Generaattori
Wikipedia
Generaattori eli sähkögeneraattori on kone, joka muuttaa mekaanista liike-energiaa sähkövirraksi.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Sähköenergian muodostuminen
Magneettikentässä liikkuvaan (pyörivään) sähkönjohtimeen indusoituu sähkömotorinen voima (jännite) ja sitä kautta sähkövirta. Ilmiötä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Indusoituneen jännitteen suuruus riippuu magneettikentän voimakkuudesta, johtimen pituudesta ja sen pyörimisnopeudesta magneettikentässä eli magneettivuon vaihtelusta. Johtimessa kulkee sähkövirta vasta sitten kun se on kytketty suljetuksi virtapiiriksi.
Yksinkertaisimmillaan generaattori on sähköjohtimesta muodostettu silmukka jota pyöritetään magneettikentässä, tai magneettia pyöritetään silmukan ympärillä. Tämä synnyttää johtimeen sähkövirran energian pysyvyyden mukaisesti. Tämä tarkoittaa sitä että energia ei häviä, vaan se muuttaa muotoaan energiamuodosta toiseen: esimerkiksi generaattorissa liike-energia muuttuu sähköenergiaksi.
[muokkaa] Generaattorin toiminta
Generaattori koostuu kahdesta osasta jotka muuttavat liike-energian sähköksi. Toinen on seisoja eli staattori, ja toinen pyörijä eli roottori. Generaattorityypistä riippuu kuinka osat ovat magnetoitu, ja muodostuuko käyttövirta staattorilla vai roottorilla.
Yksinkertaisessa generaattorissa roottorina on kestomagneetti joka on ympäröity staattorilla. Staattori on rautalevyistä koostuva levypakka jossa on urat (ks. kuva). Staattorin levyrakenne estää pyörrevirtojen ja näin energiahäviöiden muodostumisen.
Staattorin uriin kierretään silmukoiksi käämi, ja pyöritettäessä magneettista roottoria staattorin sisällä, staattorin käämeihin indusoituu sähkövirta. Tällainen rakenne voidaan valmistaa myös siten että staattori on magneettinen ja roottorissa on käämitys. Tällöin roottorilla muodostuva virta saadaan siirrettyä ulkopuolisiin johtimiin joko liukurenkailla tai kommutaattorilla kuten kuvassa.
[muokkaa] Sähkömotoriikka
Sähkövirran muuttuminen pyrkii korvaamaan magneettikentän muutoksen ja magneettikentän muuttuminen sähkövirran muutoksen. Edellisessä tapauksessa kyse on generaattorista, jälkimmäisessä tapauksessa puolestaan sähkömoottorista. Näin ollen kytkentöjä sopivasti muuttaen (konetyypistä riippuen) sähkömoottori voidaan muuttaa generaattoriksi, tai päinvastoin.
[muokkaa] Magnetointi ja sähkötuoton säätö
Verkkosähkön tuottamisessa käytetään tavallisesti tahtigeneraattoreita, koska vaihtosähkön taajuuden 50 tai 60 Hz on oltava tarkka, jotta sähköä käyttävät koneet eivät vaurioituisi. Myös tasasähkö esimerkiksi autoissa tuotetaan vaihtovirtageneraattoreilla (laturi) ja sähkö tasasuunnataan diodin avulla. Autoissa on akku varastoimassa sähköenergiaa, joten tuoton ja kulutuksen ei tarvitse olla aivan samassa suhteessa.
Sähköverkossa täytyy kuitenkin kulutuksen ja tuoton olla jatkuvasti tasapainossa. Tämän vuoksi voimalaitoksissa sähkö tuotetaan pääasiassa vierasmagnetoiduilla tahtigeneraattoreilla, joissa on automaattinen jännitteen säätö.
[muokkaa] Tahtigeneraattorin magnetointi
Tahtigeneraattori magnetoidaan roottorin akselilla olevan apukoneen avulla. Tämä apukone on ulkonapainen vaihtovirtageneraattori, jonka tuottama sähkövirta tasasuunnataan ja johdetaan roottorin napoihin.
Automaattinen jännitteen säätö toimii siten, kun kulutus verkossa kasvaa, lisätään virtaa apukoneen staattorille, jolloin myös magnetointivirta kasvaa ja generaattori alkaa tuottaa enemmän sähköä. Samalla kasvaa voimantarve pyörittämään generaattoria.
Periaatteessa siis kuluttajan sytyttäessä sähkölampun samanaikaisesti jossakin generaattorissa magnetointivirtaa kasvatetaan, jotta lisääntynyt sähköntarve saadaan tyydytettyä. Isossa valtakunnan verkossa pienet sähkönkulutuksen muutokset kumoavat toisiaan ja kulutus on varsin tasaista. Valtakunnan verkossakin tarvitaan jonkun verran niin sanottua säätövoimaa eli energialähteitä, joissa pystytään nopeasti säätämään generaattorin pyörittämiseen tarvittavaa voimaa. Suomessa tällaisena säätövoimana käytetään vesivoimalaitoksia.
Magnetointivirralla pystytään säätämään myös tahtigeneraattorin tuottamaa magnetointivirtaa. Ylimagnetoimalla roottori eli käyttämällä suurempaa magnetointivirtaa kuin jännitteen ylläpitäminen vaatisi, saadaan tahtigeneraattori tuottamaan induktiivista loistehoa.
Alimagnetoimalla roottori saadaan tuotettua kapasitiivista loistehoa. Jotkin sähkölaitteet, kuten induktiomoottorit ja loistelamput vaativat loistehoa verkosta toimiakseen.
Joissakin tilanteissa ei käytössä ole sähköä, jotta tahtigeneraattorin roottori saataisiin magnetoitua. Tällöin apukoneeseen sijoitetaan kestomagneetti, jolla saadaan tuotettua roottorille generaattorin herättämiseen tarvittava magnetointivirta.
[muokkaa] Generaattorityypit
[muokkaa] Tasavirtageneraattori
Tasavirtageneraattorissa vaihtovirta tasasuunnataan, joko kääntämällä johdinsilmukan napaisuus puolen kierroksen välein hiiliharjojen ja kommutaattorin avulla kuten vanhoissa auton latureissa, tai tasasuuntaamalla virta diodisillan avulla, kuten esimerkiksi nykyaikaisissa autojen vaihtovirtaa tuottavissa latureissa.
[muokkaa] Vaihtovirtageneraattori
Vaihtovirtageneraattorit tuottavat vaihtovirtaa, jonka suunta ja suuruus muuttuvat jatkuvasti generaattorin pyörimisen tahtiin sinikäyrän muotoisesti. Generaattorin tuottama vaihtojännite on mahdollista muuntaa sähkön siirtoon tai haluttuun käyttötarkoitukseen paremmin sopivaksi muuntajan avulla, joko suuremmaksi tai pienemmäksi.
Generaattori voi olla sähköisiltä kytkennöiltään induktiomoottoria vastaava, mitä ratkaisua käytetään pienemmissä aggregaateissa.
[muokkaa] Vaihtovirtatahtigeneraattori
Vaihtovirtatahtigeneraattori on tahtimoottoria vastaava, jolloin koneen ollessa vierasmagnetoitu, magnetointivirtaa muuttamalla voidaan muuttaa generaattorin tuottaman sähkön määrää.
[muokkaa] Voimalaitosgeneraattori
Suuret voimalaitosgeneraattorit jotka tuottavat virtaa valtakunnalliseen sähköverkkoon, ovat vaihtovirtatahtigeneraattoreita, ja lähes poikkeuksetta vierasmagnetoituja, joka on parhaiten säädettävissä oleva generaattorityyppi.
Voimalaitosgeneraattorit ovat myös poikkeuksetta tahtigeneraattoreita koska ne voidaan kierroslukua säätämällä saada tuottamaan tarkalleen tietyntaajuista (esimerkiksi Suomessa 50 Hz) vaihtovirtaa. Tämä siksi että koko valtakunnallinen sähköverkko toimii samalla kaikkialla taajuudella ja samassa vaiheessa, ja jos verkkoon syötettäisiin eritaajuista virtaa, vaihe-erot voisivat aiheuttaa oikosulkuja ja sähkölaitteiden rikkoutumista.
Tästä syystä käyttöön otettavat ja pysähdyksissä olleet voimalaitosgeneraattorit aina tahdistetaan toimimaan tarkalleen samassa vaiheessa ja samalla taajuudella muun verkon kanssa, ennen generaattorin kytkemistä verkkoon.
[muokkaa] Kuvia erilaisista generaattoreista
 Suuri dieselmoottorikäyttöinen vaihtovirtageneraattori. |
 Harvinainen Stirlingmoottorikäyttöinen vaihtovirtageneraattori. |
 Vanhanaikainen armeijakäytössä ollut käsikäyttöinen tasavirtageneraattori. |
 Tyypillinen laivoissa käytettävä dieselmoottorikäyttöinen generaattori jollaiset yleensä vastaavat laivan kaikesta sähköntarpeesta. |
[muokkaa] Katso myös
[muokkaa] Aiheesta muualla
[muokkaa] Lähteet
- Heino, Urho A., 1949: Tekniikan kirja: Vahvavirtakytkentöjä Keskuskirjapaino, Helsinki.
- Sähkökoneet ja tehoelektroniikan perusteet, Lauri Aura ja Antti J Tonteri, WSOY Porvoo, 1996, ISBN 951-0-20167-7
