Generatoren

Generatoren sind Geräte, die andere Energieformen in elektrische Energie umwandeln. 1832 erfand der Franzose Bixi den Generator.

Ein Generator besteht aus Rotor und Stator. Der Rotor befindet sich im zentralen Hohlraum des Stators. Er verfügt über Magnetpole, die ein Magnetfeld erzeugen. Wenn der Antrieb den Rotor antreibt, wird mechanische Energie übertragen. Die Magnetpole des Rotors rotieren mit hoher Geschwindigkeit mit dem Rotor, wodurch das Magnetfeld mit der Statorwicklung interagiert. Diese Interaktion führt dazu, dass das Magnetfeld die Leiter der Statorwicklung durchschneidet, eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt und so mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Generatoren werden in Gleichstromgeneratoren und Wechselstromgeneratoren unterteilt, die in der industriellen und landwirtschaftlichen Produktion, der Landesverteidigung, in Wissenschaft und Technik sowie im täglichen Leben weit verbreitet sind.

Strukturparameter

Generatoren bestehen normalerweise aus einem Stator, einem Rotor, Endkappen und Lagern.

Der Stator besteht aus einem Statorkern, Drahtwicklungen, einem Rahmen und weiteren Strukturteilen, die diese Teile fixieren.

Der Rotor besteht aus dem Rotorkern (oder Magnetpol, magnetische Drossel), der Wicklung, dem Schutzring, dem Mittelring, dem Schleifring, der Lüfter- und Rotorwelle und weiteren Komponenten.

Der Stator und der Rotor des Generators sind durch Lager und Endkappen verbunden und zusammengebaut, sodass sich der Rotor im Stator drehen und die Bewegung ausführen kann, bei der er die magnetischen Kraftlinien schneidet. Dadurch wird das induzierte elektrische Potenzial erzeugt, das durch die Anschlüsse herausgeführt und mit dem Stromkreis verbunden wird, wodurch der elektrische Strom erzeugt wird.

Funktionale Merkmale

Die Leistung eines Synchrongenerators wird hauptsächlich durch die Leerlauf- und Lastbetriebseigenschaften charakterisiert. Diese Eigenschaften sind für den Benutzer wichtige Grundlagen für die Auswahl des Generators.

Leerlaufcharakteristik:Wenn ein Generator ohne Last arbeitet, ist der Ankerstrom Null (Leerlauf). In diesem Zustand wirkt in der dreiphasigen Wicklung des Motorstators nur die durch den Erregerstrom If induzierte Leerlauf-EMK E0 (Dreiphasensymmetrie), deren Stärke mit steigendem If zunimmt. Die beiden Werte sind jedoch nicht proportional, da der magnetische Kern des Motors gesättigt ist. Die Kurve, die die Beziehung zwischen der Leerlauf-EMK E0 und dem Erregerstrom If widerspiegelt, wird als Leerlaufkennlinie des Synchrongenerators bezeichnet.

Ankerreaktion:Wenn ein Generator an eine symmetrische Last angeschlossen ist, erzeugt der Dreiphasenstrom in der Ankerwicklung ein weiteres rotierendes Magnetfeld, das sogenannte Ankerreaktionsfeld. Seine Geschwindigkeit ist gleich der des Rotors, und beide drehen sich synchron.

Sowohl das Ankerblindfeld als auch das Rotorerregerfeld von Synchrongeneratoren verlaufen näherungsweise sinusförmig. Ihre räumliche Phasendifferenz hängt von der zeitlichen Phasendifferenz zwischen der Leerlauf-EMK E0 und dem Ankerstrom I ab. Darüber hinaus hängt das Ankerrückwirkungsfeld auch von den Lastbedingungen ab. Bei induktiver Generatorlast wirkt das Ankerrückwirkungsfeld entmagnetisierend und führt zu einer Abnahme der Generatorspannung. Umgekehrt wirkt das Ankerrückwirkungsfeld bei kapazitiver Last magnetisierend und erhöht die Ausgangsspannung des Generators.

Lastbetriebseigenschaften:Dabei handelt es sich im Wesentlichen um äußere Kennlinien und Einstellkennlinien. Die äußere Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen der Generatorklemmenspannung U und dem Laststrom I bei konstanter Nenndrehzahl, konstantem Erregerstrom und konstantem Lastleistungsfaktor. Die Einstellkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom If und dem Laststrom I bei konstanter Nenndrehzahl, konstanter Klemmenspannung und konstantem Lastleistungsfaktor.

Die Spannungsschwankungsrate von Synchrongeneratoren beträgt etwa 20–40 %. Typische Industrie- und Haushaltslasten erfordern eine relativ konstante Spannung. Daher muss der Erregerstrom bei steigendem Laststrom entsprechend angepasst werden. Obwohl die Änderung der Regelkennlinie der externen Kennlinie entgegengesetzt ist, nimmt sie bei induktiven und rein ohmschen Lasten zu, während sie bei kapazitiven Lasten im Allgemeinen abnimmt.

Funktionsprinzip

Dieselgenerator

Ein Dieselmotor treibt einen Generator an und wandelt die Energie des Dieselkraftstoffs in elektrische Energie um. Im Zylinder eines Dieselmotors vermischt sich saubere, vom Luftfilter gefilterte Luft gründlich mit unter hohem Druck stehenden, zerstäubten Dieselkraftstoff, der vom Einspritzventil eingespritzt wird. Während sich der Kolben nach oben bewegt und das Gemisch verdichtet, verringert sich dessen Volumen und die Temperatur steigt rapide an, bis der Zündpunkt des Dieselkraftstoffs erreicht ist. Dadurch entzündet sich der Dieselkraftstoff, und das Gemisch verbrennt heftig. Die schnelle Ausdehnung der Gase drückt den Kolben anschließend nach unten – ein Vorgang, der als „Arbeit“ bezeichnet wird.

Benzingenerator

Ein Benzinmotor treibt einen Generator an und wandelt die chemische Energie des Benzins in elektrische Energie um. Im Zylinder eines Benzinmotors verbrennt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft schnell, was zu einer schnellen Volumenausdehnung führt, die den Kolben nach unten drückt und Arbeit verrichtet.

Sowohl bei Diesel- als auch bei Benzingeneratoren arbeitet jeder Zylinder nacheinander in einer bestimmten Reihenfolge. Die auf den Kolben ausgeübte Kraft wird durch die Pleuelstange in Rotationskraft umgewandelt, die die Kurbelwelle antreibt. Ein bürstenloser Synchron-Wechselstromgenerator, koaxial zur Kurbelwelle des Motors montiert, ermöglicht es der Rotation des Motors, den Rotor des Generators anzutreiben. Basierend auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion erzeugt der Generator dann eine induzierte elektromotorische Kraft, die Strom durch einen geschlossenen Lastkreis erzeugt.