Elektrik jeneratörü

Bir elektrik jeneratörü , başka bir enerji biçiminden elektrik enerjisi üretmek için bir cihazdır . Buna karşılık, elektrik enerjisi tüketen bir cihaza elektrik alıcısı denir .

modelleme

Gerçek bir jeneratör iki farklı şekilde modellenebilir:

Bir yere gerilim üreteci , bir ile seri direnç ;
Bir yere akım jeneratörü bir direnç ile paralel bağlanmıştır.

İdeal voltaj üreteci

İdeal voltaj üreteci teorik bir modeldir. Terminallerine bağlı yük ne olursa olsun sabit bir voltaj uygulayabilen bir dipoldür . Ayrıca voltaj kaynağı olarak da adlandırılır .

Açık devrede, herhangi bir akım vermediğinde terminallerinde bulunan voltaj, yüksüz voltajdır. Bu nedenle gerilim üreteci, çekilen akımın değeri ne olursa olsun, terminallerindeki gerilimi her zaman yüksüz gerilime eşit olan sanal bir dipoldür;

Voltaj üreteci yalnızca teorik bir model olabilir, çünkü kısa devre yaptığından sonsuz bir akım iletmelidir ve bu nedenle pratik olmayan eşit derecede sonsuz bir güç sağlamalıdır ;

Çok sayıda üreteç, ideal bir gerilim üreteci ile iletilen akım arttığında montaj boyunca gerilim düşüşüne neden olan bir seri direncin birleşimiyle modellenebilir. Böyle bir modele Thévenin'in gerçek bir jeneratör modeli denir .

Farklı değerlerde iki gerilim üretecini paralel olarak yerleştirmek mümkün değildir, bu yüzden:
- kullanılmış bir pili yeni bir pille paralel olarak koymamanız şiddetle tavsiye edilir;
- sıfır dirençli mükemmel bir iletken, sıfır voltajlı bir jeneratör tarafından modellenebilir. Mükemmel iletkenli bir dipolün kısa devre edilmesi, terminallerine sıfır voltaj uygulanması anlamına gelir. Bu nedenle, bir voltaj jeneratörüne asla kısa devre yapmamalısınız: bu, aynı anda iki farklı voltajın uygulanması anlamına gelir.

Bir kapasitör , geçici anlamda bir voltaj üreticisidir: terminallerinde herhangi bir voltaj kesintisini yasaklar:
- Yüklü bir kapasitöre kısa devre yaptırırken, akım geçişi çok şiddetli olabilir;
- Başlangıçta boşalmış bir kapasitör sektöre paralel olarak bağlandığında, ikincisinin voltajı bağlantı sırasında keyfidir. Bu nedenle sıfırdan çok farklı olması mümkündür; bu durumda akım geçişi çok şiddetlidir ve anahtar seviyesinde bir kıvılcım üretebilir. Bu fenomen, bazen güç kaynağına bir anahtarlama güç kaynağı bağlanırken gözlenir .

İdeal akım üreteci

İdeal akım üreteci için talep edilen voltaj ve sağlanacak yük ne olursa olsun üretilen akım sabittir. Aynı zamanda akım kaynağı olarak da adlandırılır .

Aynı zamanda teorik bir modeldir, çünkü sıfır olmayan bir akım üreteci içeren bir devrenin açılması sonsuz bir voltajın sağlanmasına yol açmalıdır. Farklı değerlere sahip iki akım üretecini seri olarak yerleştirmek mümkün değildir, çünkü bu aynı telde iki farklı akım empoze etmek anlamına gelir.

Gerçek jeneratörler, ideal bir akım üreteci ile paralel bağlı bir direncin birleşimi ile basitçe modellenebilir. Böyle bir modele Norton modeli denir .

Endüktif bir dipol , içinden akan akımın yoğunluğundaki herhangi bir varyasyona karşı çıkan geçici anlamda bir akım üretecidir. Sıfır olmayan bir akımın geçtiği endüktif bir dipol içeren bir devreyi açarken, anahtar seviyesinde bir elektrik arkı oluşturabilen (bu ark bir kapasitör tarafından zayıflatılabilir) yüksek bir voltaj görünebilir. anahtar eski içinde ateşleme devrelerinde güç arabalar - benzin .

Döner makine

Elektrik jeneratörlerinin büyük çoğunluğu dönen makinelerdir, yani sabit bir parçaya ve sabit parçanın içinde (veya etrafında) dönen hareketli bir parçaya sahip sistemler. Ancak, yüzyıllar boyunca oluşturulan dönen makinelerin çeşitli 'yardımcı' sistemlerini (bir taraftan üretim akımına kullanılan farklı teknolojiler ve teknikler önemli farklılıklar, ima ve içinde invertörler , güç elektroniği , vb için muhtemelen gerekli) onların uygun işleyiş.

elektrostatik jeneratör

Elektrostatik jeneratör, fırçalara sürtünen bir diskin dönüşünü kullanmasına rağmen dönen bir makine değildir . Ancak bu konsept, dönen makinelerin tasarımının kökeninde yer almaktadır.

Elektrostatik makine kullanır yasalarını elektrostatikte sözde aksine elektromanyetik makineler . Elektrostatik motorlar hayal edilmiş olsa da (elektrostatik jeneratörlerin karşılıklılığı ilkesiyle çalışırlar), başarılı olmadılar (ancak nanoteknolojiler bu tür elektrostatik “nanomotorlar” sunabilir); Öte yandan, çok yüksek voltajlı jeneratörler olarak elektrostatik makineler, iyon veya elektron hızlandırıcıları alanındaki ana uygulamalarını bilirler. Mekanik enerjiyi, özellikleri çok yüksek doğrudan voltaj ve mikro amper olan elektrik enerjisine dönüştürürler. Makinelerin güç XVIII inci yüzyılın ve XIX inci yüzyıl gerçekten küçücük (birkaç watt) ve mekanik sürtünme onlara çok kötü bir performans bıraktı. Bunun nedeni, havadaki elektrik alanın maksimum enerji yoğunluğunun çok düşük olmasıdır. Pratik olarak, genellikle, hidrojen ya da sülfür heksaflorid (SF sıkıştırılmış bir gaz, içinde, bir elektrik alanının enerji yoğunluğu oldukça yüksek olduğu bir ortamda çalışabilir halinde elektrostatik makineleri için olan (endüstriyel) kullanılabilir 6 ) de, 10 ila 30 atmosfer arasındaki basınçlar .

dinamo

Bir doğru akım jeneratörü halk bir "denilen dinamo " Birçok elektrik jeneratörleri, döner makine gibi olduğunu. 1861'de Macar Ányos Jedlik tarafından icat edildi ve 1871'de Belçikalı Zénobe Gramme tarafından geliştirildi .

Bu makine ters çevrilebilir olduğundan, motor olduğu kadar jeneratör olarak da çalışabilir. Kolayca bir elektrik motoru haline gelir; bu, durdurulduğunda, dinamo karşılığında bir akım sağlayabiliyorsa, dinamonun yüküyle bağlantısının kesilmesi gerektiği anlamına gelir: akümülatör pili , diğer dinamo. Bu özellik 1970'li yıllarda küçük otomobillerde kullanılıyordu.İçten yanmalı motoru çalıştıran ve belirli bir hıza ulaştığında otomatik olarak dinamoya geçen dinamoya akım sağlamak için aküye bir röle sistemi bağlandı .

Alternatör

1832'de Faraday tarafından elektromanyetik indüksiyon fenomeninin keşfi, onun mıknatıslar kullanarak alternatif voltajlar ve elektrik akımları üretmeyi düşünmesine izin verdi . Pixii , talimatı üzerine Ampère'nin Sexton ve Clarke tarafından - (1834 1833), aynı yıl sonra mükemmelleştirilmiş bir ilk makine yaptık. Bir alternatör a, döner makine dönüştürür mekanik enerji tedarik rotorun içine alternatif akım elektrik enerjisini .

Elektrik enerjisinin %95'inden fazlası alternatörler tarafından üretilir : dönme hızlarıyla orantılı alternatif frekans voltajları sağlayan elektromekanik makineler. Bu makineler daha ucuzdur ve sürekli voltaj sağlayan makineler olan dinamolardan daha iyi bir verime sahiptir (%85 yerine %95 mertebesinde verimlilik).

Alternatörün prensibi

Bu makine bir rotor (dönen parça) ve bir statordan (sabit parça) oluşur.

rotor İndüktör bir oluşabilir daimi mıknatıs (böylece bir sabit alanın oluşturulması) ve rms değeri ve (biz dikkate iletkenlerdeki kayıplar yoksa), bu durumda, makine tarafından sağlanan gerilim ayarlanabilir değildir frekans farklılık dönme hızı ile. Daha yaygın olarak bir elektromıknatıs indüksiyon sağlar. Bu sargı , ya harici bir kaynak getiren döner halka kollektörü (fırçalı çift halka) vasıtasıyla ya da dönen bir diyot ve fırçasız uyarıcı ile doğru akımla sağlanır . Bir düzenleme sistemi, üretilen akımın voltajının veya fazının ayarlanmasına izin verir . stator armatür alternatif elektrik akımının koltuk olacak sarım içerir neden varyasyon ile manyetik alanın alan nedeniyle armatüre göre indüktör göreli hareketine göre geçerlidir. Farklı alternatörler Endüstriyel alternatörler

Endüstriyel alternatörler olarak, armatür üç oluşur sargıların (çiftlerinin sayısı p 360 ° / 3p yerleştirilmiş kutup arasında bir sistem sağlamaktır direk ve üç sargılar, bir çift için) veya 120 ° / 1p üç fazlı alternatif akım .

Kutup çiftlerinin sayısının arttırılması, makinenin dönüş hızının düşürülmesini mümkün kılar. Olarak ağ frekansı 50 Hz ( 50 çevrim saniyede ya da dakikada 3.000 devir), senkron makineler ağ sağlamak için bu ritim uygun olmalıdır. Kutup sayısının arttırılması, tek bir devir için daha fazla devir yapılmasına izin verir ve frekans sabit olduğundan, dönüş hızı dakikada 3.000 devire (50 Hz'de ) saygı gösterecek şekilde yavaşlatılmalıdır .

İçinde ısı güç tesisleri (çekirdek ya da konvansiyonel), bir buhar türbini veya bir gaz türbini , yüksek hızda dönen bir bağlanmış olan turbo-jeneratör . Bu tip jeneratör , dağıtım şebekeleri için 50 Hz'de genellikle 1500 rpm'de (dört kutuplu rotor) veya 3000 rpm'de (iki kutuplu rotor) döner . Bir nükleer santralin turbo jeneratörlerinden birinin sağladığı elektrik gücü 1.800 mega watt'a ulaşabilir .
Türbinleri daha yavaş dönen hidrolik santrallerde çok sayıda kutuplu (14 ila 16 kutuplu ) rotorlar bulunur . Milin dönme ekseni dikey veya yatay olabilir ve bu milin çapı önemlidir.
Büyük jeneratör setleri genellikle yavaş bir dizel motor kullanır . Bu durumda, alternatörün rotoru, yüksek sayıda kutup, büyük bir çap ve motor milinin dönme hızındaki değişiklikleri absorbe eden büyük bir atalet momenti ile hidrolik alternatörünkine çok benzer .

Yerli alternatörler

Ev tipi alternatörlerde ( tek fazlı jeneratör ), armatür tek sargıdan oluşur.

Yerleşik alternatörler

Diğerlerinin yanı sıra motorlu araçlardaki yerleşik alternatörler , otomobiller için yaklaşık 14 V ve kamyonlar için 28 V voltajda doğru akım ileten ve aracın elektrik enerjisini sağlayan bir doğrultucu sistem ( diyotlar ) ile donatılmış üç fazlı alternatörlerdir. ve motor durduğunda enerji sağlamak için aküsünü şarj etmek. Pili aşırı şarjdan koruyan bir voltaj regülatörü ile ilişkilendirilmelidir. Kötü bir şekilde adlandırılan bisiklet "dinamoları" da alternatörlerdir ve indüktörü bir veya daha fazla kalıcı mıknatıstan oluşur.

Rüzgar türbini

Bazı durumlarda, örneğin belirli rüzgar türbinlerinde , rotor haricidir ve sabit olan stator, jeneratörün merkezine yerleştirilir. Rüzgar türbininin kanatları doğrudan rotora bağlıdır. Rüzgar türbini bir alternatördür .

asenkron jeneratör

Asenkron motorların işletme hypersynchronous (senkron frekansından daha dönme Greater sıklığını) aynı zamanda güç sağlamak elektrik ağına bağlı oldukları için. Voltajı düzenleyememe dezavantajına sahiptirler , elektrik şebekelerinin kararlılığını sağlayabilen senkron makinelerin aksine . Ancak, güç elektroniğindeki son gelişmeler sayesinde rüzgar türbinleri ve mikro barajlar gibi küçük ve orta ölçekli güç jeneratörlerinde giderek daha fazla kullanılmaktadırlar . Uygulamalardan biri çift beslemeli asenkron makinedir .

Dönmeyen jeneratör

Dönen bir makine gerektirmeyen elektrik jeneratörleri vardır , örneğin:

elektrokimyasal jeneratör: Elektrokimyasal akümülatörler , elektroteknik ve taşınabilir elektronik uygulamalarda kullanılan, muhtemelen yeniden şarj edilebilen doğrudan voltaj jeneratörleridir . Bir elektrik hücresi veya bir otomobil aküsü , elektrokimyasal akümülatörlerin iyi örnekleridir;
fotovoltaik jeneratör: Güneş panelleri , elektrik üretmek için güneş enerjisini kullanır. Panellerden gelen doğru akımı elektrik şebekesinden gelen alternatif akıma dönüştürmek için genellikle güneş inverterleri tarafından desteklenirler ;
Jeneratör radyoaktivite kullanılarak: radyoizotop termoelektrik jeneratörler tarafından verilen ısıyı kullanır radyoaktivite ( bozunma ve radyoaktif parçacıkların bir bölgesinin) izotop haline dönüştürmek için elektrik . Bu tip jeneratör esas olarak uzay uygulamaları için kullanılır ( örneğin bir uyduya veya bir uzay sondasına elektrik sağlamak için).

Jeneratör geliştirme aşamasında

Henüz büyük ölçekli bir endüstriyel uygulamaya sahip olmayan diğer jeneratör teknolojileri de geliştirilmektedir:

radyoaktivite kullanılarak jeneratör: beta-voltaik üreteci kullanan bir prototip çürüme ve radyoaktif parçacıkları . Geleneksel nükleer veya izotopik jeneratörlerden farkı, üretilen ısıyı değil, doğrudan parçacığın bozunmasıyla yayılan elektronları kullanmalarıdır ;
Jeneratör deniz enerjisi kullanılarak: Deneyler tasarım ve endüstriyel doğrulamak jeneratörler kullanılarak devam etmektedir deniz enerjisini ;
ısı geri kazanımı için tasarlanmış termomanyetik jeneratör: Bu jeneratörler, termomanyetik konveksiyon (en) kullanır , yani manyetizasyonun sıcaklığın bir fonksiyonu olarak değişmesidir. Böylece, sıcaklıktaki değişimi manyetizasyondaki bir değişime dönüştürmek için termodinamik çevrimler gerçekleştirilir. Bu varyasyon daha sonra mekanik enerjiye ve son olarak da elektrik enerjisine dönüştürülür.

Notlar ve referanslar

Notlar

Voltajlar farklı olduğu için, iki akünün voltajı aynı olana kadar yeni akü kullanılmış aküden akacaktır. Tüm piller bu tür bir yükü desteklemediğinden aşırı ısınma riski yüksektir.
Doğru akım makinesi makalesine bakın .
Sarımlı rotorlu bir alternatör, belirli bir çalışma aralığında P ve Q'nun ve dolayısıyla fazın kontrolünü sağlar.

Referanslar

Simon Sellem, “ Statik dönüştürücülerde kaynak ilişkilendirme kuralları ” , studylibfr.com'da
(in) Bollee B. Elektrostatische Motoren , Philips Technische Rundshau, Vol. 30, n o 617, 1969 s. 175-191 .
Noël J. Felici, Elektrostatik kurs , 1960, Grenoble.
Alfred Picard , Paris'teki 1889 Evrensel Uluslararası Sergisi. Genel rapor , cilt. 7: Mekanik endüstrilerin araçları ve süreçleri. Elektrik (devamı) (1889 Dünya Fuarı'nın VI. grubu) , sayfa 299Çevrimiçi oku
François BENOT, " Yüksek güçlü senkron alternatörler (bölüm 1) ", Mühendislik tekniği ,10 Ağu 2002
Michel Verrier, Pascal Chay ve Mathieu Gabion, “ Turboalternateurs ”, Mühendislik tekniği ,10 Ocak 2009( çevrimiçi okuyun ).
Asenkron bir makineye dayalı bir rüzgar türbininin Cndp.fr'deki [PDF] çalışması - Belgesel veritabanları
Bilgisayarlı Fransızca dil hazinesinden "Termodinamik" in sözlükbilimsel ve etimolojik tanımları , Ulusal Metinsel ve Sözcük Kaynakları Merkezi'nin web sitesinde , danışılan = 2020-10-06
(içinde) Smail Ahmim Morgan Almanza, Alexander Pasko, Frederic Mazaleyrat Martino LoBue, Termal enerji toplama sistemi manyetokalorik malzemelere dayanmaktadır, Eur. Fizik J. Uygulama Fizik 85, 10902 (2019)
(in) bir küp ısıtılmış ve yan duvarlardan soğutuldu ve bir süper-iletken mıknatıs altında yerleştirilmiş paramanyetik sıvının konveksiyon , Japonya ısı transferi Derneği diğ. "Termal Bilim ve Mühendislik Cilt 14 No.4",2006, 8 s. ( çevrimiçi okuyun )