Електрогенератор. Енергетика

23.08.2015

Електрогенератор

В 1820 році було відкрито взаємодія між електричним струмом, що протікає в провіднику і магнітною стрілкою. Це явище було правильно пояснено й узагальнено французьким фізиком Ампером, який встановив, що магнітні властивості будь-якого тіла є наслідком того, що всередині нього протікають замкнуті електричні струми. (Або, кажучи сучасною мовою, будь-який електричний струм створює навколо провідника магнітне поле.) Таким чином, будь-які магнітні взаємодії можна розглядати як слідства електричних. Однак, якщо електричний струм викликає магнітні явища, природно було припустити, що і магнітні явища можуть викликати появу електричного струму.

Довгий час фізики в різних країнах намагалися виявити цю залежність, але зазнавали невдачі. Справді, якщо, наприклад, поруч з провідником або котушкою лежить постійний магніт, ніякого струму в провіднику не виникає. Але якщо ми почнемо переміщати цей магніт: наближати або видаляти його від котушки, вводити і виймати магніт з неї, то електричний струм у провіднику з’являється, і його можна спостерігати протягом усього того періоду, під час якого магніт рухається. Тобто електричний струм може виникати тільки в змінному магнітному полі. Вперше цю важливу закономірність встановив у 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей.

Провівши серію дослідів, Фарадей відкрив, що електричний струм виникає (індукується) у всіх тих випадках, коли відбувається рух провідників відносно один одного або щодо магнітів. Якщо вводити магніт в котушку або, що те ж саме, перемішати котушку щодо нерухомого магніту в ній індукується струм. Якщо посувати одну котушку до іншої, через яку проходить електричний струм, в ній також з’являється струм. Того ж ефекту можна добитися при замиканні і розмиканні ланцюга, оскільки в момент включення і виключення струм наростає і зменшується в котушці поступово і створює навколо неї змінне магнітне поле. Тому якщо поблизу від такої котушки знаходиться інша, яка не включена в ланцюг, в ній виникає електричний струм.

Відкриття Фарадея мало величезні наслідки для техніки і всієї людської історії, так як тепер стало ясно, яким ооразом перетворювати механічну енергію в електричну, а електричну — назад в механічну. Перше з цих перетворень лягло в основу роботи електрогенератора, а другий — електродвигуна. Втім, сам факт відкриття ще не означав, що всі технічні завдання на цьому шляху можна: близько сорока років пішло на створення працездатного генератора і ще двадцять років на винахід задовільної моделі промислового електродвигуна. Але головне: принцип дії цих двох найважливіших елементів сучасної цивілізації став очевидний саме завдяки відкриттю явища електромагнітної індукції.

Перший примітивний електрогенератор створив сам Фарадей. Для цього він помістив мідний диск між полюсами N і S постійного магніту. При обертанні диска в магнітному полі в ньому наводилися електричні струми. Якщо на периферії диска і в його центральній частині поміщали струмоприймачі у вигляді ковзних контактів, то між ними з’являлася різниця потенціалів, як на гальванічної батареї. Замикаючи ланцюг, можна було спостерігати на гальванометрі безперервне проходження струму.

Установка Фарадея годилася тільки для демонстрацій, але слідом за нею з’явилися перші магнитоэлектрические машини (так стали називати електрогенератори, в яких використовувалися постійні магніти), розраховані на створення працюючих струмів. Найбільш ранній з них була магнітоелектричні машина Пиксии, сконструйована в 1832 році.

Принцип її дії був дуже простий: повз нерухомих, забезпечених серцевиною котушок Е і Е’ рухалися за допомогою кривошипа і зубчастої передачі лежать проти них полюси підковоподібного магніту АВ, внаслідок чого в котушках індукувались струми. Недоліком машини Пиксии було те, що в ній доводилося обертати важкі постійні магніти. В подальшому винахідники зазвичай змушували обертатися котушки, залишаючи магніти нерухомими. Правда, при цьому доводилося вирішувати іншу задачу: яким чином відвести під зовнішню ланцюг струм з обертових котушок? Це утруднення, однак, було легко переборна. Насамперед, котушки з’єднували між собою послідовно одними кінцями їх проведення. Тоді інші кінці могли служити полюсами генератора. Їх поєднували з зовнішньої ланцюгом за допомогою ковзних контактів.

Ковзний контакт влаштований таким чином: на осі машини кріпилися два ізольованих металевих кільця b і d, кожне з яких було з’єднане з одним з полюсів генератора. По колу цих кілець оберталися дві плоскі металеві пружини та В’, на які була укладена зовнішня ланцюг. При такому пристосуванні вже не було ніяких утруднень від осі обертання машини — струм переходив з осі в пружину в місці їхнього зіткнення.

Ще одна незручність полягала в самому характері струму електрогенератора. Напрямок струму в котушках залежить від того, наближаються вони до полюса магніту або віддаляються від нього. З цього випливає, що струм, що виникає в обертовому провіднику, буде не постійною, а змінною. По мірі наближення котушки до одного з полюсів магніту сила струму буде наростати від нуля до певного максимального значення, а потім — по мірі віддалення знову зменшуватися до нуля. При подальшому русі струм змінить свій напрямок на протилежне і знову буде наростати до певного максимального значення, а потім зменшуватиметься до нуля. Під час наступних оборотів цей процес буде повторюватися. Отже, на відміну від електричної батареї, електрогенератор створює змінний струм, і з цим доводиться рахуватися.

Як відомо, більшість сучасних електричних приладів створені таким чином, щоб харчуватися від мережі змінного струму. Але в XIX столітті змінний струм був незручний з багатьох причин, перш за все психологічних, оскільки в попередні роки звикли мати справу з постійним струмом. Втім, змінний струм можна було легко перетворити в переривчастий, має один напрямок. Для цього достатньо було за допомогою спеціального пристрою — комутатора — змінити контакти таким чином, щоб змінна пружина переходила з одного кільця на інший в той момент, коли струм змінює свій напрямок. У цьому випадку один контакт постійно отримував струм одного напрямку, а другий — протилежного.

Подібний пристрій пружини і контакту здається, на перший погляд, дуже складним, насправді ж воно дуже просто. Кожне кільце комутатора робили з двох півкілець, кінці яких частково заходять один за одного, а пружини були настільки широкими, що могли ковзати по двом поруч поміщеним полукольцам. Половини одного і того ж кільця поміщалися на деякій відстані один від одного, але були з’єднані між собою. Так, а півкільце, прикасающееся до пружині, було з’єднане з півкільцем а’, за яким ковзала з’; точно так само з’єднувалися між собою b і Ь1, так що при одному напівоберті пружина, а що стосується, переходила на Ь. а пружина с1 переходила з Ь’ а’. Неважко було встановити пружину таким чином, щоб вона переходила з одного кільця на інше в той момент, коли в обмотці котушки напрямок струму змінювалося, і тоді кожна пружина весь час давала струм одного і того ж напряму. Іншими словами, вони представляли із себе постійні полюса; одна — позитивний, інша негативна, в той час як полюси котушок давали змінний струм.

Електрогенератор переривчастого постійного струму цілком міг замінити незручну у багатьох відношеннях гальванічну батарею, і тому викликав великий інтерес у тодішніх фізиків і підприємців. У 1856 році французька фірма «Альянс» навіть налагодила серійний випуск великих динамо-машин, зафіксованих в дію від парового двигуна. В цих генераторах чавунна станина несла на собі нерухомо закріплені в кілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані рівномірно по колу і радіально по відношенню до валу. У проміжках між рядами магнітів на валу були встановлені несучі колеса з великим числом котушок. Також на валу був укріплений колектор з 16-ма металевими пластинами, ізольованими один від одного і від вала машини.

Струм, що наводяться в котушках при обертанні валу, знімався з колектора за допомогою роликів. Одна така машина вимагала для свого приводу паровий двигун потужністю 6-10 л. с. Великим недоліком генераторів «Альянс» було те, що в них використовувалися постійні магніти. Так як магнітне дію сталевих магнітів порівняно невелика, то для отримання сильних струмів потрібно було брати великі магніти і у великому числі. Під дією вібрації сила цих магнітів швидко слабшала. Внаслідок усіх цих причин ККД машини завжди залишався дуже низьким. Але навіть з такими недоліками генератори «Альянсу» набули значного поширення і панували на ринку протягом десяти років, поки їх не витіснили більш досконалі машини.

Перш за все німецький винахідник Сіменс удосконалив рухомі котушки і їх залізні осердя. (Ці котушки із залізом всередині отримали назву «якоря» чи «арматури».) Якір Сіменса у формі «подвійного Т» складався з залізного циліндра, в якому були прорізані з протилежних сторін два поздовжніх жолобів. У жолобах містилася ізольований дріт, яка накладалася за напрямом осі циліндра. Такий якір обертався між полюсами магніту, які тісно його обхоплювали.

в порівнянні з колишніми новий якір представляв великі зручності. Насамперед, очевидно, що котушка у вигляді циліндра, що обертається навколо своєї осі, в механічному відношенні вигідніше котушки, насадженої на вал і вращавшейся разом з ним. По відношенню до магнітних дій якір Сіменса мав ту вигоду, що давав можливість дуже просто збільшити число діючих магнітів (для цього достатньо було подовжити якір і додати кілька нових магнітів). Машина з таким якорем давала набагато більш рівномірний струм, так як циліндр був щільно оточений полюсами магнітів.

Але ці достоїнства не компенсували головного недоліку всіх магнітоелектричних машин магнітне поле, як і раніше створювалося в генераторі з допомогою постійних магнітів. Перед багатьма винахідниками в середині XIX століття виникало питання: не можна чи замінити незручні металеві магніти електричними? Проблема полягала в тому. що електромагніти самі споживали електричну енергію і для їх порушення потрібна окрема батарея. принаймні, окрема магнітоелектричні машина. Перший час здавалося, що без них неможливо обійтися. У 1866 році Вільде створив вдалу модель генератора, в якому металеві магніти були замінені електромагнітами, а їх збудження викликала магнітоелектричні машина з постійними магнітами, поєднана з тим же паровим двигуном, який приводив в рух велику машину. Звідси залишався один крок до власне динамо-машині, яка збуджує електромагніти своїм власним струмом.

У тому ж 1866 році Вернер Сіменс відкрив принцип самозбудження. (Одночасно з ним те ж відкриття зробили деякі інші винахідники.) У січні 1867 році він виступив у Берлінській академії з доповіддю «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». В загальних рисах його відкриття полягало в наступному. Сіменс встановив, що в кожному электромагните, після того як намагничивающий струм переставав діяти, завжди залишалися невеликі сліди магнетизму, які були здатні викликати слабкі індукційні струми в котушці, забезпеченою сердечником з м’якого магнітного заліза і вращавшейся між полюсами магніту. Використовуючи ці слабкі струми, можна було привести в дію генератор без допомоги ззовні.

Перша динамо-машина, яка працювала за принципом самозбудження, була створена в 1867 році англійцем Леддом, але в ній ще передбачалася окрема котушка для порушення електромагнітів. Машина Ледда складалася з двох плоских електромагнітів, між кінцями яких оберталися два якоря Сіменса. Один з якорів давав струм для живлення електромагнітів, а другий — для зовнішньої ланцюга. Слабкий залишковий магнетизм сердечників електромагнітів спочатку викликав дуже слабкий струм в арматурі першого якоря; цей струм оббігав електромагніти і посилював вже наявне в них магнітне стан. Внаслідок цього посилювався в свою чергу струм в арматурі, а останній ще більше збільшувало силу електромагнітів. Мало помалу таке взаємне посилення йшло до тих пір, поки електромагніти не набували повної своєї сили. Тоді можна було привести в рух другу арматуру і отримати від неї струм для зовнішньої ланцюга.

Наступний крок у вдосконаленні динамо-машини був зроблений в тому напрямку, що зовсім усунули одну з арматур і скористалися інший не тільки для порушення електромагнітів, але і для отримання струму в зовнішньому ланцюзі. Для цього потрібно було лише провести ток з арматури в обмотку електромагніту, розрахувавши все так, щоб останній міг досягти повної своєї сили і спрямувати той же струм в зовнішній ланцюг. Але при такому спрощенні конструкції якір Сіменса опинявся непридатним, так як при швидкій зміні полярності, в якорі порушувалися сильні паразитичні струми, залізо сердечників швидко розігрівалося, і це могло при великих струмах призвести до псування всієї машини. Необхідна була інша форма якоря, більш відповідала нового режиму роботи.

Вдале рішення проблеми незабаром було знайдено бельгійським винахідником Зіновієм Теофилем Грамом. Він жив у Франції і служив в кампанії «Альянс» столярним майстром. Тут він познайомився з електрикою. Розмірковуючи над удосконаленням електрогенератора. Грам в кінці кінців прийшов до думки замінити якір Сіменса іншим, що має кільцеву форму. Важлива відмінність кільцевого якоря (як буде показано нижче) полягає в тому, що він не перемагничивается і має постійні полюса (Грам прийшов до свого відкриття самостійно, але треба сказати, що ще в I860 р. італійський винахідник Пачинотти у Флоренції побудував електричний двигун з кільцеподібним якорем; втім, це відкриття невдовзі було забуто.)

Отже, вихідна точка пошуків Грама полягала в тому, щоб змусити обертатися всередині дротяної котушки залізне кільце, на якому наведені магнітні полюси і таким чином одержати рівномірний струм постійного напрямку.

Щоб представити пристрій генератора Грама, розглянемо спочатку таке пристосування. У магнітному полі, сформованому полюсами N і S, обертаються вісім замкнених металевих кілець, які прикріплені на рівній відстані друг від друга до осі за допомогою спиць. Позначимо верхнє кільце № 1 і будемо вважати за напрямом ходу годинникової стрілки. Розглянемо спершу кільця 1-5. Ми бачимо, що кільце 1 охоплює найбільшу кількість силових ліній магнітного поля, так як його площина перпендикулярна їм. Кільце 2 охоплює вже меншу їх кількість, так як воно нахилене до напрямку ліній, а крізь кільце 3 лінії зовсім не проходять, так як його площина збігається з їх напрямком. У кільці 4 число пересікаються ліній збільшується, але, як легко помітити, вони вступають до нього вже з протилежного боку, так як кільце 4 звернено до полюса магніту іншій своїй стороною порівняно з кільцем 2. П’яте кільце охоплює стільки ж ліній, скільки перше, але вони входять з протилежного боку. Якщо ми будемо обертати вісь, до якої прикріплені кільця, кожне кільце буде послідовно проходити через положення 1-5. При цьому, при переході з 1-го стану в 3-е у колі виникає струм. На шляху з положення 3 до 5, якщо б силові лінії перетинали кільце з тієї ж самої сторони, в ньому з’являвся б струм протилежний тому, що в положенні 1-3, але так як при цьому кільце змінює своє положення відносно полюса, тобто повертається до нього іншою стороною, струм у кільці зберігає той же напрямок. Зате коли кільце проходить з положення 5 через 6 і 7 знову до 1, в ньому індукується струм, протилежний першому.

Замінивши тепер наші уявні кільця витками обертається котушки, щільно намотаною на залізне кільце, ми отримаємо кільце Грама, в якому струм буде індукуватися точно так само, як описано вище. Припустимо, що дріт обмотки не має ізоляції, але залізний сердечник покрита ізолюючою оболонкою і струм, індукований в витках провідника, не може проходити до нього. Тоді кожен виток спіралі буде подібний до того кільцю, що ми розглядали вище, і витки в кожній половині кільця будуть представляти собою послідовно з’єднані кільцеві провідники. Але обидві половинки кільця з’єднані протилежно одна до одної. Отже, струми з обох сторін прямують до верхньої половині кільця, і там. отже, виходить позитивний полюс. Подібним же чином у нижній точці, звідки беруть свій напрямок струми, буде знаходитися негативний полюс. Можна, отже, порівняти кільце з батареєю, складеної з двох частин, які з’єднані між собою протилежно.

Якщо тепер з’єднати протилежні кінці кільця, то вийде замкнута ланцюг постійного струму. У нашому уявному пристрої цього можна легко досягти, зміцнивши ковзні контакти у вигляді пружини так, щоб вони стосувалися верхній і нижній частині обертового кільця і знімали з їх допомогою електричний струм. Але в дійсності генератор Грама мав більш складний пристрій, оскільки тут було в наявності кілька технічних труднощів: з одного боку, для того, щоб знімати струм з кільця, витки обмотки повинні бути оголені, з друтой — для отримання сильних струмів обмотка повинна бути намотана щільно і у кілька шарів. Яким же чином ізолювати нижні шари від верхніх?

На практиці кільце Грама доповнювало особливу, досить складний пристрій, зване колектором, що і слугувало для відводу струмів з обмотки. Колектор складався з металевих пластин, прикріплених до осі кільця і мали форму секторів циліндра. Кожна пластина ретельно ізолювалася від сусідніх секторів і від осі кільця. Кінці кожного сектора обмотки були з’єднані з однієї з металевих пластин, а ковзні пружини містилися так. що постійно перебували у з’єднанні з верхнім та нижнім полями секторами обмотки. З обох половин обмотки виходив постійний струм, спрямований до тієї пружині, яка була з’єднана з верхнім сектором. Струм обходив верхню ланцюг і повертався в кільце через нижню пружину. Таким чином, полюса з поверхні самого кільця перемістилися на його вісь, звідки струм було знімати набагато простіше.

В такому вигляді втілилася первісна модель електрогенератора. Проте вона виявилася непрацездатною. Як писав Грам у спогадах про свій винахід, тут з’явилася нова складність: кільце, на яке був намотаний провідник, сильно розігрівалося внаслідок того, що тут теж при швидкому обертанні генератора індукувались струми. В результаті перегріву ізоляція то і справа виходила з ладу. Ламаючи голову над тим, як уникнути цієї неприємності. Грам зрозумів, що залізний сердечник якоря не можна робити суцільним, так як в цьому випадку шкідливі струми виявляються занадто великими. Але розбивши його на частини так. щоб утворилися розриви на шляху виникають струмів, можна було сильно зменшити їх шкідливу дію. Цього можна було досягти, виготовивши сердечник не із цільного шматка, а з дроту, накладаючи її у вигляді кільця і ретельно ізолюючи один шар від іншого. На це дротяне кільце потім навивалась обмотка. Кожен сектор якоря представляв собою котушку з багатьох оборотів (шарів). Окремі котушки з’єднувалися так, що дріт безперервно оббігала залізне кільце і притому в одному і тому ж напрямку. Від місць з’єднання кожної пари котушок йшов провідник до відповідної пластини колектора. Чим більше кількість оборотів котушки, тим більшої сили струм можна було зняти з кільця.

Виготовлений таким чином якір встановлювався на вісь генератора. Для цього залізне кільце з внутрішньої сторони забезпечувався залізними спицями, які скріплювалися з колектором масивним перснем, насадженим на вісь машини. Колектор, як вже говорилося, складався з окремих металевих пластин однакової ширини. Окремі шари колектора були ізольовані один від одного і від осі генератора.

Для зняття струму служили колекторні щітки, що представляли собою пружні латунні пластини, щільно прилеглі до колектору в належних місцях. Вони з’єднувалися з затискачами машини, звідки постійний струм надходив в зовнішній ланцюг. Провід, що йде до одного з затискачів, крім того, утворював обмотку електромагнітів. Найпростіше з’єднання генератора з обмотками електромагніту можна було отримати, поєднавши один кінець обмотки електромагніта з однієї з щіток колектора, наприклад негативною. Інший кінець обмотки електромагніту підключався до позитивної щітки. При такому з’єднанні весь струм генератора проходив через електромагніти.

У цілому перша динамо-машина Грама являла собою дві залізні вертикальні стійки, з’єднані зверху і знизу стрижнями двох електромагнітів. Полюси цих електромагнітів перебували у їх середині, так що кожен з них був як би складений з двох, однакові полюси яких були звернені один до одного. Можна розглядати це пристрій інакше і вважати, що дві половини, прилеглі до кожної стійки і сполучені нею, утворювали два окремих електромагніту, які з’єднувалися однойменними полюсами зверху і знизу. У тих місцях, де утворювався полюс, до электромагнитам були приєднані особливої форми залізні насадки, які входили в простір між електромагнітами і обхоплювали кільцеподібний якір машини. Дві стійки, зв’язують обидва електромагніту і становили основу всієї машини, служили також для того, щоб тримати вісь якоря та шківи машини.

У 1870 році, отримавши патент на свій винахід. Грам утворив «Суспільство виробництва магнітоелектричних машин». Невдовзі було налагоджено серійне виробництво його генераторів, які зробили справжню революцію в електроенергетиці. Володіючи всіма достоїнствами самовозбуждающихся машин, вони разом з тим були економічні, мали високий ККД і забезпечували практично незмінний за величиною струм. Тому машини Грама швидко витіснили інші електрогенератори і отримали широке поширення в самих різних галузях. Тоді тільки з’явилася можливість легко і швидко перетворювати механічну енергію в електрику.

Як уже говорилося, Грам створював свій генератор, як динамо-машину постійного струму. Але коли в кінці 70-х — початку 80-х років XIX століття різко зріс інтерес до змінного струму, йому не коштувало великої праці переробити його для виробництва змінного струму. У самому справі, для цього треба було тільки замінити колектор двома кільцями, по яких ковзають пружини. Спочатку генераторами змінного струму користувалися тільки при освітленні, але з розвитком електрифікації вони стали отримувати все більше застосування і поступово витіснили машини постійного струму. Первісна конструкція генератора також зазнала значних змін. Перша машина Грама була двополюсної, але надалі стали застосовувати багатополюсні генератори, в яких обмотка якоря проходила при кожному обороті повз чотирьох, шести і більше поперемінно встановлених полюсів електромагніту. В цьому випадку струм збуджувався не з двох боків колеса, як раніше, але в кожній частині колеса, зверненої до полюса, і звідси відводився в зовнішній ланцюг. Таких місць (а відповідно і щіток) було стільки, скільки магнітних полюсів. Потім всі щітки позитивних полюсів зв’язувалися разом, тобто з’єднувалися паралельно. Точно так само чинили і з негативними щітками.

У міру збільшення потужності генераторів виникла нова проблема — яким чином зняти струм з обертового якоря з найменшими втратами. Справа в тому, що при великих струмах щітки починали іскрити. Крім великих втрат електроенергії, це надавало шкідливий вплив на робіт> генератора. Тоді Грам порахував раціональним повернутися до самої ранньої конструкції електрогенератора, застосованої в машині Пиксии: він зробив арматуру нерухомою, а змусив обертатися електромагніти, адже зняти струм з нерухомої обмотки було простіше. Він помістив котушки якоря на залізному нерухомому кільці і змусив електромагніти обертатися всередині нього. Окремі котушки він пов’язав між собою так, щоб всі ті котушки, які в даний момент піддавалися однаковому дії електромагнітів, були з’єднані послідовно. Таким чином Грам розбив всі котушки на кілька груп і кожну групу вжив для доставляння струму в окрему самостійну ланцюг. Однак збуджуючі струм електромагніти необхідно було живити постійним струмом, так як змінний струм не міг викликати в них незмінною полярності. Тому при кожному генераторі змінного струму необхідно було мати невеликий генератор постійного струму, звідки струм підводився до электромагнитам за допомогою ковзних контактів.

Короткий опис статті: електричний генератор

Джерело: Електрогенератор / Енергетика

Також ви можете прочитати