Как работает генератор электричества: от вращения до тока в розетке
Генератор электричества работает на основе закона электромагнитной индукции: когда проводник движется в магнитном поле, в нём возникает электрический ток. Внутри генератора вращающийся магнит (ротор) наводит ток в неподвижных обмотках (статоре), а этот ток и есть то электричество, которое идёт в сеть.
Основные части генератора и что каждая делает
Любой электрический генератор состоит из двух главных частей. Ротор — это вращающийся элемент: либо постоянный магнит, либо электромагнит (обмотка, через которую пропускают постоянный ток для создания магнитного поля). Статор — неподвижный цилиндр вокруг ротора: в его пазах уложены медные обмотки, в которых и индуцируется ток. Между ротором и статором оставляют минимальный воздушный зазор в 1-5 миллиметров. Чем сильнее магнитное поле ротора и чем больше витков в обмотке статора, тем выше напряжение на выходе.
Как возникает переменный ток
Когда ротор вращается, его магнитные полюса поочерёдно проходят мимо обмоток статора. В первый момент магнитный поток через обмотку нарастает, ЭДС (электродвижущая сила) положительна. Через полоборота поток убывает, ЭДС меняет знак. Так рождается переменный ток: напряжение колышется между плюсом и минусом с частотой, равной числу пар полюсов, умноженному на скорость вращения. В России стандарт составляет 50 герц (50 полных циклов в секунду). Чтобы генератор давал именно 50 Гц, турбина должна вращаться строго с нужной скоростью: двухполюсный генератор требует 3000 оборотов в минуту, четырёхполюсный — 1500 об/мин.
Что приводит ротор в движение
Генератор сам по себе не производит энергию из воздуха: ему нужен привод. На тепловых и атомных электростанциях ротор раскручивает паровая турбина. На гидроэлектростанциях его приводит гидротурбина, которую вращает поток воды. На ветростанциях в роли привода выступают лопасти ветрогенератора через редуктор. В автомобиле генератор небольшой мощности (100-200 Вт) приводится ремнём от коленвала двигателя. Переносные бензиновые генераторы мощностью 1-10 кВт используют небольшой ДВС как привод. Принцип во всех случаях один: нужно вращение.
Синхронные и асинхронные генераторы: в чём разница
В синхронном генераторе ротор вращается точно с той же частотой, что и частота вырабатываемого тока. Именно такие машины стоят на крупных электростанциях: их легко синхронизировать между собой и подключать к единой энергосистеме. Асинхронный генератор (в котором ротор вращается чуть быстрее или медленнее поля статора) проще по конструкции и дешевле, поэтому его используют в небольших установках и ветрогенераторах с переменной скоростью вращения. В мощных ветряках ставят либо асинхронный генератор с преобразователем частоты, либо многополюсный синхронный генератор на постоянных магнитах без редуктора.
КПД и потери в генераторе
Крупные турбогенераторы на электростанциях достигают КПД 97-99%: потери невелики и связаны с нагревом обмоток, трением в подшипниках и вихревыми токами в стали. Небольшие бытовые генераторы менее эффективны: их КПД обычно 80-92%. Чем больше машина, тем выше её КПД, потому что относительные потери на нагрев и трение снижаются. Мощность современных турбогенераторов на российских АЭС и тепловых электростанциях достигает 1000-1200 МВт на один блок.
