Bauingenieurwesen

Elektrischer Generator | Instrument

Elektrischer Generator , auch Dynamo genannt , jede Maschine , die mechanische Energie zur Übertragung und Verteilung über Stromleitungen an Haushalts-, Gewerbe- und Industriekunden in Elektrizität umwandelt . Generatoren erzeugen auch die elektrische Energie, die für Automobile, Flugzeuge, Schiffe und Züge benötigt wird.

Die mechanische Leistung für einen elektrischen Generator wird üblicherweise von einer rotierenden Welle erhalten und ist gleich dem Wellendrehmoment multipliziert mit der Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit. Die mechanische Kraft kann aus verschiedenen Quellen stammen: hydraulischTurbinen an Dämmen oder Wasserfällen; Windräder; Dampfturbinen mit Dampf, der mit Wärme aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder aus der Kernspaltung erzeugt wird; Gasturbinen, die Gas direkt in der Turbine verbrennen; oder Benzin- und Dieselmotoren. Der Aufbau und die Drehzahl des Generators können in Abhängigkeit von den Eigenschaften der mechanischen Antriebsmaschine erheblich variieren.

Fast alle Generatoren liefern elektrische Energie Netzwerke erzeugenWechselstrom , der die Polarität bei einer festen Frequenz umkehrt (normalerweise 50 oder 60 Zyklen oder doppelte Umkehrungen pro Sekunde). Da mehrere Generatoren an ein Stromnetz angeschlossen sind, müssen sie für die gleichzeitige Erzeugung mit derselben Frequenz arbeiten. Sie sind daher bekannt alsSynchrongeneratoren oder in einigen Kontexten Lichtmaschinen.

Synchrongeneratoren

Ein Hauptgrund für die Auswahl Wechselstrom für Stromnetze besteht darin, dass seine kontinuierliche Variation mit der Zeit die Verwendung von Transformatoren ermöglicht. Diese Geräte wandeln elektrische Energie bei jeder Spannung und jedem Strom, die erzeugt werden, in Hochspannung und Niedrigstrom für die Fernübertragung um und wandeln sie dann in eine für jeden einzelnen Verbraucher geeignete Niederspannung um (typischerweise 120 oder 240 Volt für den Hausdienst). Die besondere Form des verwendeten Wechselstroms ist aSinuswelle mit der in Abbildung 1 gezeigten Form . Dies wurde gewählt, weil es die einzige sich wiederholende Form ist, für die zwei zeitlich voneinander verschobene Wellen addiert oder subtrahiert werden können und die gleiche Form als Ergebnis haben. Ideal ist es dann, alle Spannungen und Ströme sinusförmig zu haben. Der Synchrongenerator ist so ausgelegt, dass er diese Form so genau wie möglich erzeugt. Dies wird deutlich, wenn die Hauptkomponenten und Eigenschaften eines solchen Generators nachstehend beschrieben werden.

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Rotor

Ein elementarer Synchrongenerator ist im Querschnitt in Abbildung 2 dargestellt . Die Zentralwelle des Rotors ist mit der mechanischen Antriebsmaschine gekoppelt. DasMagnetfeld wird erzeugt durchLeiter oder Spulen, die in Schlitze gewickelt sind, die in die Oberfläche des zylindrischen Eisenrotors geschnitten sind. Dieser in Reihe geschaltete Spulensatz wird daher alsFeldwicklung. Die Position der Feldspulen ist derart, dass die nach außen gerichtete oder radiale Komponente des im Luftspalt zum Stator erzeugten Magnetfelds ungefähr sinusförmig um den Umfang des Rotors verteilt ist. In Abbildung 2 ist die Felddichte im Luftspalt oben maximal nach außen, unten maximal nach innen und an beiden Seiten Null, was einer sinusförmigen Verteilung entspricht.

Stator

Der Stator des Elementargenerators in Abbildung 2 besteht aus einem zylindrischen Ring aus Eisen, der einen einfachen Weg für den Magnetfluss bietet. In diesem Fall enthält der Stator nur eine Spule, wobei die beiden Seiten in Schlitzen im Eisen untergebracht sind und die Enden durch gekrümmte Leiter um den Statorumfang miteinander verbunden sind. Die Spule besteht normalerweise aus mehreren Windungen.

Wenn der Rotor gedreht wird, wird in der eine Spannung induziert Statorspule. Zu jedem Zeitpunkt ist die Größe der Spannung proportional zu der Geschwindigkeit, mit der sich das von der Spule umgebene Magnetfeld mit der Zeit ändert, dh zu der Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld die beiden Seiten der Spule passiert. Die Spannung ist daher in einer Richtung maximal, wenn sich der Rotor von der in Abbildung 2 gezeigten Position um 90 ° gedreht hat, und ist 180 ° später in der entgegengesetzten Richtung maximal. Die Wellenform der Spannung entspricht ungefähr der in Abbildung 1 gezeigten Sinusform .

Frequenz

Die Rotorstruktur des Generators in Abbildung 2 hat zwei Pole, einen fürmagnetic flux directed outward and a corresponding one for flux directed inward. One complete sine wave is induced in the stator coil for each revolution of the rotor. The frequency of the electrical output, measured in hertz (cycles per second) is therefore equal to the rotor speed in revolutions per second. To provide a supply of electricity at 60 hertz, for example, the prime mover and rotor speed must be 60 revolutions per second, or 3,600 revolutions per minute. This is a convenient speed for many steam and gas turbines. For very large turbines, such a speed may be excessive for reasons of mechanical stress. In this case, the generator rotor is designed with four poles spaced at intervals of 90°. The voltage induced in a stator coil, which spans a similar angle of 90°, will consist of two complete sine waves per revolution. The required rotor speed for a frequency of 60 hertz is then 1,800 revolutions per minute. For lower speeds, such as are employed by most water turbines, a larger number of pole pairs can be used. The possible values of rotor speed, in revolutions per minute, are equal to 120 f / p , wobei f die Frequenz und p die Anzahl der Pole ist.