Generator prądu przemiennego: Wprowadzenie
Synchroniczne generatory prądu przemiennego (AC) są najczęściej stosowanymi urządzeniami do produkcji energii elektrycznej w inżynierii energetycznej. Ponad 95% całej energii elektrycznej zużywanej obecnie jest wytwarzane przez trójfazowe (3~) generatory prądu przemiennego. Zasada działania wszystkich generatorów AC opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya.
Silnik Diesla połączony z generatorem AC
Prawo Faradaya
Dwa prawa fizyczne definiują działanie niemal całej branży inżynierii elektrycznej.
- Prawo Faradaya – zmienne pole magnetyczne indukuje napięcie w każdym przewodniku znajdującym się w tym polu.
- Prawo Ampere’a – prąd elektryczny płynący w przewodniku generuje pole magnetyczne wokół tego przewodnika.
Prawo Ampere’a - Pola magnetyczne tworzone wokół przewodników z powodu przepływu prądu
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasze Kursy wideo z inżynierii! Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Ciesz się!
Konwencjonalny i rzeczywisty przepływ prądu (przepływ dziur)
Kiedy prąd (mierzony w amperach) przepływa przez przewodnik, wokół tego przewodnika tworzy się pole magnetyczne. Kierunek pola magnetycznego zależy od kierunku przepływu prądu.
Reguła prawej ręki
Reguła prawej ręki pokazuje kierunek pola magnetycznego na podstawie konwencjonalnego przepływu prądu (od dodatniego do ujemnego). Reguła prawej ręki jest tak nazwana, ponieważ jeśli ręka chwyta przewodnik, kciuk wskaże kierunek przepływu prądu, podczas gdy palce owinięte wokół przewodnika wskażą kierunek pola magnetycznego.
Reguła prawej ręki
Reguła lewej ręki
Reguła lewej ręki pokazuje kierunek pola magnetycznego na podstawie rzeczywistego przepływu prądu (od ujemnego do dodatniego). Większość branż inżynierii elektrycznej używa konwencjonalnego przepływu prądu, podczas gdy branże elektroniczne preferują rzeczywisty przepływ prądu (znany również jako ‘przepływ dziur’). W większości zastosowań kierunek przepływu prądu nie jest istotny, dlatego historyczny błąd polegający na założeniu, że prąd płynie od dodatniego do ujemnego, nigdy nie został skorygowany.
Ważne – Większość publikacji używa REGUŁY PRAWEJ RĘKI. Zakładaj konwencjonalny przepływ prądu, chyba że zaznaczono inaczej.
Reguła lewej ręki
Reguła lewej ręki Fleminga
Warto znać inną regułę lewej ręki, która jest używana znacznie częściej niż wcześniej wspomniana reguła lewej ręki; ta reguła lewej ręki nazywa się ‘regułą lewej ręki Fleminga’.
Reguła lewej ręki Fleminga jest używana do określenia siły działającej na przewodnik pod napięciem (elektrycznie naładowany), gdy znajduje się w polu magnetycznym. Reguła lewej ręki Fleminga jest często używana do określenia kierunku obrotu dla silników elektrycznych.
Reguła lewej ręki Fleminga
Prawo Faradaya
Prawo Faradaya zostanie teraz omówione bardziej szczegółowo, ponieważ jest bezpośrednio związane z tym, jak elektryczność jest generowana (prawo Ampere’a zostanie omówione później).
Prawo Faradaya mówi, że jeśli przewodnik porusza się w polu magnetycznym, napięcie (różnica potencjałów elektrycznych) zostanie wywołane w tym przewodniku. Podobnie, napięcie zostanie wywołane w nieruchomym przewodniku, jeśli znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym. Nie zostanie wywołane napięcie, jeśli pole magnetyczne jest statyczne (niezmienne).
Magnes z liniami pola magnetycznego
Zauważ, że prawo Faradaya jest również nazywane ‘prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya’. Terminy ‘indukcja magnetyczna’ i ‘indukcja elektromagnetyczna’ mają to samo znaczenie i są używane zamiennie.
Pola magnetyczne
Pola magnetyczne są reprezentowane przez rysowanie serii linii rozciągających się od jednego końca magnesu do drugiego.
- Silniejsze pola magnetyczne są reprezentowane przez gęsto upakowane linie pola magnetycznego.
- Słabsze pola magnetyczne są rozstawione dalej od siebie.
Siła pola magnesu jest proporcjonalna do odległości od magnesu, tj. siła pola jest silniejsza najbliżej magnesu i słabnie wraz ze wzrostem odległości od magnesu.
Przewodniki
Przewodnik to każda substancja, która pozwala na przepływ prądu (pozwala na przepływ elektronów). Niektóre przewodniki mają lepsze właściwości przewodności (zdolność do przewodzenia prądu) niż inne. W inżynierii elektrycznej miedź i aluminium są popularnymi przewodnikami, ponieważ mają wysoką przewodność.
Przewody miedziane (żyły przewodnika miedzianego)
Jak działają generatory AC
Prawo Faradaya mówi, że napięcie jest wywołane w każdym przewodniku, który znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym; ten proces indukcji jest znany jako ‘indukcja elektromagnetyczna’. Aby generować napięcie prądu przemiennego (AC), musimy zatem:
- Stale poruszać przewodnikiem przez nieruchome pole magnetyczne.
- Stale poruszać polem magnetycznym nad nieruchomym przewodnikiem.
Duże zakłady produkcji energii elektrycznej wytwarzają energię elektryczną, korzystając z opcji ‘stale poruszać polem magnetycznym nad nieruchomym przewodnikiem’. Elektrownie nie są prostymi konstrukcjami, ale podstawowe zasady, jak wytwarzana jest energia elektryczna przez ponad 95% elektrowni, są przedstawione poniżej.
Przewodnik poruszający się przez nieruchome pole magnetyczne
Zauważ, że powyższy obrazek pokazuje obracający się przewodnik, ale elektrownie mają nieruchome przewodniki i obracające się magnesy (odwrotnie niż na obrazku).
Aby generować energię, potrzebny jest magnes i sposób na jego ciągłe poruszanie, aby pole magnetyczne stale się zmieniało. Możliwe jest poruszanie magnesem tam i z powrotem liniowo (w linii prostej), ale byłoby to niepraktyczne i nieefektywne. Najbardziej ekonomicznym sposobem na utrzymanie ciągłego ruchu linii pola magnetycznego jest obracanie/wirowanie magnesu. Można to łatwo osiągnąć, przymocowując magnes do maszyny, której wyjściem jest ruch obrotowy. Na przykład, przymocowując wał wyjściowy do poniższych maszyn, a następnie łącząc magnes z wałem wyjściowym, możemy przenieść ruch obrotowy maszyny (moc mechaniczną) na magnes:
- Silnik Diesla.
- Turbina parowa.
- Turbina spalinowa.
- Turbina wodna (Kaplan, Francis, Pelton).
- Turbina wiatrowa.
W rzeczywistości powyższe maszyny są nazywane ‘napędami głównymi’, ponieważ przenoszą moc mechaniczną potrzebną generatorowi do produkcji energii elektrycznej. Ważne jest, aby zrozumieć, że ‘generatory’ nie ‘generują’ energii elektrycznej. Możliwe jest jedynie przekształcenie energii z jednej formy w inną.
Energii nie można zniszczyć ani stworzyć/wygenerować (Pierwsza zasada termodynamiki)
Napędy główne przenoszą energię mechaniczną do generatorów za pomocą wału i/lub przekładni. Generatory przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną.
Podstawowy przykład generacji energii
Poniższy film jest fragmentem naszego Kursu wideo online z inżynierii mechanicznej i elektrycznej.
Aby symulować napęd główny, możemy fizycznie przymocować magnes do wału wyjściowego koła wodnego (turbina wodna). Woda przepływa przez koło wodne, co powoduje jego obrót, a w konsekwencji obraca się magnes. Jeśli dostawa wody jest ciągła, koło wodne obraca się ciągle, podobnie jak magnes. Teraz, gdy znaleziono sposób na ciągłe zmienianie pola magnetycznego, przewodnik musi być umieszczony w zmieniającym się polu magnetycznym, aby można było wywołać napięcie.
Podstawowe ustawienie generacji energii AC
Umieszczenie pojedynczego przewodnika w polu magnetycznym nie wywołałoby dużego napięcia w tym przewodniku, ale jeśli przewodnik zostanie owinięty w kształt cewki, możliwe jest wywołanie znacznie większego napięcia. Aby indukcja napięcia była jeszcze bardziej efektywna, przewodnik można zainstalować jak najbliżej magnesu. Dodatkowo, dodanie więcej zwojów do cewki wywoła więcej napięcia, podczas gdy usunięcie zwojów z cewki wywoła mniej napięcia.
Kiedy magnes się obraca, a przewodnik został umieszczony w polu magnetycznym, napięcie zostanie wywołane w przewodniku. Jeśli przewodnik jest podłączony do zamkniętego obwodu elektrycznego, prąd przemienny będzie płynął. Elektryczność może teraz być dostarczana/wysyłana do konsumentów do użytku!
Podstawowy przykład generacji energii AC
Wirnik generatora
Generatory przemysłowe polegają na bardziej skomplikowanych komponentach niż proste magnesy i cewki, ale zasady działania generacji energii pozostają takie same. Obracający się magnes generatora nazywany jest ‘wirnikiem’, podczas gdy cewka nazywana jest ‘stojanem’. Możliwe jest, aby stojan działał jako magnes, a wirnik jako cewka, ale ten układ nie zostanie omówiony w tym czasie.
Wirnik zazwyczaj składa się z serii magnesów zamontowanych na rdzeniu z cienkich stalowych płyt; cienkie stalowe płyty laminowane nazywane są ‘laminacjami’. Laminacje wpływają na kształt pola magnetycznego, ponieważ stal zawiera żelazo, które jest magnetyczne (zdolne do działania jako magnes lub przyciągania przez magnes). Dodatkowo, laminacje koncentrują pole magnetyczne, aby jak najwięcej linii magnetycznych przecinało przewodnik. Koncentracja pola magnetycznego poprawia wydajność generatora, ponieważ napięcie wywołane w przewodniku wzrasta, gdy liczba linii pola magnetycznego przecinających przewodnik wzrasta.
W rzeczywistych zastosowaniach podstawowy przykład ‘magnesu obracającego się w pobliżu cewki’ opisany wcześniej nie pozwoliłby na zaspokojenie zapotrzebowania naszej cywilizacji na energię elektryczną. Magnesy trwałe są niepraktyczne w użyciu (trudne do transportu, stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa itp.) i są drogie. Wymagana jest alternatywna forma magnesu, a to wymaganie spełniają elektromagnesy.
Wskazówka: Magnes trwały to taki, którego bieguny północny i południowy są stałe i nie zmieniają się. Magnesy trwałe są również znane jako ‘ferromagnesy’.
Magnesy trwałe
Co to jest prawo Ampere’a?
Przed omówieniem elektromagnesów konieczne jest zrozumienie prawa Ampere’a.
Prawo Ampere’a stwierdza, że prąd elektryczny płynący w przewodniku tworzy pole magnetyczne wokół tego przewodnika. Siła pola magnetycznego utworzonego jest proporcjonalna do ilości przepływu prądu. Prąd stały płynie w jednym kierunku, a wynikowa wielkość pola magnetycznego i polaryzacja są stałe. Prąd przemienny płynie w dwóch kierunkach, a wyniki są następujące:
- Wielkość pola magnetycznego rośnie i maleje.
- Siła pola magnetycznego rośnie i maleje.
- Polaryzacja pola magnetycznego odwraca się (z północy na południe, a następnie z południa na północ).
Powyższe wyniki występują w synchroniczności ze zmieniającym się kierunkiem prądu elektrycznego. Fala sinusoidalna jest używana do wskazania siły pola magnetycznego w czasie i jego polaryzacji (północ jest dodatnia, południe jest ujemne).
Fala sinusoidalna zmieniająca się w czasie
Co to jest polaryzacja?
Magnesy trwałe mają biegun północny i południowy. Jeśli bieguny południowy i północny magnesu zamienią się miejscami (tak że północ staje się południem, a południe północą), mówi się, że polaryzacja jest ‘odwrócona’.
Elektromagnesy
Jak wcześniej wspomniano, prawo Ampere’a stwierdza, że ‘prąd elektryczny płynący w przewodniku tworzy pole magnetyczne wokół tego przewodnika’.
Jeśli prąd stały (DC) płynie w przewodniku, pole magnetyczne będzie stałe.
Jeśli prąd przemienny (AC) płynie w przewodniku, pole magnetyczne będzie się zmieniać (rozszerzać i kurczyć).
Siła pola magnetycznego otaczającego przewodnik jest proporcjonalna do ilości prądu płynącego przez przewodnik.
Możliwe jest stworzenie skoncentrowanego pola magnetycznego, owijając przewodnik w kształt cewki. Jeśli prąd płynie przez cewkę, skutecznie zostanie utworzony biegun północny i południowy na każdym końcu cewki.
Pole magnetyczne z powodu przepływu prądu przez cewkę
Elektromagnes powstaje, gdy prąd płynie przez cewkę, a wynikowy biegun północny i południowy tworzą się. Zauważ, że pozycja bieguna północnego i południowego może być odwrócona przez odwrócenie kierunku przepływu prądu. Prąd stały stworzyłby stały biegun północny i południowy, ponieważ przepływ prądu jest tylko w jednym kierunku. Prąd przemienny stworzyłby zmienne bieguny północne i południowe, ponieważ przepływ prądu jest w dwóch kierunkach (tam i z powrotem).
Jeśli cewki są zainstalowane na wirniku generatora, możliwe jest zastosowanie prądu elektrycznego do tych cewek w celu stworzenia elektromagnesu. Instalacja wielu cewek na wirniku pozwala na stworzenie wielu biegunów magnetycznych północnych i południowych. Tworzenie pola magnetycznego generatora za pomocą elektromagnesów ma kilka znaczących zalet w porównaniu z używaniem magnesów trwałych:
- Kontrolowanie prądu dostarczanego do elektromagnesu(-ów) umożliwia kontrolowanie siły pola magnetycznego, a zatem możliwe jest kontrolowanie, ile napięcia jest wywołane w uzwojeniach stojana (cewkach przewodnika).
- Zmienianie liczby cewek używanych przez elektromagnes determinuje potencjalną siłę pola magnetycznego, jaką elektromagnes może stworzyć; jest to ważna i przydatna cecha podczas procesu projektowania.
- Materiały cewki są zazwyczaj znacznie łatwiejsze do zdobycia, utrzymania i/lub wymiany niż duże magnesy trwałe.
- Elektromagnesy są tańsze w porównaniu do dużych magnesów trwałych.
- Elektromagnesy są łatwiejsze do obsługi niż duże magnesy trwałe.
Co to są ‘bieguny wirnika generatora’?
Wirniki generatorów są czasami określane jako mające ‘2-bieguny’, lub, ‘4-bieguny’ itp. ‘Bieguny’ odnoszą się do bieguna północnego lub południowego magnesu. Wirnik 2-biegunowy ma jeden biegun południowy i jeden biegun północny. Wirnik 4-biegunowy ma dwa bieguny północne i dwa bieguny południowe itp.
Stojan generatora elektrycznego
Cewki przewodnika otaczające wirnik są zbiorczo nazywane ‘stojanem’. Otoczenie wirnika cewką lub serią cewek zapewnia, że linie pola magnetycznego wytwarzane przez wirnik przecinają dużą powierzchnię cewki(-ek), co daje więcej wywołanego napięcia.
Stojan z pojedynczą cewką wywoła napięcie jednofazowe (1~). Instalacja większej liczby cewek wytwarza dodatkowe fazy. ‘Faza’ to potencjał napięcia mierzony na jednym przewodniku. Wywołanie napięcia w 3 oddzielnych cewkach w dokładnie tym samym czasie nie byłoby praktyczne, ponieważ system elektryczny cyklowałby intensywnie między dodatnim a ujemnym napięciem, a nie byłoby możliwe zainstalowanie cewek w dokładnie tej samej przestrzeni fizycznej. Instalacja trzech cewek 120 stopni od siebie pozwala na wywołanie napięcia w trzech oddzielnych cewkach w bardziej zrównoważony sposób. Elektrownie wytwarzają napięcie prądu przemiennego trójfazowego.
Napięcie prądu przemiennego trójfazowego
Moc elektryczna (P=VI)
Moc elektryczna jest reprezentowana przez równanie:
P = V I
Moc = Napięcie x Prąd
Z powyższego równania można wywnioskować, że moc zawsze będzie wynosić 0, jeśli wartość napięcia wynosi 0, lub jeśli wartość prądu wynosi 0. Otwarte obwody nie mają przepływu prądu, ale jeśli obwód jest zamknięty, prąd będzie płynął (jeśli prąd jest obecny). Chociaż możliwe jest posiadanie napięcia bez prądu, nie jest możliwe posiadanie prądu bez napięcia. Aby wytworzyć moc elektryczną, musimy zatem mieć zarówno napięcie, jak i zamknięty obwód do przepływu prądu.
Jak elektrownie wytwarzają energię elektryczną
Bez względu na to, jaki typ elektrowni (elektrowni) jest rozważany, ponad 95% z nich wykorzystuje podstawową zasadę ‘stale poruszać polem magnetycznym nad nieruchomym przewodnikiem’ do generowania energii elektrycznej. Na przykład:
- Elektrownia węglowa (i każda elektrownia opalana paliwami kopalnymi) – spala paliwo, aby uwolnić jego energię chemiczną jako ciepło, które następnie jest używane do przekształcenia wody w parę. Para jest podawana do turbiny parowej, co powoduje obrót turbiny. Wynikowa moc mechaniczna z turbiny jest przenoszona do generatora za pomocą wału (i zazwyczaj przekładni).
- Turbina wiatrowa – wiatr przepływa nad łopatkami wirnika turbiny wiatrowej, co powoduje obrót łopatek. Ruch obrotowy (energia kinetyczna) z łopatek jest podawany do generatora.
- Elektrownia jądrowa – generuje ciepło (energię termiczną) do podgrzewania wody; woda jest następnie podawana do wymiennika ciepła. Woda po stronie płaszczowej wymiennika ciepła płaszczowo-rurowego zamienia się w parę podczas podgrzewania; para jest następnie podawana do turbiny parowej, która jest połączona z generatorem.
- Elektrownia wodna (zapora, magazynowanie pompowe, prąd pływowy, zapora pływowa, przepływ rzeki) – woda jest podawana do wirnika turbiny, co powoduje obrót wirnika. Wirnik jest połączony na wał z generatorem.
Wirnik turbiny wodnej i generator
- Piec słoneczny – fale elektromagnetyczne ze słońca są skupiane na określonym punkcie (piec słoneczny), aby wygenerować dużą ilość ciepła w tym punkcie. Płyn termiczny (często stopiona sól) pochłania ciepło i przekazuje je wodzie za pomocą wymiennika ciepła. Woda zmienia fazę na parę, a para jest podawana do turbiny parowej, która jest połączona z generatorem.
Dodatkowe zasoby
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php