Elektrický generátor

Historie

Předchůdci dnešních elektromagnetických generátorů byly elektrostatické generátory, založené na elektrostatických principech. Jejich velkým nedostatkem bylo velmi vysoké napětí a prakticky malý proud a proto se nikdy neprosadily jako zdroje elektrické energie.

Teoretické principy elektromagnetické indukce a tím i dnešních generátorů objevil ve třicátých letech 19. století Michael Faraday. Jeho diskový generátor využíval podkovovitý magnet a měděný disk a vyráběl malé stejnosměrné napětí. Další experimenty se sadou magnetů kolem disku zlepšily účinnost generátoru, ale až objev cívkového uspořádání vodiče, pohybujícího se v magnetickém poli vyřešil problém nízkého výstupního napětí a stal se základem pro konstrukci všech následujících elektromagnetických generátorů.

Vývoj v oblasti elektrických generátorů se časem přizpůsoboval potřebám používaného napětí. V začátcích, kdy převládalo používání stejnosměrného napětí v elektrických rozvodech, vznikaly stejnosměrné generátory – dynamo-elektrické stroje. První moderní průmyslová dynama vynalezli nezávisle na sobě Sir Charles Wheatstone, Werner von Siemens a Samuel Alfred Varley. Statorové magnetické pole z permanentních magnetů v nich bylo nahrazeno elektromagnety a stejnosměrný proud byl odebírán přes komutátor.

S příchodem střídavého proudu přišly i střídavé generátory – alternátory. Průkopníky v této oblasti byly v osmdesátých letech 19. století J. E. H. Gordon, William Stanley a Sebastian Ziani de Ferranti, který začlenil svůj alternátor do první moderní uhelné elektrárny Deptford Power Station s vysokonapěťovým (10 000 V) vyvedením střídavého napětí pro zásobování centrálního Londýna elektrickou energií. Tato koncepce se na celém světě používá dodnes.

Rozdělení a konstrukce generátorů

Hlavní dělení elektrických generátorů je na generátory stejnosměrného napětí – dynama a generátory střídavého napětí – alternátory.

Elektrické dynamo se skládá ze statoru, zabezpečujícího konstantní magnetické pole a z rotoru se soustavou rotujících cívek, ve kterých se indukuje elektrické napětí. Magnetické pole je tvořeno jedním nebo několika magnety, u výkonových dynam se častěji používají cívky elektromagnetů. Konce vodičů rotorových cívek jsou vyvedeny na mechanické kontakty, zvané komutátor, zabezpečující usměrnění a vyvedení indukovaného napětí z rotoru. Komutátor je vlastně rotační přepínač – prstenec na hřídeli rotoru. Po obvodu se skládá z řady izolovaných vodivých segmentů, ke kterým jsou připojeny cívky tak, že na sběrné kontakty je vždy napojena rotorová cívka s maximálním indukovaným napětím. Tím je dosaženo vyhlazení průběhu výstupního stejnosměrného napětí.

Elektrický generátor střídavého proudu – alternátor – pracuje na stejném principu jako dynamo, ale nepoužívá komutátor a magnetické pole je většinou tvořeno rotorovými magnety nebo vinutím rotorových cívek. V energetice pracují alternátory v synchronním režimu s frekvencí sítě, do které jsou zapojeny. Hlavním kritériem dělení alternátorů je typ rotoru, dalšími jsou například otáčky a počet pólových párů nebo způsob buzení – tvorby magnetického pole.

Podle konstrukce rotoru rozlišujeme alternátory s hladkým rotorem a alternátory s vyniklými póly rotoru. Hladký rotor je typický prakticky pro všechny turboalternátory v tepelných elektrárnách. Cívky elektromagnetů jsou uloženy v drážkách rotoru a tvoří tak otáčející se elektromagnet. Počet pólů tohoto elektromagnetu je u synchronních strojů dán rychlostí otáčení rotoru. Při frekvenci sítě 50 Hz se dvoupólové rotory otáčí rychlostí 3 000 ot./min., čtyřpólové rotory pak poloviční rychlostí 1 500 ot./min.

Z konstrukčního hlediska mívají hladké rotory (a tím i turboalternátory) malý průměr, kolem 1 metru, z důvodu zachování maximálních povolených odstředivých sil působících na cívky. Zvyšování jednotkového výkonu alternátorů je následně možné jenom jejich prodlužováním. Alternátory tepelných elektráren jsou dlouhé i několik metrů.

Alternátory s vyniklými póly rotoru mají po obvodu rotoru upevněné pólové nástavce s cívkami, přičemž počet pólů je podstatně vyšší, než u hladkých rotorů. Větší počet pólů znamená nižší rychlost otáčení – tyto alternátory jsou určeny pro pomaluběžné stroje, jako jsou hydroalternátory nebo větrné generátory. Při desítkách pólů dosahují rotory s vyniklými póly průměry až 15 metrů při frekvenci otáčení v řádu stovek ot./min. Kromě energetiky mají alternátory s vyniklými póly rotoru největší uplatnění jako zdroje energie v automobilovém průmyslu.

V podstatě u generátorů existují dva způsoby vytvoření magnetického pole rotoru – pomocí permanentních magnetů nebo pomocí elektromagnetů. Elektromagnety musí být napájeny stejnosměrným budícím proudem. Podle způsobu přivedení tohoto proudu k cívkám rotoru rozlišujeme alternátory na alternátory s pomocným budičem a bezkartáčové alternátory. Pomocný budič je malý generátor stejnosměrného proudu na společné hřídeli s hlavním alternátorem, jehož úlohou je napájení elektromagnetů. Budící proud se na rotující část přenáší pomocí soustavy izolovaných sběrných kroužků a kontaktních kartáčů. Intenzita buzení ovlivňuje výstupní napětí alternátoru. U bezkartáčových alternátorů je budič zakomponován přímo do konstrukce hlavního alternátoru. Magnetické pole stacionárního elektromagnetu (budič) generuje v pomocných cívkách rotoru střídavé napětí, které po usměrnění napájí rotační magnetické pole hlavního generátoru. Kroužky ani kartáče v tomto případě nejsou potřebné.

Pro bezporuchovou práci elektrického generátoru jsou užitečné i další pomocné systémy, jako jsou vzduchové, vodíkové nebo vodní chlazení elektrických součástí, olejové mazání ložisek nebo vyvedení elektrického výkonu pomocí zapouzdřených vodičů.

Třífázový elektrický generátor Nového zdroje v Ledvicích je v provedení s bezkroužkovým buzením, je pevně spojen s turbínou a leží ve strojovně na stejném postamentu ve výšce 15,5 m. Jeho činný výkon 659,6 MW je vyveden zapouzdřenými vodiči přes výkonový vypínač do třech jednofázových blokových transformátorů. Statorová vinutí mají přímé chlazení vodou, rotor a statorové plechy jsou chlazeny vodíkem.