Generaattorit

Generaattorit ovat laitteita, jotka muuntavat muita energiamuotoja sähköenergiaksi. Vuonna 1832 ranskalainen Bixi keksi generaattorin.

Generaattori koostuu roottorista ja staattorista. Roottori sijaitsee staattorin keskiontelossa. Roottorissa on magneettinavat, jotka tuottavat magneettikentän. Kun päämoottori pyörittää roottoria, mekaaninen energia siirtyy. Roottorin magneettinavat pyörivät suurella nopeudella roottorin mukana, jolloin magneettikenttä on vuorovaikutuksessa staattorikäämin kanssa. Tämä vuorovaikutus saa magneettikentän leikkaamaan staattorikäämin johtimet, jolloin syntyy indusoitu sähkömotorinen voima ja mekaaninen energia muuttuu sähköenergiaksi. Generaattorit jaetaan tasavirtageneraattoreihin ja vaihtovirtageneraattoreihin, joita käytetään laajalti teollisessa ja maataloudessa, maanpuolustuksessa, tieteessä ja teknologiassa sekä jokapäiväisessä elämässä.

Rakenteelliset parametrit

Generaattorit koostuvat yleensä staattorista, roottorista, päätykappaleista ja laakereista.

Staattori koostuu staattorin ytimestä, langan käämityksistä, rungosta ja muista rakenneosista, jotka kiinnittävät nämä osat.

Roottori koostuu roottorin sydämestä (tai magneettinavasta, magneettikuristimesta), käämityksestä, suojarenkaasta, keskirenkaasta, liukurenkaasta, tuulettimesta ja roottorin akselista sekä muista komponenteista.

Generaattorin staattori ja roottori on yhdistetty toisiinsa laakereilla ja päätykansilla, jotta roottori voi pyöriä staattorissa ja katkaista magneettisia voimaviivoja, jolloin syntyy indusoitu sähköpotentiaali, joka johdetaan liittimien kautta ulos ja kytketään piiriin, jolloin syntyy sähkövirta.

Toiminnalliset ominaisuudet

Tahtigeneraattorin suorituskykyä kuvaavat pääasiassa kuormittamattoman tilan ja kuormituksen ominaisuudet. Nämä ominaisuudet ovat tärkeitä perusteita käyttäjille generaattorin valinnassa.

Kuormittamattoman tilan karakterisointi:Kun generaattori toimii ilman kuormaa, ankkurivirta on nolla, tätä kutsutaan avoimen piirin toiminnaksi. Tällöin moottorin staattorin kolmivaihekäämityksessä on vain herätevirran If indusoima tyhjäkäyntisähkömotorinen voima E0 (kolmivaihesymmetria), ja sen suuruus kasvaa If:n kasvaessa. Nämä kaksi eivät kuitenkaan ole verrannollisia, koska moottorin magneettipiirin ydin on kyllästynyt. Käyrää, joka kuvaa tyhjäkäyntisähkömotorisen voiman E0 ja herätevirran If välistä suhdetta, kutsutaan tahtigeneraattorin tyhjäkäyntikäyräksi.

Ankkurin reaktio:Kun generaattori kytketään symmetriseen kuormaan, ankkurikäämin kolmivaihevirta synnyttää toisen pyörivän magneettikentän, jota kutsutaan ankkurireaktiokentäksi. Sen nopeus on yhtä suuri kuin roottorin nopeus, ja ne pyörivät synkronisesti.

Sekä tahtigeneraattoreiden ankkurireaktiokenttä että roottorin magnetointikenttä voidaan approksimoida sinimuotoisen lain mukaisesti jakautuneina. Niiden spatiaalinen vaihe-ero riippuu kuormittamattoman sähkömotorisen voiman E0 ja ankkurivirran I välisestä aikavaihe-erosta. Lisäksi ankkurireaktiokenttä liittyy myös kuormitusolosuhteisiin. Kun generaattorin kuormitus on induktiivinen, ankkurireaktiokentällä on demagnetisoiva vaikutus, joka johtaa generaattorin jännitteen laskuun. Käänteisesti, kun kuormitus on kapasitiivinen, ankkurireaktiokentällä on magnetisoiva vaikutus, joka lisää generaattorin lähtöjännitettä.

Kuorman toimintaominaisuudet:Se viittaa pääasiassa ulkoisiin ominaisuuksiin ja säätöominaisuuksiin. Ulkoinen ominaisuus kuvaa generaattorin napajännitteen U ja kuormavirran I välistä suhdetta nimellisnopeudella, herätevirralla ja kuormitustehokertoimella, kun nimellisnopeus, napajännite ja kuormitustehokerroin ovat vakiot. Säätöominaisuus kuvaa herätevirran If ja kuormavirran I välistä suhdetta nimellisnopeudella, napajännitteellä ja kuormitustehokertoimella, kun nimellisnopeus, napajännite ja kuormitustehokerroin ovat vakiot.

Tahtigeneraattoreiden jännitteen vaihtelunopeus on noin 20–40 %. Tyypilliset teollisuus- ja kotitalouskuormat vaativat suhteellisen vakion jännitteen. Siksi herätevirtaa on säädettävä vastaavasti kuormitusvirran kasvaessa. Vaikka säätökäyrän muutostrendi on päinvastainen kuin ulkoisen ominaisuuden, se kasvaa induktiivisilla ja puhtaasti resistiivisillä kuormilla, kun taas kapasitiivisilla kuormilla se yleensä pienenee.

Toimintaperiaate

Dieselgeneraattori

Dieselmoottori käyttää generaattoria, joka muuntaa dieselpolttoaineen energian sähköenergiaksi. Dieselmoottorin sylinterin sisällä ilmansuodattimen suodattama puhdas ilma sekoittuu perusteellisesti polttoainesuuttimen ruiskuttaman korkeapaineisen sumutetun dieselpolttoaineen kanssa. Männän liikkuessa ylöspäin ja puristaessa seosta sen tilavuus pienenee ja lämpötila nousee nopeasti, kunnes se saavuttaa dieselpolttoaineen syttymispisteen. Tämä sytyttää dieselpolttoaineen, jolloin seos palaa voimakkaasti. Kaasujen nopea laajeneminen pakottaa sitten männän alaspäin, prosessia kutsutaan "työksi".

Bensiinigeneraattori

Bensiinimoottori pyörittää generaattoria, joka muuntaa bensiinin kemiallisen energian sähköenergiaksi. Bensiinimoottorin sylinterin sisällä polttoaineen ja ilman seos palaa nopeasti, minkä seurauksena seos tilavuudeltaan laajenee nopeasti ja pakottaa männän alaspäin suorittaen työtä.

Sekä diesel- että bensiinigeneraattoreissa jokainen sylinteri toimii peräkkäin tietyssä järjestyksessä. Kiertokanki muuntaa mäntään kohdistetun voiman pyörimisvoimaksi, joka pyörittää kampiakselia. Harjaton synkroninen vaihtovirtageneraattori, joka on koaksiaalisesti asennettu moottorin kampiakseliin, antaa moottorin pyörimisen pyörittää generaattorin roottoria. Sähkömagneettisen induktion periaatteen mukaisesti generaattori tuottaa sitten indusoidun sähkömotorisen voiman, joka tuottaa virtaa suljetun kuormapiirin läpi.