Výklad

Elektrický generátor je nejčastěji používaný točivý elektromechanický stroj, sloužící k výrobě elektrické energie. Setkáme se s ním prakticky ve všech tepelných elektrárnách v roli posledního článku přeměny energie od primárních paliv až po univerzální formu široko použitelné energie elektrické. Elektrický generátor pracuje na principu elektromagnetické indukce – otáčivé magnetické pole tvořené cívkami rotoru generuje v pevných cívkách statoru střídavé elektrické napětí. V současných energetických soustavách se používá třífázové vedení elektrické energie, proto i všechny výkonové elektrické generátory mívají minimálně tři páry statorových cívek, pro každou fázi jednu. Pro optimální přenos krouticího momentu z turbíny je elektrický generátor umístěn na společném rotoru a spolu s turbínou tvoří jeden celek – turbogenerátor.

Turbogenerátorem se označuje spojené zařízení turbíny a elektrického generátoru, umístěných na společné hřídeli

Stejně jako parní turbína je elektrický generátor dobře škálovatelný, existují generátory od řádu wattů až po stovky a tisíce megawattů. Účinnost elektrických generátorů je velmi dobrá a pohybuje se kolem 96 %. To znamená, že jen několik málo procent z mechanické energie rotoru se mění ve ztráty – neužitečné a nevyužitelné druhy energie, především teplo.

Historie

Faradayův generátor stejnosměrného napětí s permanentním magnetem a měděným diskem položil základ elektromagnetických generátorů

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.

Kontakty komutátoru elektrického dynama se systémem sběrných kartáčů

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.

Rotorové cívky dynama jsou připojeny na mechanický přepínač – komutátor, ze kterého je odebíráno stejnosměrné napětí

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 v tepelné elektrárně

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.

Statorové vinutí energetického generátoru je chlazeno vodou protékající trubkovitým vinutím

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.

Pod podlahou turbínového sálu vodní elektrárny se nachází vertikální alternátory s vyniklými póly

Alternátor s vyniklými póly tvoří základ elektrických systémů automobilu

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.

Pomocný budič vyrábí stejnosměrný proud pro napájení elektromagnetů hlavního alternátoru

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.

7