženia, ako ukazuje čiara 2. Táto technika sa používa v praxi.
Budiace obvody pre synchrónne generátory
Magnetomotorická sila vznikajúca na budiacom vinutí „OB“ rotora vytvára jeho magnetické pole. Na tento účel existujú rôzne konštrukcie jednosmerných budičov na základe:
1. kontaktná metóda;
2. bezkontaktná metóda.
V prvom prípade sa používa samostatný generátor, nazývaný budič "B". Jeho budiace vinutie je napájané prídavným generátorom na princípe paralelného budenia, nazývaným „PV“ subbudič.
Všetky rotory sú umiestnené na spoločnom hriadeli. Vďaka tomu sa otáčajú úplne rovnako. Reostaty r1 a r2 slúžia na reguláciu prúdov v obvodoch budiča a podbudiča.
Bezkontaktnou metódou Neexistujú žiadne zberné krúžky rotora. Priamo na ňom je namontované trojfázové vinutie budiča. Otáča sa synchrónne s rotorom a prenáša elektrický jednosmerný prúd cez súbežne sa otáčajúci usmerňovač priamo do budiaceho vinutia „B“.
Typy bezkontaktných obvodov sú:
1. samobudiaci systém z vlastného vinutia statora;
2. automatizovaná schéma.
S prvou metódou napätie z vinutia statora sa privádza do zostupného transformátora a potom do polovodičového usmerňovača „PP“, ktorý generuje jednosmerný prúd.
Pri tejto metóde vzniká počiatočné budenie v dôsledku javu zvyškového magnetizmu.
Automatická schéma na vytváranie samobudenia zahŕňa použitie:
transformátor napätia TN;
automatický regulátor budenia AVR;
prúdový transformátor CT;
usmerňovací transformátor VT;
tyristorový menič TP;
ochranná jednotka BZ.
Vlastnosti asynchrónnych generátorov
Základným rozdielom medzi týmito konštrukciami je absencia pevného spojenia medzi rýchlosťou rotora (nr) a EMF indukovaným vo vinutí (n). Vždy je medzi nimi rozdiel, ktorý sa nazýva „sklz“. Označuje sa latinským písmenom „S“ a vyjadruje sa vzorcom S=(n-nr)/n.
Keď je záťaž pripojená ku generátoru, vytvára sa brzdný moment na otáčanie rotora. Ovplyvňuje frekvenciu generovaného EMF a vytvára negatívny sklz.
Štruktúra rotora asynchrónnych generátorov je vyrobená:
skratovaný;
fáza;
dutý.
Asynchrónne generátory môžu mať:
1. nezávislé budenie;
2. samobudenie.
Prvý využíva externý zdroj striedavého napätia, zatiaľ čo druhý využíva polovodičové meniče alebo kondenzátory v primárnom, sekundárnom alebo oboch obvodoch.
Generátory striedavého a jednosmerného prúdu majú teda veľa spoločných znakov v princípoch konštrukcie, líšia sa však v konštrukcii určitých prvkov.
Život moderného človeka je organizovaný tak, že jeho infraštruktúrna podpora zahŕňa mnoho komponentov s rôznymi technickými a funkčnými vlastnosťami. To zahŕňa elektrinu. Bežný spotrebiteľ nevidí a necíti presne, ako plní svoje úlohy, ale konečný výsledok je dosť viditeľný pri prevádzke domácich spotrebičov, a nielen to. V mysliach mnohých používateľov rovnakých domácich spotrebičov zároveň zostávajú nevyriešené otázky, odkiaľ pochádza elektrina. Pre rozšírenie vedomostí v tejto oblasti sa oplatí začať s pojmom elektrina ako taká.
čo je elektrina?
Zložitosť tohto konceptu je pochopiteľná, keďže energiu nemožno označiť za obyčajný predmet alebo jav prístupný zrakovému vnímaniu. Zároveň existujú dva prístupy k odpovedi na otázku, čo je elektrina. Definícia vedcov hovorí, že elektrina je tok nabitých častíc, ktorý sa vyznačuje riadeným pohybom. Elektróny sa spravidla chápu ako častice.
V samotnom energetickom priemysle je elektrina častejšie vnímaná ako produkt vyrábaný v rozvodniach. Z tohto hľadiska sú dôležité aj prvky, ktoré sa priamo podieľajú na procese generovania a prenosu prúdu. To znamená, že v tomto prípade uvažujeme energetické pole vytvorené okolo vodiča alebo iného nabitého telesa. Aby sme toto chápanie energie priblížili skutočnému pozorovaniu, musíme pochopiť nasledujúcu otázku: odkiaľ pochádza elektrina? Existujú rôzne technické prostriedky na výrobu prúdu a všetky sú podriadené jednej úlohe - zásobovaniu koncových spotrebiteľov. Kým však môžu používatelia poskytnúť svojim zariadeniam energiu, musí prejsť niekoľkými fázami.
Výroba elektriny
Dnes sa v energetike využíva asi 10 typov staníc, ktoré zabezpečujú výrobu elektriny. Ide o proces, ktorého výsledkom je premena určitého druhu energie na prúdový náboj. Inými slovami, elektrina vzniká spracovaním inej energie. Najmä v špecializovaných rozvodniach používajú tepelné, veterné, prílivové, geotermálne a iné ako hlavný pracovný zdroj Pri odpovedi na otázku, odkiaľ pochádza elektrina, stojí za zmienku infraštruktúra, ktorou je každá rozvodňa vybavená. Každý elektrický generátor je vybavený komplexným systémom funkčných celkov a sietí, ktoré umožňujú vyrobenú energiu akumulovať a pripraviť na ďalší prenos do distribučných uzlov.
Tradičné elektrárne
Aj keď sa energetické trendy v posledných rokoch rýchlo menia, vieme identifikovať tie hlavné, ktoré fungujú na klasických princípoch. V prvom rade ide o zariadenia na výrobu tepla. Zdroj vzniká spaľovaním a následnou transformáciou odpadu. Zároveň existujú rôzne typy takýchto staníc, vrátane ohrevu a kondenzácie. Hlavným rozdielom medzi nimi je schopnosť objektov druhého typu vytvárať aj tepelné toky. To znamená, že pri odpovedi na otázku, odkiaľ pochádza elektrina, si môžeme všimnúť aj stanice, ktoré súčasne vyrábajú iné druhy energie. Okrem zariadení na výrobu tepla sú celkom bežné vodné a jadrové elektrárne. V prvom prípade sa predpokladá z pohybu vody a v druhom v dôsledku štiepenia atómov v špeciálnych reaktoroch.
Alternatívne zdroje energie
Do tejto kategórie zdrojov energie patria väčšinou slnečné lúče, vietor, podložie a pod. Časté sú najmä rôzne generátory zamerané na akumuláciu a premenu slnečnej energie na elektrickú. Takéto inštalácie sú atraktívne, pretože ich môže použiť každý spotrebiteľ v objemoch potrebných na zásobovanie jeho domu. Širokú distribúciu takýchto generátorov však bránia vysoké náklady na zariadenie, ako aj nuansy v prevádzke v dôsledku závislosti pracovných fotobuniek na
Na úrovni veľkých energetických spoločností sa aktívne rozvíjajú veterné alternatívne zdroje elektriny. Už dnes množstvo krajín využíva programy na postupný prechod na tento typ zásobovania energiou. Tento smer má však aj svoje vlastné prekážky v dôsledku nízkeho výkonu generátorov a vysokých nákladov. Relatívne novým alternatívnym zdrojom energie je prirodzené teplo Zeme. V tomto prípade stanice premieňajú tepelnú energiu získanú z hĺbky podzemných kanálov.
Rozvod elektriny
Po výrobe elektriny sa začína etapa jej prenosu a distribúcie, ktorú zabezpečujú energetické spoločnosti. Dodávatelia zdrojov organizujú vhodnú infraštruktúru, ktorej základom sú elektrické siete. Existujú dva typy kanálov, cez ktoré sa prenáša elektrina - nadzemné a podzemné káblové vedenia. Tieto siete sú konečným zdrojom a hlavnou odpoveďou na otázku, odkiaľ pochádza elektrina pre rôzne potreby užívateľov. Dodávateľské organizácie kladú špeciálne trasy na distribúciu elektriny pomocou rôznych typov káblov.
Spotrebitelia elektriny
Elektrická energia je potrebná na rôzne úlohy v domácom aj priemyselnom sektore. Klasickým príkladom využitia tohto nosiča energie je osvetlenie. V dnešnej dobe však elektrina v domácnosti poháňa širšiu škálu spotrebičov a zariadení. A to je len malá časť energetických potrieb spoločnosti.
Tento zdroj je potrebný aj na udržanie prevádzky dopravnej infraštruktúry: na udržiavanie trolejbusových, električkových a tratí metra atď. Za osobitnú zmienku stoja priemyselné podniky. Továrne, mlyny a spracovateľské komplexy často vyžadujú pripojenie obrovských kapacít. Dá sa povedať, že ide o najväčších spotrebiteľov elektrickej energie, využívajúci tento zdroj na zabezpečenie prevádzky technologických zariadení a miestnej infraštruktúry.
Správa elektrických zariadení
Okrem organizácie elektrickej siete, ktorá technicky poskytuje možnosť prenosu a distribúcie energie koncovým spotrebiteľom, je prevádzka tohto komplexu nemožná bez riadiacich systémov. Dodávatelia na realizáciu týchto úloh využívajú prevádzkové riadiace strediská, ktorých zamestnanci realizujú centralizované riadenie a riadenie práce im zverených elektroenergetických zariadení. Takéto služby kontrolujú najmä parametre sietí, ku ktorým sú na rôznych úrovniach pripojení odberatelia elektriny. Samostatne stojí za zmienku oddelenia, ktoré vykonávajú údržbu siete, predchádzanie opotrebovaniu a odstraňovanie škôd na jednotlivých úsekoch tratí.
Záver
Za dobu svojej existencie prešla energetika niekoľkými etapami vývoja. Nedávno boli pozorované nové zmeny v dôsledku aktívneho rozvoja alternatívnych zdrojov energie. Úspešný rozvoj týchto oblastí dnes umožňuje využívať elektrinu v domácnosti získanú z jednotlivých generátorov v domácnostiach bez ohľadu na centrálne siete. Tieto odvetvia však majú aj určité ťažkosti. V prvom rade sú spojené s finančnými nákladmi na nákup a inštaláciu príslušného zariadenia - rovnakých solárnych panelov s batériami. Ale keďže energia vyrobená z alternatívnych zdrojov je úplne zadarmo, vyhliadky na ďalší pokrok v týchto oblastiach zostávajú relevantné pre rôzne kategórie spotrebiteľov.
Dnes neexistuje jediná oblasť technológie, kde by sa elektrina nepoužívala v tej či onej forme. Medzitým je typ prúdu, ktorý ich napája, spojený s požiadavkami na elektrické zariadenia. A hoci je dnes striedavý prúd veľmi rozšírený po celom svete, predsa len existujú oblasti, kde sa jednosmerný prúd jednoducho použiť nedá.
Prvými zdrojmi použiteľného jednosmerného prúdu boli galvanické články, ktoré v princípe vyrábali chemicky presne, čo je tok elektrónov pohybujúcich sa jedným konštantným smerom. To je dôvod, prečo dostal svoj názov „jednosmerný prúd“.
Jednosmerný prúd sa dnes získava nielen z batérií a akumulátorov, ale aj usmerňovaním striedavého prúdu. V tomto článku sa bude diskutovať presne o tom, kde a prečo sa v našom veku používa jednosmerný prúd.
Začnime trakčnými motormi elektrických vozidiel. Metro, trolejbusy, motorové lode a elektrické vlaky sú tradične poháňané motormi poháňanými jednosmerným prúdom. spočiatku sa líšili od motorov na striedavý prúd tým, že mohli plynulo meniť rýchlosť pri zachovaní vysokého krútiaceho momentu.
Striedavé napätie sa usmerňuje v trakčnej rozvodni, potom sa dodáva do kontaktnej siete - takto sa získava jednosmerný prúd pre verejnú električkovú dopravu. Na motorových lodiach je možné elektrinu na pohon motorov získavať z jednosmerných dieselových generátorov.
Elektromobily využívajú aj jednosmerné motory, ktoré sú poháňané batériou a tu opäť dostávame výhodu rýchleho vývoja hnacieho momentu a máme ďalšiu dôležitú výhodu – možnosť rekuperačného brzdenia. V momente brzdenia sa motor mení na jednosmerný generátor a nabíja sa.
Výkonné žeriavy v hutníckych prevádzkach, kde je potrebné plynule zvládnuť obrovské rozmery a monštruóznu masu naberačiek s roztaveným kovom, využívajú jednosmerné motory, opäť pre ich výbornú nastaviteľnosť. Rovnaká výhoda platí pre použitie jednosmerných motorov v kráčajúcich rýpadlách.
Bezuhlíkové jednosmerné motory sú schopné vyvinúť obrovské rýchlosti otáčania, merané v desiatkach a stovkách tisíc otáčok za minútu. Malé vysokorýchlostné jednosmerné elektromotory sa teda inštalujú na pevné disky, kvadrokoptéry, vysávače atď. Sú tiež nepostrádateľné ako krokové pohony na ovládanie rôznych podvozkov.
Samotný prechod elektrónov a iónov v jednom smere pri konštantnom prúde robí jednosmerný prúd zásadne nevyhnutným.
Rozkladná reakcia v elektrolyte pod vplyvom jednosmerného prúdu v ňom umožňuje ukladanie určitých prvkov na elektródy. Takto sa získava hliník, horčík, meď, mangán a iné kovy, ale aj plyny: vodík, fluór atď., a mnohé ďalšie látky. Vďaka elektrolýze, teda v podstate jednosmernému prúdu, existujú celé odvetvia hutníctva a chemického priemyslu.
Galvanické pokovovanie je nemysliteľné bez jednosmerného prúdu. Kovy sa ukladajú na povrch výrobkov rôznych tvarov, tým sa vykonáva najmä chrómovanie a niklovanie, vznikajú tlačiarenské formy a kovové pomníky. Čo môžeme povedať o použití galvanizácie v medicíne na liečbu chorôb.
Zváranie jednosmerným prúdom je oveľa efektívnejšie ako striedavým prúdom, zvar je oveľa kvalitnejší ako pri zváraní toho istého výrobku tou istou elektródou, ale striedavým prúdom. Všetky moderné dodávajú elektróde konštantné napätie.
Výkonné oblúkové lampy inštalované vo filmových projektoroch mnohých profesionálnych filmových štúdií poskytujú rovnomerné svetlo bez bzučiaceho oblúka práve preto, že oblúk je napájaný jednosmerným prúdom. LED diódy sú zásadne napájané jednosmerným prúdom, a preto je väčšina dnešných reflektorov napájaná jednosmerným prúdom, hoci získaným premenou striedavého prúdu zo siete alebo z batérií (čo je niekedy veľmi výhodné).
Hoci je spaľovací motor auta poháňaný benzínom, štartuje z batérie. A tu je jednosmerný prúd. Štartér dostáva energiu z batérie s napätím 12 voltov a v momente štartu z nej odoberá prúd desiatky ampérov.
Po naštartovaní sa akumulátor v aute nabíja generátorom, ktorý vyrába striedavý trojfázový prúd, ktorý sa okamžite usmerňuje a privádza na svorky akumulátora. Batériu nemôžete nabíjať striedavým prúdom.
Ako je to so záložnými zdrojmi? Aj keď je obrovská elektráreň odstavená kvôli havárii, pomocné batérie pomôžu naštartovať turbogenerátory. A najjednoduchšie domáce zdroje neprerušiteľného napájania pre počítače sa tiež nezaobídu bez batérií poskytujúcich jednosmerný prúd, z ktorého sa striedavý prúd získava konverziou v striedači. A signálne lampy a - takmer všade sú napájané batériami, to znamená, že jednosmerný prúd je užitočný aj tu.
Ponorka tiež používa na palube jednosmerný prúd na napájanie elektrického motora, ktorý otáča vrtuľu. Hoci sa rotácia turbogenerátora na najmodernejších lodiach s jadrovým pohonom dosahuje prostredníctvom jadrových reakcií, elektrina sa do motora dodáva vo forme rovnakého jednosmerného prúdu. To isté platí pre diesel-elektrické ponorky.
A samozrejme, nielen elektrické banské lokomotívy, nakladače či elektromobily využívajú jednosmerný prúd z batérií. Všetky elektronické vychytávky, ktoré so sebou nosíme, obsahujú lítiové batérie, ktoré poskytujú konštantné napätie a nabíjajú sa konštantným prúdom z nabíjačiek. A ak si pamätáte rádiovú komunikáciu, televíziu, rozhlasové a televízne vysielanie, internet atď. V skutočnosti sa ukazuje, že veľká časť všetkých zariadení je napájaná priamo alebo nepriamo jednosmerným prúdom z batérií.
Zamysleli ste sa niekedy nad tým, čo všetko poháňa? ? Čo spôsobuje naštartovanie motora, rozsvietenie svetiel na prístrojovej doske, pohyb šípok a fungovanie palubných počítačov? Odkiaľ pochádza elektrina na palube? Samozrejme, sú produkované generátorom a akumulované opakovane použiteľným chemickým zásobníkom energie – elektrickou batériou. Každý to vie. S najväčšou pravdepodobnosťou tiež viete, že batéria produkuje jednosmerný prúd, ktorý sa používa v akomkoľvek aute na napájanie zariadení. V celej tejto harmonickej teórii, preverenej praxou, je však jeden zvláštny článok, ktorý nechce podľahnúť logike – generátor vyrába striedavý prúd, zatiaľ čo všetky mechanizmy na palube stroja spotrebúvajú jednosmerný prúd. Nezdá sa vám to zvláštne? Prečo sa to deje?
To je vlastne zaujímavá otázka, pretože tento príbeh na prvý pohľad nedáva žiadny zmysel. Ak všetky elektrické záťaže vo vašom aute bežia na 12 voltov jednosmerného prúdu, prečo už automobilky nepoužívajú alternátory, ktoré vyrábajú jednosmerný prúd? Veď to robili aj predtým. Prečo je potrebné najprv vyrobiť striedavý prúd a potom ho premeniť na jednosmernú elektrinu?
Po týchto otázkach sme sa začali dostávať na dno pravdy. Koniec koncov, existuje na to nejaký tajný dôvod. A tu je to, čo sme zistili.
Najprv si ujasnime, čo máme na mysli pod AC a DC. Používanie áut D.C., alebo jednosmerný prúd, ako sa tomu tiež hovorí. Podstata fenoménu je ukrytá v názve. Ide o typ elektriny, ktorý sa vyrába z batérií a prúdi jedným konštantným smerom. Rovnaký typ elektriny vyrábali generátory, ktoré poháňali prvé automobily od začiatku 20. storočia do 60. rokov 20. storočia. Boli to DC generátory, ktoré boli inštalované na starých ženách a GAZ-69.
Iný typ elektriny - striedavý prúd- tak pomenovaný, pretože periodicky obracia smer toku a tiež mení jeho veľkosť, pričom jeho smer v elektrickom obvode zostáva nezmenený. Tento typ elektriny je dostupný z akejkoľvek zásuvky v bežnom byte po celom svete. Používame ho na napájanie elektrických spotrebičov v súkromných domoch, budovách, mestské svetlá tiež poskytujú svetlo vďaka striedavému prúdu, pretože sa ľahšie prenáša na veľké vzdialenosti.
Väčšina elektroniky, vrátane takmer všetkého vo vašom aute, používa jednosmerný prúd, ktorý mení striedavý prúd na jednosmerný, aby mohla vykonávať užitočnú prácu. Domáce spotrebiče sú vybavené takzvanými napájacími zdrojmi, v ktorých sa premieňa jeden druh energie na iný. Vedľajším produktom konverznej práce je určitý tepelný výkon. Čím zložitejšie sú domáce potreby, napríklad počítač alebo Smart TV, tým zložitejší je reťazec premien. V niektorých prípadoch sa striedavý prúd čiastočne nemení, ale upravuje sa iba jeho frekvencia. Preto je pri výmene chybného zdroja veľmi dôležité vymeniť ho za originálny požadovaného typu. V opačnom prípade technológia veľmi rýchlo skončí.
Ale nejako sme sa vzdialili od hlavných tém dnešného programu.
Prečo by teda autá vyrábali „nesprávny“ druh elektriny?
Vo všeobecnosti je odpoveď veľmi jednoduchá: toto je princíp fungovania alternátora. Najvyššia účinnosť pri premene mechanickej energie otáčania motora na elektrickú energiu nastáva práve podľa tohto princípu. Ale existujú nuansy.
Stručne povedané, princíp činnosti generátora automobilu je nasledujúci:
Keď je zapaľovanie zapnuté, napätie je privedené na budiace vinutie cez blok kefy a zberné krúžky.
Spustí sa vznik magnetického poľa.
Magnetické pole pôsobí na vinutia statora, čo vedie k vzniku elektrického striedavého prúdu.
Poslednou fázou „prípravy“ správneho prúdu je regulátor napätia.
Po celom procese časť elektriny napája elektrické spotrebiče, časť ide na dobíjanie batérie a časť sa vracia späť ku kefám alternátora (ako sa kedysi alternátor nazýval), aby sa samobudil generátor.
Princíp činnosti moderného alternátora bol popísaný vyššie, ale nie vždy tomu tak bolo. Prvé autá so spaľovacími motormi používali magneto, jednoduché zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú energiu (striedavý prúd). Vonkajšie a vnútorne boli tieto stroje dokonca podobné neskorším generátorom, ale používali sa na veľmi jednoduchých elektrických systémoch automobilov bez batérií. Všetko bolo jednoduché a bezproblémové. Nie nadarmo niektoré 90-ročné autá, ktoré prežili dodnes, štartujú dodnes.
Induktory (druhý názov pre magneto) prvýkrát vyvinul muž s nenapodobiteľným menom - Hippolyte Pixie.
Momentálne sme zistili, že typ prúdu generovaného generátormi závisí od produktivity premeny mechanickej energie na elektrickú, no dôležitú úlohu v celom tomto príbehu zohralo aj zníženie hmotnosti a rozmerov. zariadenie v porovnaní so zariadeniami produkujúcimi jednosmerný prúd s podobným výkonom. Rozdiel v hmotnosti a rozmeroch bol takmer trojnásobný! Ale je tu ešte jedno tajomstvo, prečo dnes generátory áut vyrábajú striedavý prúd. Toto je skrátka pokročilejšia evolučná cesta pre vývoj generátorov jednosmerného prúdu, ktoré, úprimne povedané, v skutočnosti v čistej forme neexistovali.
Historický odkaz:
Okrem toho generátory jednosmerného prúdu v skutočnosti tiež produkovali striedavý prúd, keď sa kotva (pohyblivá časť) otáčala vo vnútri statora (vonkajší "plášť", ktorý má konštantné magnetické pole). Ibaže by frekvencia prúdu bola iná a dal by sa jednoduchšie „vyhladiť“ na jednosmerný prúd – pomocou komutátora.
Komutátor sa potom nazýval mechanické zariadenie s rotujúcim valcom rozdeleným na segmenty s kefami na vytvorenie elektrického kontaktu.
Systém fungoval, ale bol nedokonalý. Mal veľa mechanických častí, rýchlo sa opotrebovali kontaktné kefky a celková spoľahlivosť systému bola taká. Bol to však najlepší spôsob, ako získať konštantný prúd potrebný na nabitie batérie a štartovacieho systému auta.
To platilo až do konca 50. rokov 20. storočia, kedy sa začala objavovať polovodičová elektronika ako riešenie problému premeny striedavého prúdu na jednosmerný pomocou kremíkových diódových usmerňovačov.
Tieto usmerňovače (niekedy nazývané mostíkové diódy) fungovali oveľa lepšie ako meniče AC/DC, čo zase umožnilo použitie jednoduchších a teda spoľahlivejších alternátorov v automobiloch.
Prvou zahraničnou automobilkou, ktorá rozvinula túto myšlienku a priniesla ju na trh osobných automobilov, bola spoločnosť Chrysler, ktorá mala skúsenosti s usmerňovačmi a elektronickými regulátormi napätia vďaka výskumnej práci sponzorovanej Ministerstvom obrany USA. Wikipedia poznamenáva, že americký voj „...opakoval vývoj autorov zo ZSSR“, prvý dizajn alternátora bol predstavený v Sovietskom zväze pred šiestimi rokmi. Jediným dôležitým vylepšením, ktoré Američania urobili, bolo použitie kremíkových usmerňovacích diód namiesto selénových.
