Stromgenerator , auch genannt Dynamo , jede Maschine, die mechanische Energie in Elektrizität umwandelt, um sie über Stromleitungen an Privat-, Gewerbe- und Industriekunden zu übertragen und zu verteilen. Generatoren produzieren auch die elektrische Energie, die für Autos, Flugzeuge, Schiffe und Züge benötigt wird.
Die mechanische Leistung für einen elektrischen Generator wird normalerweise von einer rotierenden Welle erhalten und ist gleich dem Wellendrehmoment multipliziert mit der Rotations- oder Winkelgeschwindigkeit. Die mechanische Leistung kann aus mehreren Quellen stammen: hydraulische Turbinen an Dämmen oder Wasserfällen; Windräder; Dampfturbinen, die Dampf verwenden, 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. Bauart und Drehzahl des Generators können je nach Eigenschaften der mechanischen Antriebsmaschine stark variieren.
Nahezu alle Generatoren zur Versorgung von Stromnetzen erzeugen Wechselstrom , die die Polarität mit einer festen Frequenz umkehrt (normalerweise 50 oder 60 Zyklen oder doppelte Umkehrungen pro Sekunde). Da mehrere Generatoren an ein Stromnetz angeschlossen sind, müssen diese zur gleichzeitigen Erzeugung mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Sie werden daher als Synchrongeneratoren oder in einigen Kontexte , Lichtmaschinen.
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Ein Hauptgrund für die Wahl von Wechselstrom für Stromnetze besteht darin, dass seine kontinuierliche Veränderung mit der Zeit den Einsatz von Transformatoren ermöglicht. Diese Geräte wandeln elektrische Energie mit beliebiger Spannung und Stromstärke in Hochspannung und Niederstrom für die Fernübertragung um und wandeln sie dann auf eine für jeden einzelnen Verbraucher geeignete Niederspannung (typischerweise 120 oder 240 Volt für den Hausgebrauch) um. Die besondere Form des verwendeten Wechselstroms ist a Sinus , das die in gezeigte Form hatAbbildung 1. Dies wurde gewählt, weil es die einzige sich wiederholende Form ist, bei der zwei zeitlich versetzte Wellen addiert oder subtrahiert werden können und als Ergebnis dieselbe Form haben. Idealerweise haben dann alle Spannungen und Ströme Sinusform. Der Synchrongenerator ist darauf ausgelegt, diese Form so genau wie möglich zu erzeugen. Dies wird deutlich, da die Hauptkomponenten und Eigenschaften eines solchen Generators unten beschrieben werden.
Sinus. Encyclopaedia Britannica, Inc.
Ein elementarer Synchrongenerator ist im Querschnitt in dargestelltFigur 2. Die Zentralwelle des Rotors ist mit der mechanischen Antriebsmaschine gekoppelt. Das Magnetfeld wird durch Leiter oder Spulen erzeugt, die in Schlitze gewickelt sind, die in die Oberfläche des zylindrischen Eisenrotors geschnitten sind. Dieser in Reihe geschaltete Spulensatz wird daher als Feldwicklung bezeichnet. Die Lage der Feldspulen ist so, dass die nach außen gerichtete bzw. radiale Komponente des im Luftspalt zum Stator erzeugten Magnetfeldes etwa sinusförmig um den Peripherie des Rotors. ImFigur 2, ist die Felddichte im Luftspalt oben maximal, unten maximal und an beiden Seiten null, was sich einer Sinusverteilung annähert.
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Elementarer Synchrongenerator. Encyclopædia Britannica, Inc.
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Der Stator des Elementargenerators inFigur 2besteht aus einem zylindrischen Ring aus Eisen, um dem magnetischen Fluss einen leichten Weg zu geben. In diesem Fall enthält der Stator nur eine Spule, wobei die beiden Seiten in Schlitzen im Eisen aufgenommen sind und die Enden durch gebogene Leiter um den Statorumfang herum miteinander verbunden sind. Die Spule besteht normalerweise aus mehreren Windungen.
Beim Drehen des Rotors wird in der Statorspule eine Spannung induziert. 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 – d. h. der Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld die beiden Seiten der Spule passiert. Die Spannung ist daher in einer Richtung maximal, wenn sich der Rotor um 90° aus der in gezeigten Position gedreht hatFigur 2und wird später in der entgegengesetzten Richtung 180° maximal sein. Die Wellenform der Spannung hat ungefähr die in gezeigte SinusformAbbildung 1.
Die Rotorstruktur des Generators inFigur 2hat zwei Pole, einen für den nach außen gerichteten Magnetfluss und einen entsprechenden für den nach innen gerichteten Fluss. Bei jeder Umdrehung des Rotors wird in der Statorspule eine vollständige Sinuswelle induziert. Die Frequenz der elektrischen Leistung, gemessen in Hertz (Zyklen pro Sekunde), ist daher gleich der Rotordrehzahl in Umdrehungen pro Sekunde. Um beispielsweise eine Stromversorgung mit 60 Hertz bereitzustellen, müssen die Antriebs- und Rotordrehzahl 60 Umdrehungen pro Sekunde oder 3.600 Umdrehungen pro Minute betragen. Dies ist für viele Dampf- und Gasturbinen eine angenehme Drehzahl. Bei sehr großen Turbinen kann eine solche Drehzahl aus Gründen der mechanischen Belastung zu hoch sein. In diesem Fall ist der Rotor des Generators mit vier Polen im Abstand von 90° ausgeführt. Die in einer Statorspule induzierte Spannung, die einen ähnlichen Winkel von 90° überspannt, besteht aus zwei vollständigen Sinuswellen pro Umdrehung. Die erforderliche Rotordrehzahl für eine Frequenz von 60 Hertz beträgt dann 1.800 Umdrehungen pro Minute. Für niedrigere Drehzahlen, wie sie von den meisten Wasserturbinen verwendet werden, kann eine größere Polpaarzahl verwendet werden. Die möglichen Werte der Rotordrehzahl in Umdrehungen pro Minute sind gleich 120 f / p , wo f ist die Frequenz und p die Anzahl der Pole.
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