Code: Select all
Električni generator je el. stroj koji mehan. energiju pogonskoga stroja pretvara u el. energiju. Pogonski je stroj obično vodena, parna ili plinska turbina te Dieselov motor, a rjeđe vjetrena turbina ili benzinski motor. Generator zajedno s pogonskim strojem naziva se generatorski agregat. Izmjenični generator osnovni je izvor većih količina el. energije i mnogo se više primjenjuje od istosmjernoga generatora, koji služi za posebne namjene.
Pretvorba mehaničke u el. energiju posredovanjem el. generatora osniva se na → elektromagnetskoj indukciji, tj. na induciranju napona u vodiču koji se giba relativno prema magn. polju. U skladu s tim, g. je građen od okretnoga dijela (rotor) i nepokretnoga dijela (stator). Jedan od tih dijelova treba imati namote vodiča u kojima će se inducirati napon, a drugi treba djelovati kao magnet. Ulogu magneta obično ima rotor, i to u generatorima malih izmjera i snaga ugradnjom trajnih magneta, a u velikim generatorima ugradnjom elektromagneta, tj. namota kojima se dovodi istosmjerna struja preko četkica i kliznih koluta.
Napon koji se inducira je izmjeničan a to znači da ima sinusn oblik,sinusni oblik formira se tako da magneti različitih polova prolaze pored namotaja. Sjeverni pol magneta će formirat pozitivan napon a južni pol magneta formirat će negativni napon. Da bi nastala električna energija treba okretati rotor. Generator ima mnogo navoja žica. Svaki navoj žice pokreće izvjestan broj elektrona, a svi navoji zajedno stvaraju jaku električnu struju. Tako se u generatoru energija gibanja pretvara u električnu energiju.
Tijekom vrtnje mijenja se magnetski tok kroz petlju pa se i elektromotorni napon mora mijenjati u ovisnosti o vremenu. Najveći magnetski tok koji prolazi zavojnicom onda kada je ravnina zavojnice okomita na smjer magnetskog polja, a najmanji kada je ravnina zavojnice paralelna sa smjerom magnetskog polja. Ako se prati vrtnja zavojnice za jedan puni okret, vidjet će se da će najveća vrijednost elektromotornog napona biti za kut od 90° i 270°, a najmanja za kut 0° i 180°. Za daljnju vrtnju situacija se ponavlja. Na taj se način dobije izmjenični elektromotorni napon, odnosno izmjenična struja.
Ako se vodiči na suprotnim stranama oboda statora povežu u svitke, njihovi će se naponi zbrajati, a ukupni napon svitka mijenjat će predznak onoliko puta u jednoj sekundi, za vrijeme jednog okretaja rotora u sekundi, koliko rotor ima polova. Napon na krajevima namota statora uvijek je izmjeničan, a i struje koje će on potjerati kroz priključene potrošače bit će izmjenične, pa je to izmjenični generator. Pri stalnoj brzini vrtnje rotora bit će i frekvencija induciranoga napona stalna. Kako se rotor vrti brzinom kruto povezanom s frekvencijom, takav se g. naziva sinkronim generatorom. Praktički se uvijek grade samo trofazni sinkroni generatori, a to znači da na statoru imaju 3 fazna namota međusobno prostorno pomaknuta za po 1/3 oboda kada generator ima dva pola, odn. 1/3 razmaka od jednoga N-pola do idućega kada generator ima više polova. Inducirani su naponi u tim faznim namotima periodični i izmjenični, prolaze kroz maksimum i minimum, ali ne sva tri istodobno, već jedan za drugim u jednakim vremenskim (faznim) razmacima od 1/3 trajanja jednoga cijelog naponskog ciklusa.
Namoti takve vrste fazni su namoti, a generator koji ima tri faze trofazni je sinkroni g., ili, općenito, višefazni izmjenični generator. Sinkroni g. za velike brzine vrtnje većinom je turbogenerator (obično ima dva ili četiri pola i rotor valjkasta oblika, sinkrone su mu brzine 3000, odn. 1500okretaja/min pri frekvenciji od 50Hz), a onaj za niže brzine vrtnje hidrogenerator ili g. s izraženim magn. polovima. (→ TURBOGENERATOR; HIDROGENERATOR)
Frekvencija izmjenične struje za opskrbu energetskih mreža normirana je, u Europi je 50Hz, a u Americi 60Hz. Zato najveća brzina vrtnje sinkronoga generatora za 50Hz iznosi 3000okretaja/min, a za 60Hz 3600okretaja/min. Za posebne namjene, kada su potrebni asinkroni ili sinkroni motori znatno većih brzina, a radi što manje mase i izmjera (zrakoplovstvo) ili radi zahtjeva tehnol. procesâ, primjenjuju se izmjenični generatori s većim brojem polova i znatno većim brzinama, koji daju napone frekvencije od 75do500Hz, pa čak i do 1000Hz. U elektroenergetici se nazivaju visokofrekvencijskim generatorima, premda se još uvijek radi o području općenito niskih frekvencija. Brzina vrtnje sinkronoga generatora ovisi o pogonskom stroju, pa o tome u velikoj mjeri ovisi i konstrukcija generatora.
U statorskim namotima opterećenoga generatora teku struje koje stvaraju okretno magn. polje. Ono rotira istom (sinkronom) brzinom kao i rotor i na različite se načine kombinira s uzbudnim magn. poljem stvorenim strujama rotorskoga namota. Polje obično djeluje tako da uzbudnu struju opterećenoga generatora treba automatskim regulatorom namještati kako bi se na stezaljkama generatora dobivao stalno isti napon, neovisan o opterećenju. Uzbuda generatora izmjenične struje rješava se posebnim uzbudnikom, tj. generatorom istosmjerne struje koji služi za uzbudu gl. generatora, a uzbuđuje se samouzbudom ili neovisno, iz pomoćnog uzbudnika. Uzbudnik i pomoćni uzbudnik mogu biti na istoj osovini s generatorskim agregatom (vlastita uzbuda) ili pogonjeni posebnim pogonskim motorom (uzbudni agregat). Suvremena su rješenja tzv. statički uzbudni sustavi, koji se sastoje od tiristorskog usmjerivača, uzbudnoga transformatora priključena na izmjeničnu mrežu i automatskoga digitalnog regulatora napona. Samouzbudni kompaundni (potpomognuti) sinkroni generatori upotrebljavaju vlastiti izmjenični napon i struju kako bi se preko ispravljača postigla upravo onolika uzbudna struja kolika je potrebna za održanje stalnoga napona u trenutačnim uvjetima opterećenja.
Dok je u sinkronom generatoru frekvencija napona kruto povezana s brzinom vrtnje, u asinkronom generatoru brzina je vrtnje nešto veća od sinkrone brzine, već prema opterećenju, slično kao što je u asinkronome motoru brzina vrtnje nešto manja od sinkrone brzine vrtnje okretnoga magn. polja. Načelo rada asinkronoga generatora jednako je kao i asinkronoga motora, s tom razlikom što se pri nadsinkronoj brzini smjer radne struje mijenja, pa stroj daje energiju u mrežu, mjesto da je iz nje uzima. Asinkroni generatori upotrebljavaju se za male snage, do nekoliko megavata, a najčešći su im pogonski strojevi vjetrene turbine ili male vodene turbine. Takvim je generatorima primjena ograničena, jer trebaju biti priključeni na energetski sustav iz kojeg uzimaju jalovu struju za magnetiziranje ili, ako rade na vlastitu mrežu, moraju imati kondenzatorske baterije za uzbudu.
Induciranje napona zbiva se i ako se zamijeni uloga statora i rotora. Uzbudna struja može se na polove statora dovesti bez kliznih koluta i četkica. No, za namote faza, koji su tada na rotoru, potrebni su izvodi preko kliznih koluta. Za velike snage i za tri faze takvo tehn. rješenje izmjeničnoga generatora bilo bi suviše složeno i skupo, pa se upotrebljava samo iznimno. Ono je, međutim, uobičajeno za tehn. izvedbu istosmjernoga generatora. Svitci rotora takva generatora spojeni su pri tome tako da čine zatvoreni strujni krug, ali je na spoju svakoga svitka s idućim povučen izvod do jedne od lamela komutatora (kolektora). Komutatorske su lamele međusobno izolirane i tvore plašt valjka, koji rotira zajedno s rotorom i po kojem kližu grafitne četkice. One dovode struju vanj. trošilima, a prostorno se nalaze u položaju tzv. neutralne zone, gdje se upravo mijenja smjer struje dotičnoga svitka. Unatoč tomu što se u vodičima rotora induciraju izmjenični naponi, polaritet napona među onim lamelama komutatora koje dolaze u dodir s četkicama uvijek je isti, pa se iz generatora dobivaju istosmjerni naponi i struje. Funkcija je komutatora pretvaranje izmjenične struje rotorskih vodiča u istosmjernu struju u vanj. odvodima. U svitku koji se spaja s četkicama mora se tog trenutka promijeniti predznak struje, i to u vrlo kratkom vremenu. Zbog napona samoindukcije nastaje iskrenje, što mehanički oštećuje četkice i komutator i ograničava upotrebu istosmjernoga generatora. Osim toga, rotorske struje stvaraju svoje magn. polje upravo u neutralnoj zoni. Negativan utjecaj toga polja naziva se reakcija armature. Zato je danas svaki imalo veći istosmjerni g. opremljen pomoćnim polovima, koji su uzbuđeni strujom opterećenja, a nalaze se u sredini između gl. polova, pa tako poništavaju reakciju armature u neutralnoj zoni i stvaraju polje potrebno za dobru komutaciju. To su tzv. komutacijski polovi. Ako je uzbudni namot gl. polova preko otpornika za regulaciju uzbudne struje priključen paralelno na stezaljke samoga generatora, takva se uzbuda naziva samouzbudom, za razliku od neovisne uzbude, za koju se primjenjuje bilo kakav drugi izvor istosmjerne struje.
