Jak generator prądu wytwarza energię elektryczną?

Generatory to przydatne urządzenia, które dostarczają energię elektryczną podczas przerwy w dostawie prądu i zapobiegają przerwaniu codziennych czynności lub zakłóceniom w działalności biznesowej. Generatory są dostępne w różnych konfiguracjach elektrycznych i fizycznych do użytku w różnych zastosowaniach. W kolejnych sekcjach przyjrzymy się, jak działa generator, jego głównym komponentom oraz jak generator działa jako wtórne źródło energii elektrycznej w zastosowaniach mieszkaniowych i przemysłowych.

Jak działa generator prądu?

Generator elektryczny to urządzenie, które zamienia energię mechaniczną uzyskaną z zewnętrznego źródła na energię elektryczną jako wyjściową.

Ważne jest, aby zrozumieć, że generator w rzeczywistości nie „tworzy” energii elektrycznej. Zamiast tego wykorzystuje dostarczoną mu energię mechaniczną, aby wymusić ruch ładunków elektrycznych obecnych w drucie jego uzwojeń przez zewnętrzny obwód elektryczny. Ten przepływ ładunków elektrycznych stanowi wyjściowy prąd elektryczny dostarczany przez generator. Mechanizm ten można zrozumieć, uznając generator za analogiczny do pompy wodnej, która powoduje przepływ wody, ale w rzeczywistości nie „tworzy” przepływającej przez nią wody.

Współczesny generator działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej odkrytej przez Michaela Faradaya w latach 1831-32. Faraday odkrył, że powyższy przepływ ładunków elektrycznych może być indukowany przez poruszanie w polu magnetycznym przewodnika elektrycznego, takiego jak drut zawierający ładunki elektryczne. Ten ruch tworzy różnicę napięć między dwoma końcami drutu lub przewodnika elektrycznego, co z kolei powoduje przepływ ładunków elektrycznych, generując w ten sposób prąd elektryczny.

Główne elementy generatora pradu

Główne elementy generatora elektrycznego można ogólnie sklasyfikować w następujący sposób:

• Silnik
• Alternator
• System paliwowy
• Regulator napięcia
• Systemy chłodzenia i wydechu
• System smarowania
• Ładowarka
• Panel sterowania
• Główny zespół / rama

Poniżej znajduje się opis głównych elementów generatora.

Silnik generatora prądu

Silnik jest źródłem wejściowej energii mechanicznej do generatora. Wielkość silnika jest wprost proporcjonalna do maksymalnej mocy, jaką może dostarczyć generator. Podczas oceny silnika generatora należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Należy skonsultować się z producentem silnika w celu uzyskania pełnych specyfikacji pracy silnika i harmonogramów konserwacji.

(a) Rodzaj używanego paliwa – Silniki generatorów pracują na różnych paliwach, takich jak olej napędowy, benzyna, propan (w postaci skroplonej lub gazowej) lub gaz ziemny. Mniejsze silniki zwykle działają na benzynę, podczas gdy większe silniki na olej napędowy, ciekły propan, propan lub gaz ziemny. Niektóre silniki mogą również pracować na podwójnym zasilaniu zarówno oleju napędowego, jak i gazu w trybie pracy dwupaliwowej.

(b) Silniki górnozaworowe (OHV) a silniki inne niż OHV – Silniki OHV różnią się od innych silników tym, że zawory dolotowe i wylotowe silnika znajdują się w głowicy cylindra silnika, a nie na bloku silnika. Silniki OHV mają kilka zalet w porównaniu z innymi silnikami, takimi jak:

• Kompaktowa konstrukcja

• Prostszy mechanizm obsługi

• Trwałość

• Przyjazny dla użytkownika w obsłudze

• Niski poziom hałasu podczas pracy

• Niski poziom emisji

Jednak silniki OHV są również droższe niż inne silniki.

(c) Tuleja żeliwna (CIS) w cylindrze silnika – CIS to okładzina w cylindrze silnika. Zmniejsza zużycie i zapewnia trwałość silnika. Większość silników OHV jest wyposażona w CIS, ale konieczne jest sprawdzenie tej funkcji w silniku generatora. CIS nie jest kosztowną funkcją, ale odgrywa ważną rolę w trwałości silnika, zwłaszcza jeśli musisz często korzystać z generatora lub przez długi czas.

Alternator generatora prądu

Alternator jest częścią generatora, która wytwarza energię elektryczną z mechanicznego wejścia dostarczanego przez silnik. Zawiera zespół części nieruchomych i ruchomych zabudowanych w obudowie. Komponenty współpracują ze sobą, powodując względny ruch między polem magnetycznym i elektrycznym, co z kolei generuje energię elektryczną.

(a) Stojan – Jest to element stacjonarny. Zawiera zestaw przewodników elektrycznych nawiniętych w zwoje na żelaznym rdzeniu.

(b) Wirnik / Armatura – jest to ruchomy element, który wytwarza wirujące pole magnetyczne na jeden z trzech poniższych sposobów:

(i) Przez indukcję – są one znane jako alternatory bezszczotkowe i są zwykle używane w dużych generatorach.

(ii) Za pomocą magnesów trwałych – jest to powszechne w małych alternatorach.

(iii) Za pomocą wzbudnicy — wzbudnica to małe źródło prądu stałego (DC), które zasila wirnik przez zespół przewodzących pierścieni ślizgowych i szczotek.

Wirnik wytwarza wokół stojana ruchome pole magnetyczne, które indukuje różnicę napięć między uzwojeniami stojana. Powoduje to wytwarzanie prądu przemiennego (AC) na wyjściu generatora.

Oto czynniki, o których należy pamiętać przy ocenie alternatora prądnicy:

(a) Obudowa metalowa a obudowa z tworzywa sztucznego — całkowicie metalowa konstrukcja zapewnia trwałość alternatora. Plastikowe obudowy z czasem odkształcają się i odsłaniają ruchome części alternatora. Zwiększa to zużycie i, co ważniejsze, jest niebezpieczne dla użytkownika.

(b) Łożyska kulkowe a łożyska igiełkowe – preferowane są łożyska kulkowe, które mają dłuższą żywotność.

(c) Konstrukcja bezszczotkowa — alternator, który nie wykorzystuje szczotek, wymaga mniej konserwacji, a także zapewnia czystszą moc.

System paliwowy agregatu prądotwórczego

Zbiornik paliwa ma zwykle wystarczającą pojemność, aby generator mógł pracować średnio przez 6 do 8 godzin. W przypadku małych agregatów prądotwórczych zbiornik paliwa jest częścią podstawy płozy prądnicy lub jest montowany na górze ramy prądnicy. W przypadku zastosowań komercyjnych może być konieczne wzniesienie i zainstalowanie zewnętrznego zbiornika paliwa. Wszystkie tego typu instalacje podlegają zatwierdzeniu przez Wydział Urbanistyki. 

Wspólne cechy układu paliwowego to:

(a) Połączenie rurowe ze zbiornika paliwa do silnika – Przewód zasilający kieruje paliwo ze zbiornika do silnika, a przewód powrotny kieruje paliwo z silnika do zbiornika.

(b) Rura wentylacyjna zbiornika paliwa – Zbiornik paliwa ma rurę wentylacyjną, która zapobiega narastaniu ciśnienia lub podciśnienia podczas napełniania i opróżniania zbiornika. Podczas uzupełniania zbiornika paliwa, upewnij się, że metal-metal styka się z wlewem paliwa i zbiornikiem paliwa, aby uniknąć iskier.

(c) Połączenie przelewowe ze zbiornika paliwa do rury spustowej – Jest to wymagane, aby ewentualny przelew podczas uzupełniania zbiornika nie powodował rozlania się cieczy na agregat prądotwórczy.

(d) Pompa paliwa – Przenosi paliwo z głównego zbiornika magazynowego do zbiornika dziennego. Pompa paliwowa jest zwykle napędzana elektrycznie.

(e) Separator wody/filtr paliwa – oddziela wodę i ciała obce od ciekłego paliwa, aby chronić inne elementy generatora przed korozją i zanieczyszczeniem.

(f) Wtryskiwacz paliwa – rozpyla płynne paliwo i wtryskuje wymaganą ilość paliwa do komory spalania silnika.

Regulator napięcia

Jak sama nazwa wskazuje, element ten reguluje napięcie wyjściowe generatora. Poniżej opisano mechanizm dla każdego elementu, który bierze udział w cyklicznym procesie regulacji napięcia.

(1) Regulator napięcia: Konwersja napięcia AC na prąd DC – Regulator napięcia przejmuje niewielką część napięcia wyjściowego generatora i przekształca go w prąd stały. Regulator napięcia dostarcza następnie ten prąd stały do ​​zestawu uzwojeń wtórnych w stojanie, znanych jako uzwojenia wzbudnicy.

(2) Uzwojenia wzbudnicy: konwersja prądu stałego na prąd przemienny — uzwojenia wzbudnicy działają teraz podobnie do pierwotnych uzwojeń stojana i generują niewielki prąd przemienny. Uzwojenia wzbudnicy są połączone z jednostkami znanymi jako prostowniki obrotowe.

(3) Prostowniki obrotowe: konwersja prądu przemiennego na prąd stały – prostują prąd przemienny generowany przez uzwojenia wzbudnicy i przekształcają go w prąd stały. Ten prąd stały jest podawany do wirnika / zwory w celu wytworzenia pola elektromagnetycznego oprócz wirującego pola magnetycznego wirnika / zwory.

(4) Wirnik / zwora: konwersja prądu stałego na napięcie przemienne — wirnik / zwora indukuje teraz większe napięcie przemienne na uzwojeniach stojana, które generator wytwarza teraz jako większe wyjściowe napięcie przemienne.

Cykl ten trwa do momentu, aż generator zacznie wytwarzać napięcie wyjściowe odpowiadające jego pełnej mocy roboczej. Wraz ze wzrostem mocy generatora regulator napięcia wytwarza mniej prądu stałego. Gdy generator osiągnie pełną wydajność roboczą, regulator napięcia osiąga stan równowagi i wytwarza prąd stały w ilości wystarczającej do utrzymania mocy wyjściowej generatora na pełnym poziomie roboczym.

Po dodaniu obciążenia do generatora jego napięcie wyjściowe nieco spada. To skłania regulator napięcia do działania i rozpoczyna się powyższy cykl. Cykl trwa do momentu, gdy moc wyjściowa generatora osiągnie swoją pierwotną pełną zdolność operacyjną.

Układ chłodzenia i wydechu generatora prądu

(a) Układ chłodzenia

Ciągłe użytkowanie generatora powoduje nagrzewanie się różnych jego elementów. Niezbędne jest posiadanie systemu chłodzenia i wentylacji do odprowadzania ciepła wytworzonego w procesie.

Woda surowa/świeża jest czasami używana jako chłodziwo generatorów, ale są one w większości ograniczone do konkretnych sytuacji, takich jak małe generatory w zastosowaniach miejskich lub bardzo duże jednostki o mocy powyżej 2250 kW i większej. Wodór jest czasami używany jako chłodziwo w uzwojeniach stojana dużych agregatów prądotwórczych, ponieważ pochłania on ciepło skuteczniej niż inne chłodziwa. Wodór usuwa ciepło z generatora i przenosi je przez wymiennik ciepła do wtórnego obwodu chłodzącego, który zawiera wodę zdemineralizowaną jako chłodziwo. Dlatego bardzo duże generatory i małe elektrownie często mają obok siebie duże wieże chłodnicze. We wszystkich innych typowych zastosowaniach, zarówno domowych, jak i przemysłowych, standardowa chłodnica i wentylator są montowane na generatorze i działają jako główny system chłodzenia.

Niezbędne jest codzienne sprawdzanie poziomu płynu chłodzącego w generatorze. Układ chłodzenia i pompę wody surowej należy płukać co 600 godzin, a wymiennik ciepła co 2400 godzin pracy generatora. Generator powinien być umieszczony w otwartej i wentylowanej przestrzeni, która ma odpowiedni dopływ świeżego powietrza. National Electric Code (NEC) nakazuje pozostawienie minimalnej przestrzeni 3 stóp ze wszystkich stron generatora, aby zapewnić swobodny przepływ powietrza chłodzącego.

(b) Układ

wydechowy Spaliny emitowane przez generator są takie same jak spaliny z każdego innego silnika wysokoprężnego lub benzynowego i zawierają wysoce toksyczne chemikalia, którymi należy odpowiednio zarządzać. Dlatego niezbędne jest zainstalowanie odpowiedniego układu wydechowego do odprowadzania spalin. Ten punkt nie może być wystarczająco podkreślany, ponieważ zatrucie tlenkiem węgla pozostaje jedną z najczęstszych przyczyn śmierci na obszarach dotkniętych huraganem, ponieważ ludzie zwykle nawet o tym nie myślą, dopóki nie jest za późno. 

Rury wydechowe są zwykle wykonane z żeliwa, kutego żelaza lub stali. Muszą one być wolnostojące i nie powinny być wspierane przez silnik generatora. Rury wydechowe są zwykle mocowane do silnika za pomocą elastycznych złączy, aby zminimalizować wibracje i zapobiec uszkodzeniu układu wydechowego generatora. Rura wydechowa kończy się na zewnątrz i prowadzi z dala od drzwi, okien i innych otworów do domu lub budynku. Musisz upewnić się, że układ wydechowy twojego generatora nie jest podłączony do żadnego innego sprzętu. Należy również zapoznać się z lokalnymi rozporządzeniami miejskimi, aby ustalić, czy działanie generatora będzie wymagało uzyskania zgody władz lokalnych, aby zapewnić zgodność z lokalnymi przepisami prawa w celu ochrony przed grzywnami i innymi karami.

Układ smarowania generatora prądu

Ponieważ generator zawiera ruchome części w swoim silniku, wymaga smarowania, aby zapewnić trwałość i płynną pracę przez długi czas. Silnik generatora jest smarowany olejem zgromadzonym w pompie. Poziom oleju smarującego należy sprawdzać co 8 godzin pracy generatora. Należy również sprawdzać, czy nie ma wycieków smaru i wymieniać olej smarujący co 500 godzin pracy generatora.

Ładowarka akumulatorów

st e funkcja sztuki generator jest zasilany bateriami. Ładowarka utrzymuje akumulator generatora w stanie naładowania, dostarczając do niego precyzyjne napięcie „float”. Jeśli napięcie podtrzymujące jest bardzo niskie, akumulator pozostanie niedoładowany. Jeśli napięcie konserwujące jest bardzo wysokie, skróci to żywotność baterii. Ładowarki akumulatorów są zwykle wykonane ze stali nierdzewnej, aby zapobiec korozji. Są również w pełni automatyczne i nie wymagają żadnych regulacji ani zmiany ustawień. Napięcie wyjściowe DC ładowarki jest ustawione na 2,33 V na ogniwo, co jest dokładnym napięciem konserwacyjnym dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Ładowarka akumulatorów ma izolowane wyjście napięcia stałego, które zakłóca normalne funkcjonowanie generatora.

Panel sterowania generatora prądu

Jest to interfejs użytkownika generatora i zawiera postanowienia dotyczące gniazd elektrycznych i elementów sterujących. Poniższy artykuł zawiera dalsze szczegóły dotyczące panelu sterowania generatora. Różni producenci oferują różne funkcje w panelach sterowania swoich urządzeń. Niektóre z nich są wymienione poniżej.

(a) Rozruch i wyłączenie elektryczne – Panele sterowania automatycznego startu automatycznie uruchamiają generator podczas przerwy w dostawie prądu, monitorują generator podczas pracy i automatycznie wyłączają jednostkę, gdy nie jest już potrzebna.

(b) Wskaźniki silnika – Różne wskaźniki wskazują ważne parametry, takie jak ciśnienie oleju, temperatura płynu chłodzącego, napięcie akumulatora, prędkość obrotowa silnika i czas pracy. Stały pomiar i monitorowanie tych parametrów umożliwia wbudowane wyłączenie generatora, gdy którykolwiek z nich przekroczy odpowiednie poziomy progowe.

(c) Wskaźniki generatora – Panel sterowania zawiera również wskaźniki do pomiaru prądu i napięcia wyjściowego oraz częstotliwości roboczej.

(d) Inne elementy sterujące – między innymi przełącznik wyboru fazy, przełącznik częstotliwości i przełącznik sterowania silnikiem (tryb ręczny, tryb automatyczny).