električni generator

ilustracija
ELEKTRIČNI GENERATOR istosmjerne struje: 1. remenica, 2. rotor, 3. stezaljka, 4. komutator, 5. stezaljka za uzemljenje, 6. četkica, 7. kućište statora, 8. jaram, 9. ventilator, 10. pol, 11. neutralna linija
ilustracija1ilustracija2ilustracija3ilustracija4ilustracija5ilustracija6

električni generator, električni stroj koji mehaničku energiju pogonskoga stroja pretvara u električnu energiju. Pogonski je stroj obično vodena, parna ili plinska turbina te Dieselov motor, a rjeđe vjetrena turbina ili benzinski motor. Generator zajedno s pogonskim strojem naziva se generatorski agregat. Izmjenični električni generator temeljni je izvor električne energije, istosmjerni električni generator služi za posebne namjene.

Pretvorba mehaničke u električnu energiju posredovanjem električnoga generatora osniva se na elektromagnetskoj indukciji, tj. na induciranju napona u vodiču koji se giba relativno prema magnetskom polju. U skladu s tim, električni generator je građen od okretnoga dijela (rotor) i nepokretnoga dijela (stator). Jedan od tih dijelova treba imati namote vodiča u kojima će se inducirati napon, a drugi treba djelovati kao magnet. Ulogu magneta obično ima rotor, i to u generatorima malih izmjera i snaga ugradnjom trajnih magneta, a u velikim generatorima ugradnjom elektromagneta, tj. namota kojima se dovodi istosmjerna struja preko četkica i kliznih koluta. Svaki put kada jedan od magnetnih polova rotora, npr. sjeverni, prođe pokraj statorskoga namota, inducira u njemu određeni napon. I svaki prolazak južnoga magnetskoga pola inducira napon iste vrijednosti, ali suprotna predznaka. Ako se vodiči na suprotnim stranama oboda statora povežu u zavojnice, njihovi će se naponi zbrajati, a ukupni napon zavojnica mijenjat će polaritet za vrijeme jednog okretaja rotora, onoliko puta koliko rotor ima polova. Napon na krajevima namota statora uvijek je izmjeničan, a i struje koje će on potjerati kroz priključene potrošače bit će izmjenične, pa je to izmjenični generator. Pri stalnoj brzini vrtnje rotora bit će i frekvencija induciranoga napona stalna. Kako se rotor vrti brzinom kruto povezanom s frekvencijom, takav se električni generator naziva sinkronim generatorom. Praktički se uvijek grade samo trofazni sinkroni generatori, a to znači da na statoru imaju 3 fazna namota međusobno prostorno pomaknuta za po 1/3 oboda kada generator ima dva pola, odn. 1/3 razmaka od jednoga N-pola do idućega kada generator ima više polova. Inducirani su naponi u tim faznim namotima periodični i izmjenični, prolaze kroz maksimum i minimum, ali ne sva tri istodobno, već jedan za drugim u jednakim vremenskim (faznim) razmacima od 1/3 trajanja jednoga cijelog naponskog ciklusa.

Namoti takve vrste fazni su namoti, a generator koji ima tri faze trofazni je sinkroni generator, ili, općenito, višefazni izmjenični generator. Sinkroni električni generator za velike brzine vrtnje većinom je turbogenerator (obično ima dva ili četiri pola i rotor valjkasta oblika, sinkrone su mu brzine 3000, odn. 1500 okretaja/min pri frekvenciji od 50 Hz), a onaj za niže brzine vrtnje hidrogenerator ili električni generator s izraženim magnetskim polovima. (→ turbogenerator; hidrogenerator)

Frekvencija izmjenične struje za opskrbu energetskih mreža normirana je, u Europi je 50 Hz, a u Americi 60 Hz. Zato najveća brzina vrtnje sinkronoga generatora za 50 Hz iznosi 3000 okretaja/min, a za 60 Hz 3600 okretaja/min. Za posebne namjene, kada su potrebni asinkroni ili sinkroni motori znatno većih brzina, a radi što manje mase i izmjera (zrakoplovstvo) ili radi zahtjeva tehnoloških procesâ, primjenjuju se izmjenični generatori s većim brojem polova i većim brzinama, koji daju napone frekvencije od 75 do 500 Hz, pa čak i do 1000 Hz. U elektroenergetici se nazivaju visokofrekvencijskim generatorima (premda se su u području općenito niskih frekvencija). Brzina vrtnje sinkronoga generatora ovisi o pogonskom stroju, pa o tome u velikoj mjeri ovisi i konstrukcija generatora.

U statorskim namotima opterećenoga generatora teku struje koje stvaraju okretno magnetsko polje. Ono rotira istom (sinkronom) brzinom kao i rotor i na različite se načine kombinira s uzbudnim magnetskim poljem stvorenim strujama rotorskoga namota. Polje obično djeluje tako da uzbudnu struju opterećenoga generatora treba automatskim regulatorom namještati kako bi se na stezaljkama generatora dobivao stalno isti napon, neovisan o opterećenju. Uzbuda generatora izmjenične struje rješava se posebnim uzbudnikom, tj. generatorom istosmjerne struje koji služi za uzbudu glavnoga generatora, a uzbuđuje se samouzbudom ili neovisno, iz pomoćnog uzbudnika. Uzbudnik i pomoćni uzbudnik mogu biti na istoj osovini s generatorskim agregatom (vlastita uzbuda) ili pogonjeni posebnim pogonskim motorom (uzbudni agregat). Suvremena su rješenja tzv. statički uzbudni sustavi, koji se sastoje od tiristorskog usmjerivača, uzbudnoga transformatora priključena na izmjeničnu mrežu i automatskoga digitalnog regulatora napona. Samouzbudni kompaundni (potpomognuti) sinkroni generatori upotrebljavaju vlastiti izmjenični napon i struju kako bi se preko ispravljača postigla upravo onolika uzbudna struja kolika je potrebna za održanje stalnoga napona u trenutačnim uvjetima opterećenja.

Dok je u sinkronom generatoru frekvencija napona kruto povezana s brzinom vrtnje, u asinkronom generatoru brzina je vrtnje nešto veća od sinkrone brzine, već prema opterećenju, slično kao što je u asinkronome motoru brzina vrtnje nešto manja od sinkrone brzine vrtnje okretnoga magnetskoga polja. Načelo rada asinkronoga generatora jednako je kao i asinkronoga motora, s tom razlikom što se pri nadsinkronoj brzini smjer radne struje mijenja, pa stroj daje energiju u mrežu, mjesto da je iz nje uzima. Asinkroni generatori upotrebljavaju se za male snage, do nekoliko megavata, a najčešći su im pogonski strojevi vjetrene turbine ili male vodene turbine. Takvim je generatorima primjena ograničena, jer trebaju biti priključeni na energetski sustav iz kojeg uzimaju jalovu struju za magnetiziranje ili, ako rade na vlastitu mrežu, moraju imati kondenzatorske baterije za uzbudu.

Induciranje napona zbiva se i ako se zamijeni uloga statora i rotora. Uzbudna struja može se na polove statora dovesti bez kliznih koluta i četkica. No, za namote faza, koji su tada na rotoru, potrebni su izvodi preko kliznih koluta. Za velike snage i za tri faze takvo tehničko rješenje izmjeničnoga generatora je složeno i skupo, pa se upotrebljava samo iznimno. Ono je, međutim, uobičajeno za tehničku izvedbu istosmjernoga generatora. Zavojnice rotora takva generatora spojene su tako da čine zatvoreni strujni krug, ali je na spoju svake zavojnice s idućom povučen izvod do jedne od lamela komutatora (kolektora). Komutatorske su lamele međusobno izolirane i tvore plašt valjka, koji se vrti zajedno s rotorom i po kojem kližu grafitne četkice. One dovode struju vanjskim trošilima, a prostorno se nalaze u položaju tzv. neutralne zone, gdje se upravo mijenja smjer struje zavojnice. Unatoč tomu što se u vodičima rotora induciraju izmjenični naponi, polaritet napona među onim lamelama komutatora koje dolaze u dodir s četkicama uvijek je isti, pa se iz generatora dobivaju istosmjerni naponi i struje. Funkcija je komutatora pretvaranje izmjenične struje rotorskih vodiča u istosmjernu struju u vanjskim odvodima. Zbog napona samoindukcije na četkicama nastaje iskrenje koje mehanički oštećuje četkice i komutator i ograničava upotrebu istosmjernoga generatora. Osim toga, rotorske struje u neutralnoj zoni stvaraju svoje magnetsko polje. Negativan utjecaj toga polja naziva se reakcija armature. Zato je danas svaki imalo veći istosmjerni električni generator opremljen pomoćnim polovima, koji su uzbuđeni strujom opterećenja, a nalaze se u sredini između glavnih polova, pa tako poništavaju reakciju armature u neutralnoj zoni i stvaraju polje potrebno za dobru komutaciju. To su tzv. komutacijski polovi. Ako je uzbudni namot glavnih polova preko otpornika za regulaciju uzbudne struje priključen paralelno na stezaljke samoga generatora, takva se uzbuda naziva samouzbudom, za razliku od neovisne uzbude, za koju se primjenjuje bilo kakav drugi izvor istosmjerne struje.

Proizvodnja električnih generatora svih navedenih vrsta ima u Hrvatskoj dugu tradiciju. Prema vlastitim projektnim, konstrukcijskim i tehnološkim rješenjima, zagrebačka tvornica, danas Končar – Elektroindustrija, proizvodi od 1949. hidrogeneratore, dizelske generatore, asinkrone generatore i generatore istosmjernoga napona i struje. U toj je tvornici do 1995. izrađeno 330 različitih vertikalnih i horizontalnih hidrogeneratora ukupne snage veće od 11 000 MVA, u što je uključeno 15 tzv. cijevnih hidrogeneratora ukupne snage 330 MVA. Oko 100 velikih hidrogeneratora ukupne snage 4000 MVA izvezeno je u 24 države na pet kontinenata. Prema veličini i specifičnosti izvedbe posebno se ističu Končarovi hidrogeneratori ugrađeni u hidroelektranama HE Zakučac 2 (150 MVA) i RHE Obrovac (155 MVA), zatim u hidroelektrani Đerdap (190 MVA), u hidroelektranama Shiroro u Nigeriji (176 MVA) i Kariba u Zambiji (167 MVA). Turbogeneratore na pogon parnim i plinskim turbinama proizvodi domaća elektroindustrija od 1956., kada je u tvornici »Končar« d. d. izrađeno i prodano širom svijeta više od 170 turbogeneratora ukupne snage veće od 5600 MVA. Suvremene uzbudne, regulacijske i zaštitne sustave generatora izrađuje također hrv. elektroindustrija i prodaje zajedno s generatorima na svj. tržištu. Za dostignutu razinu znanja, tehnoloških umijeća i početak proizvodnje električnih generatora u Hrvatskoj najviše zasluga pripada znanstvenicima i inženjerima A. Dolencu, Z. Sirotiću i T. Bosancu.

električni generator. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 22.9.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=17578>.