Устройство электрогенератора: принцип работы генератора электрического тока, виды, из чего состоит и как выбрать

принцип работы генератора электрического тока, виды, из чего состоит и как выбрать

Знать все об электрогенераторах нужно не только инженерам, организаторам производства и различным менеджерам, как обычно считают. Знание принципа работы генератора электрического тока — базовое общекультурное знание современного мира. Представление о видах генераторов, о том, из чего они состоят, как выбрать устройство, позволяет существенно улучшить собственную жизнь и гарантировать комфорт даже при внезапном отключении электропитания.

История создания

Точно сказать, какие специалисты изобрели генератор электричества, нельзя — работу над ним вели многие инженеры и электротехники в течение десятков лет. Работа над такой техникой продолжается даже и в XXI веке, когда, казалось бы, ничего существенного прибавить уже нельзя. Решающим шагом к созданию генератора стало открытие взаимодействия электрического поля и магнитной стрелки в 1820 году. Постепенно удалось обнаружить, что электрический ток получается только в подвижном магнитном поле либо при движении в нем проводника. Честь такого открытия делят Аньош Йедлик (Австрия, 1827) и Майкл Фарадей (Англия, 1831).

Хотя первым был венгерский ученый, куда большую известность получили усилия его британского коллеги. Именно он детально и всесторонне исследовал электромагнитную индукцию, а не просто постарался создать конкретный механизм. Кроме того, Йедлик от прототипов смог перейти к полноценной динамо-машине лишь в 1850-е годы. А вот Майкл Фарадей создал генератор электроэнергии (хотя еще несовершенный) еще в 1831-м. Динамо-машины оказались исторически первым типом, но из-за размеров и сложности коммутации сошли со сцены.

Год изобретения первой электрической машины в России — 1833-й. Эммануил Ленц обнаружил тогда же обратимость систем — один аппарат может использоваться и для генерации, и в качестве электромотора.

Но архаичное крепостное хозяйство не позволило воспользоваться перспективными разработками, и вскоре приоритет безвозвратно ушел к промышленно развитым государствам. Вплоть до 1851 года все генераторы делались только с постоянными магнитами, в последующие 16 лет повысить мощность удавалось за счет простых электромагнитов. В 1866-1867 годах сразу несколько разработчиков представили электрические машины на самовозбуждающихся магнитах.

Генератор бельгийско-французского изобретателя Зеноба Грамма, построенный в 1870 году, впервые начал применяться широко в промышленных целях.

Как только появился дизельный двигатель, неустановленный разработчик придумал, как использовать его в качестве генераторного привода. Уже в 1920-е годы дизель-генераторы начали активно применяться в промышленности. Исследования физиков в 1940-е годы позволили создать магнитогидродинамические генераторы. Но такие системы могут применяться исключительно на крупных электростанциях, перспективы их бытового применения отсутствуют.

Устройство и принцип работы

Любой электрогенератор превращает механический импульс в электрический ток. Его получение происходит за счет кручения катушки из проволоки, помещаемой в магнитное поле. Катушка делится на две главные части: жестко зафиксированный магнит и рамка из проволоки. Оба наконечника катушки связываются механически за счет контактного кольца, скользящего по угольной щетке. Эта щетка проводит электрический ток.

Принцип действия генератора подразумевает также то, что импульс, который вырабатывает вращающая часть, поступает на кольцо внутреннего контакта. Происходит это точно в момент прохождения части рамки около северного края магнита. Источник переменного тока работает обычно по принципу так называемой сильной выработки тока.

В нем есть всего один магнит, однако, он движется вокруг нескольких обмоток. Стоит учесть, что автомобильный генератор устроен несколько иначе.

Действовать он начинает при запуске системы зажигания. В этот момент ток через контактные кольца движется на щеточный узел и на систему возбуждения. Там он вырабатывает магнитное поле. Ротор, присоединенный к коленвалу, вырабатывает электромагнитные колебания. Переменный наведенный ток образуется на выводе перемотки. Частота кручения самовозбуждающегося генератора растет вплоть до определенного уровня, а после этого срабатывает выпрямитель.

Хотя основной принцип выработки тока состоит во взаимодействии магнитного поля, ротора и статора, вращать движущуюся часть могут различные источники механической энергии. Ими могут быть:

Синхронный тип генератора отличается совпадением частот кручения статоров и роторов. В качестве ротора применяется постоянный магнит. Когда устройство запускают, ротор начинает вырабатывать слабое поле. Как только растут обороты, начинает вырабатываться большая электрическая сила. Импульс проходит через регулятор напряжения и выдается в электрическую сеть.

Электрогенератор устройство и принцип работы

Функция любого электрического генератора — вырабатывать электрический ток. Но на самом деле генератор ничего не производит, а лишь преобразует один вид энергии – в другой (как это и свойственно всем энергетическим процессам в природе). Чаще всего, произнося словосочетание «электрический генератор», имеют ввиду машину, преобразующую механическую энергию – в электрическую.

Механическая энергия может быть получена от расширяющегося под давлением газа или пара, от падающей воды или даже вручную. В любом случае для получения от генератора электрической энергии, ему необходимо сначала передать эту энергию в приемлемой форме, чаще всего в механической.

Генераторы, работающие посредством механического привода, – доминирующий вид генераторов в современном мире. Такие генераторы работают на атомных и гидроэлектростанциях, в автомобилях, в дизельных и бензиновых генераторах, на ветряках, в ручных динамо-машинах и т. д. Пар, бензин, ветер — служат источниками механической энергии, вращающей ротор генератора.

Пример работы простого электрогенератора:

На роторе генератора закреплена обмотка намагничивания или постоянные магниты. В последние годы широкое распространение получают генераторы с неодимовыми магнитами на роторе, так как современные неодимовые магниты не уступают по своим характеристикам мощной обмотке намагничивания.

Принцип выработки электрической энергии в генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменяющийся в пространстве магнитный поток индуцирует вокруг этого пространства электрическое поле.

И если в область где присутствует это индуцированное электрическое поле поместить проводник, то в нем наведется (будет индуцирована) ЭДС — электродвижущая сила, и между концами проводника можно будет наблюдать (измерить, использовать для питания нагрузки) соответствующее напряжение.

Изменяющийся магнитный поток получается в генераторе при помощи движущихся вместе с ротором магнитов или полюсных наконечников, намагничиваемых специальными обмотками — обмотками намагничивания. Обмотки намагничивания обычно получают питание через щетки и контактные кольца.

Применение генератора для электрификации модели железной дороги:

Провода, в которых наводится ЭДС (электрическое напряжение) в генераторе, представляют собой обмотку статора, расположенную, как правило, в магнитопроводе, закрепленном на неподвижной части электрической машины. Эта обмотка у генераторов разного типа может быть выполнена различным образом.

В трехфазных генераторах переменного тока приняты обмотки статора, изготовленные по трехфазной схеме, – три части такой трехфазной обмотки могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Соединение звездой позволяет получить от генератора напряжение большей величины, чем при соединении треугольником. Разница в напряжениях составит корень из 3 раз (около 1,73). Чем больше напряжение — тем меньше максимальный ток, который можно получить от данного генератора на нагрузке.

Работа электрического генератора на электростанции:

Номинальная мощность генератора зависит от нескольких факторов, которые определяют его номинальные ток и напряжение. Напряжение на выходных клеммах генератора зависит от длины обмотки (провода) статора, от скорости вращения ротора и от индукции магнитного поля на его полюсах. Чем эти параметры больше — тем большее напряжение получается с генератора на холостом ходу и под нагрузкой.

Портативный генератор (мини-электростанция) для автономного электроснабжения:

Максимальный ток, который можно получить от генератора, теоретически ограничен его током короткого замыкания. Практически при номинальных оборотах он зависит от толщины провода обмотки статора и от общего магнитного потока ротора.

Если магнитного потока не достаточно, в некоторых случаях прибегают к увеличению оборотов. Но тогда генератор обязательно должен быть оснащен автоматическим регулятором напряжения, как это реализовано в автомобильных генераторах, которые способны выдавать приемлемый для зарядки аккумулятора ток в широком диапазоне оборотов.

Принцип работы и устройство современного автомобильного генератора

В стандартном исполнении в автомобиле существуют два источника питания – генератор и аккумулятор. Разница между ними заключается в том, что АКБ накапливает электроэнергию, а автомобильный генератор ее вырабатывает. То есть это устройство преобразует механическую энергию от двигателя в электрическую с целью дальнейшего питания всех потребителей и заряда акк

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinwt; e₂ = -Blvsinwt; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

 

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС

Генератор переменного тока. Устройство и принцип действия

Видео: Принцип работы генератора переменного тока. Как работает генератор простыми словами? Что такое переменный ток?

Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

В последнее время широкое распространение получили генераторы переменного тока, выгодно отличающиеся от генераторов постоянного тока своими габаритными размерами и способностью вырабатывать ток заряда при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Они имеют повышенную надежность.

Генераторы переменного тока используют на гусеничных и колесных машинах (например, на КамАЗ-4310 и КЗКТ-7428). По своей конструкции генераторы переменного тока отличаются от коллекторных генераторов постоянного тока. У них почти вдвое меньше масса и втрое — расход меди. Благодаря более раннему началу отдачи зарядного тока (с момента приведения во вращение вала двигателя на режиме холостого хода) такие генераторы имеют существенно лучшие зарядные свойства по сравнению с генераторами постоянного тока.

Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электромашину с электромагнитным возбуждением и выпрямителем. Генератор работает совместно с регулятором напряжения, обеспечивающим поддержание в электросети машины (с определенным допуском) требуемого постоянного напряжения.

Рис. Схема генератора переменного тока:
1 — ротор; 2 — статор; 3, 9 — шарикоподшипники; 4 — шкив привода; 5 — вентилятор; 6, 10 — крышки; 7 — выпрямитель; 8 — контактные кольца; 11 — щеткодержатель; 12 — обмотка возбуждения; 13 — винты крепления фазовых обмоток статора к выпрямителю; 14 — винт «массы»

Принцип действия генератора переменного тока

Конструкции электрических генераторов переменного тока различны, но принцип их действия одинаков. Рассмотрим один из таких генераторов.

Статор 2 генератора с трехфазной обмоткой выполнен в виде отдельных катушек, в витках которых при вращении ротора 1 индуцируется переменное напряжение. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения 12 выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора, обмотки которого питаются постоянным током от аккумуляторной батареи или выпрямителя 7, устанавливаемого на выходе генератора. В крышке 10 имеются вентиляционные окна, через которые циркулирует охлаждающий поток воздуха. Моноблок-радиатор способствует охлаждению выпрямителя, собранного из кремниевых вентилей (диодов) с допустимой температурой нагрева 150 °С.

Интересным компоновочным решением конструкции генератора переменного тока является генераторная установка магистральных автопоездов МАЗ. Она состоит из генератора и интегрального регулятора напряжения (ИРН). Номинальное вырабатываемое напряжение установки 28 В, номинальная мощность 800 Вт. Регулятор вмонтирован в основание щеткодержателя генератора. В крышку генератора также вмонтирован выпрямительный блок БПВ 4-45. Регулятор состоит из резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов и других элементов. Он снабжен переключателем сезонной регулировки («летняя» и «зимняя»). Элементы ИРН смонтированы на малогабаритной керамической плате, закрытой специальной крышкой и залитой герметиком, что делает конструкцию неразборной и неремонтируемой.

Моделирование устройства термоэлектрического генератора

1. Введение

Увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу из-за сжигания ископаемого топлива для производства электроэнергии и тепла послужило стимулом для разработки альтернативных эффективных и экологически чистых систем производства энергии в том числе для утилизации отработанного тепла в электроэнергию. Многочисленные системы выработки электроэнергии, такие как солнечные панели, ветряные турбины и геотермальные электростанции, использующие возобновляемые источники энергии, были разработаны для снижения зависимости от ископаемых видов топлива и, таким образом, сокращения выбросов парниковых газов.Однако такие системы выработки электроэнергии требуют серьезного обслуживания и часто дороги по сравнению с термоэлектрическими генераторами (ТЭГ). Устройство термоэлектрического генератора (ТЭГ) — это устройство, которое напрямую преобразует тепло в электричество. По сути, ТЭГ — это термоэлектрический модуль (ТЭМ), который состоит из термобатарей, то есть набора термопар, состоящих из ветвей полупроводников p- и n-типа, которые соединены электрически последовательно и термически параллельно [1, 2]. Термопары, построенные на основе полупроводников p- и n-типа, зажаты между двумя керамическими пластинами, которые должны поддерживаться при двух разных температурах для реализации режима генерации.Температурный градиент, индуцированный между верхней и нижней керамическими пластинами, создает напряжение на полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека в термопарах, построенных на ножках полупроводников p- и n-типа.

Использование отработанного тепла в качестве источника тепла для ТЭГ является экономически эффективным, поскольку отработанное тепло уже доступно бесплатно. Известно, что около 70% мирового производства энергии уходит в атмосферу за счет рассеивания тепла, что является одним из значительных вкладов в глобальное потепление [3]. Следовательно, использование отработанного тепла путем преобразования в электричество с использованием ТЭГ может способствовать экономии энергии и сохранению окружающей среды.Термоэлектрическое устройство также может работать в обратном режиме как термоэлектрический охладитель (ТЕС) и создавать обратный градиент температуры между верхней и нижней керамическими пластинами из-за эффекта Пельтье, если приложено электрическое смещение. В зависимости от режима работы, приложение напряжения смещения к термоэлектрическому модулю (ТЭМ) и, следовательно, инициирование протекания электрического тока приводит к возникновению разницы температур между верхней и нижней пластинами, а ТЭМ действует как термоэлектрический охладитель (ТЭМ) и наоборот; Размещение ТЭМ в температурном градиенте приводит к возникновению напряжения на полюсах ТЭМ, и ТЭМ действует как тепловой насос с функцией термоэлектрического генератора (ТЭГ) [4].

Термоэлектрические устройства обладают различными преимуществами по сравнению с другими системами выработки электроэнергии [5]. ТЭГ — это привлекательные системы производства электроэнергии, поскольку они представляют собой бесшумные твердотельные устройства без движущихся частей, экологически чистые, масштабируемые от небольших до гигантских источников тепла и очень надежные. Они также обладают увеличенным сроком службы и способностью использовать низкопотенциальную тепловую энергию для выработки электроэнергии.

2. Принцип работы ТЭГ

2.1. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека описывает индукцию напряжения, когда соединения двух разных проводящих материалов поддерживаются при разных температурах, как показано на рисунке 1.Эффект Зеебека увеличивается по величине, когда увеличивается коэффициент Зеебека проводящих материалов и / или разница температур между их соединениями. Напряжение, индуцированное эффектом Зеебека, определяется следующим образом:

, где α — коэффициент Зеебека, а ΔT — разность температур между горячим и холодным спаями.

Рисунок 1.

Эффект Зеебека.

2.2. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье описывает рассеивание или поглощение тепла при соединении двух проводящих материалов, когда ток течет через соединение, как показано на рисунке 2.В зависимости от направления протекания тока при подключении тепло поглощается или рассеивается.

Рисунок 2.

Эффект Пельтье.

2.3. Эффект Томсона

Эффект Томсона описывает рассеивание или поглощение тепла, когда электрический ток проходит через цепь, состоящую из одного материала, температура которого изменяется по длине, как показано на рисунке 3. ΔQ представляет собой рассеивание тепла, когда электрический ток однородный проводник.Коэффициент Томсона определяется вторым соотношением Кельвина [6–9]:

Рисунок 3.

Эффект Томсона.

где μ и T, соответственно, обозначают коэффициент Томсона и температуру. Если коэффициент Зеебека α не зависит от температуры, то коэффициент Томсона равен нулю.

2.4. Джоулев нагрев

Эффект джоулева нагрева определяет тепло, рассеиваемое материалом с ненулевым электрическим сопротивлением в присутствии электрического тока, как показано на рисунке 4,

Рисунок 4.

Джоулевое нагревание.

3. Структура ТЭГ

3.1. Трехмерное представление комплексной работы TEG

TEG состоит из множества ветвей (пластин), изготовленных из полупроводников p- и n-типа, образующих термопары, все соединенные последовательно электрически и параллельно термически. Полупроводниковые ножки соединены друг с другом через проводящие медные выводы, и они зажаты между двумя керамическими пластинами, которые проводят тепло, но ведут себя как изоляторы для электрического тока.Принципиальная схема трехмерного (3-D) многоэлементного термоэлектрического генератора показана на рисунке 5.

Рисунок 5.

Трехмерная схема многоэлементного ТЭГ.

Отработанное тепло из различных источников, таких как выхлопные газы автомобильных двигателей, промышленность и отопление инфраструктуры, геотермальная энергия и другие, может подаваться на верхнюю керамическую пластину ТЭГ. Как показано на Рисунке 5, тепло проходит через керамическую пластину и медные проводящие выводы, прежде чем достигнет верхней поверхности ветвей p- и n-типа, изготовленных из надлежащих полупроводников, которая определяется как горячая сторона ТЭГ.Тепло проходит через обе ножки полупроводника, а затем снова через медные проводящие выводы и нижнюю керамическую пластину. Благодаря радиатору нижняя керамическая пластина поддерживается при значительно более низкой температуре, чем верхняя керамическая, чтобы создать высокий температурный градиент, который приведет к высокой выходной мощности. Допустимая температура, применяемая к верхней и нижней керамическим пластинам, зависит от материалов ножек p- и n-типа. Кроме того, материалы p- и n-типа обладают низкой теплопроводностью, чтобы максимально ограничить тепловой поток через полупроводники и поддерживать разницу температур между горячей и холодной сторонами ТЭГ.

Графическое изображение распределения температуры вдоль ветвей ТЭГ при условной разнице температур ΔT между горячей и холодной сторонами показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Температурный градиент внутри ТЭГ.

После создания температурного градиента между горячей и холодной сторонами ТЭГ возникло напряжение на положительном и отрицательном полюсах ТЭГ из-за эффекта Зеебека, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7.

Распределение напряжения внутри ТЭГ.

Напряжение, генерируемое в ТЭГ из-за эффекта Зеебека, вызывает движение носителей заряда в полупроводниковых ветвях p- и n-типа, и, следовательно, электрический ток в электрической цепи, включая нагрузочный резистор RL, подключенный к полюсам ТЭГ, формируется плотность тока, отображается в Рисунок 8.

Рисунок 8.

Плотность тока в ТЭГ.

3.2. 1-мерное представление ТЭГ

Создание одномерного (1-мерного) представления ТЭГ полезно при определении аналитических выражений поглощенного и отводимого тепла, поскольку выходная мощность ТЭГ определяется как разница между поглощенным и отводимым теплом. . На рисунке 9 представлена ​​одномерная схема ТЭГ с источником тепла и радиатором, соответственно, нанесенными на верхнюю и нижнюю стороны ТЭГ.

Рисунок 9.

1-D схема многоэлементного ТЭГ.

TH, QH и KH — температура источника тепла, тепло, подаваемое от источника тепла к ТЭГ, и теплопроводность горячей стороны ТЭГ. TL, QL и KL — соответственно температура радиатора, тепло, отводимое от ТЭГ к радиатору, и теплопроводность холодной стороны ТЭГ. Thand Qh определяет температуру горячего спая термопар и тепловой поток через горячие спаи ТЭГ. Tc и Qc описывают температуру холодного спая термопар и тепловой поток через холодные спаи ТЭГ.Предполагая, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, α, k, ρ можно определить, соответственно, как постоянный коэффициент Зеебека, постоянную теплопроводность и постоянное удельное электрическое сопротивление.

3.3. Сопротивление электрической сети

Схема электрического сопротивления ТЭГ показана на рисунке 10. Полупроводниковые выводы P-типа и n-типа соединены друг с другом электрически последовательно через медные проводящие выводы.

Рисунок 10.

Сопротивление электрической сети.

Rp и Rn — электрическое сопротивление, связанное, соответственно, с полупроводниковыми выводами p- и n-типа. Rcpeh, Rcpec и RLare, соответственно, электрическое сопротивление медных проводящих полос на горячей стороне, электрическое сопротивление медных проводящих полос на холодной стороне и сопротивление внешней нагрузки.

3.4. Сопротивление тепловой сети

Тепловое сопротивление ТЭГ показано на рисунке 11, и оно помогает определить скорость теплопередачи через керамические пластины, медные полоски и полупроводниковые выводы p- и n-типа.Количество термопар N .

Рисунок 11.

Тепловая цепь сопротивления.

Teceh, Ticeh и Rcehare, соответственно, внешняя температура горячей керамической пластины, внутренняя температура горячей керамической пластины и термическое сопротивление, связанное с керамической пластиной на горячей стороне. Th, Rcph и Rtegare, соответственно, температура горячего спая полупроводниковых ветвей p- и n-типа, тепловое сопротивление медной ленты на горячей стороне и тепловое сопротивление полупроводниковых ветвей p- и n-типа.Tc, Rcpc и Ticec — это, соответственно, температура холодного спая полупроводниковых выводов p- и n-типа, тепловое сопротивление керамической пластины на холодной стороне и внутренняя температура холодной керамической пластины. Rcecand Tececare, соответственно, термическое сопротивление холодной керамической пластины и внешняя температура холодной керамической пластины.

4. Теоретическая модель

4.1. Анализ свойств термоэлектрического материала и геометрии ТЭГ

Термоэлектрические материалы ветвей ТЭГ, полупроводники p- и n-типа, характеризуются параметром, называемым добротностью Z, , который измеряет способность термоэлектрических материалов преобразовывать тепло в электрическое. мощность.Показатель качества выражается следующим образом:

, где α, ρ и k — соответственно коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность термоэлектрических материалов. Отличные термоэлектрические материалы обладают высоким коэффициентом Зеебека, низким удельным сопротивлением и низкой теплопроводностью [10].

Для получения максимальной добротности при проектировании ТЭГ геометрия полупроводниковых ветвей и свойства термоэлектрических материалов должны удовлетворять следующему уравнению [1, 11]:

Ap2Ln2An2Lp2 = knρpkpρn, E4

где Ap, An, Lp , Ln, kp, kn, ρp и ρn — соответственно площадь поперечного сечения, длина, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление полупроводниковых ветвей p- и n-типа.

Чтобы снизить производственные затраты, полупроводниковые ветви p- и n-типа изготавливаются с одинаковой геометрией, то есть Ap = An = A и Lp = Ln = L. Точно так же полупроводниковые ветви p- и n-типа изготавливаются из легированных сплавов для обеспечения одинаковых термоэлектрических свойств, то есть ρp = ρn, kp = kn и αp = −αn [12].

4.2. Анализ характеристик ТЭГ

Для получения выражений, описывающих характеристики ТЭГ, термопара, построенная из ветвей полупроводников p- и n-типа, извлечена из рисунка 9 и представлена ​​на рисунке 12.На рисунке 12 показан перенос тепла внутри одной термопары. Длина и площадь поперечного сечения полупроводниковых выводов p- и n-типа равны и обозначаются как L и A соответственно. Спай термопары закреплен на теплопроводной и электроизоляционной керамической пластине.

Рисунок 12.

Теплообмен внутри термопары ТЭГ.

Qh, Qc, Qkin, Qkout, Qj, Lp, Ln и δcuare, соответственно, тепло, поглощенное в горячем спай, тепло, отводимое в холодном спае, теплопроводность Фурье, передаваемая внутри контрольного объема, теплопроводность Фурье, передаваемая из контрольного объема , Джоулев нагрев, генерируемый в пределах контрольного объема, длины ветвей p- и n-типа и толщины медных электропроводящих полос.

Используя принцип сохранения энергии и предполагая одномерное стационарное состояние, уравнение энергии дифференциального контрольного объема внутри полупроводниковой ветви p-типа можно выразить следующим образом:

Используя разложение Тейлора:

Q (x) — ( Q (x) + ∂Q (x) ∂xdx) + I2ρpApdx = 0, E7

I представляет электрический ток, индуцированный в устройстве TEG:

−∂Q (x) ∂xdx + I2ρpApdx = 0.E8

Закон проводимости Фурье для одного -Мерные состояния теплопроводности:

Подставляя уравнение. (9) в уравнение.(8):

−∂∂x (−kpAp∂Tp∂x) dx + I2ρpApdx = 0.E10

При условии, что термоэлектрические свойства не зависят от температуры, kp можно вынести из производной и уравнение (10) может быть выражено следующим образом:

kpApd2Tpdx2dx + I2ρpApdx = 0.E11

Интегрирующее уравнение. (11):

∫0xkpApd2Tpdx2dx + ∫0xI2ρpApdx = 0, E12kpAp (dTpdx | x − dTpdx | 0) + I2ρpApx = 0, E13

, где Qp (0) — тип теплопроводности Фурье, передаваемый в ветвь pdApLx внутри верхней ветви ∫0LpI2ρpApxdx = −∫0LpQp (0) dx, E16kpAp (Tp (Lp) −Tp (0)) + I2ρpApLp22 = −Qp (0) Lp, E17Qp (0) = kpApLp (Th − Tc) −0.5I2ρpLpAp.E20

С учетом эффекта Пельтье, происходящего в горячем спайе ветви p-типа:

Qph = αpITh + kpApLp (Th-Tc) −0,5I2ρpLpAp, E21

, где Qph — общее количество тепла, поглощенное в горячем спайе ветви p-типа. .

Использование той же процедуры с теми же граничными условиями для получения теплового потока через ветвь n-типа приводит к следующему выражению Qn:

Qnh = −αnITh + knAnLn (Th − Tc) −0,5I2ρnLnAn, E22

, где Qnh — полное тепло, поглощаемое горячим спаем ноги n-типа. Таким образом, общее количество тепла, поглощаемое горячим спаем полупроводниковых ветвей p- и n-типа, составляет:

Qh = (αp − αn) ITh + (kpApLp + knAnLn) (Th − Tc) −0.5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E24

Мы используем тот же метод, чтобы получить выражение для тепла, отводимого в холодном спайе ветвей p-типа и n-типа. Следовательно, получается следующее выражение:

Qc = (αp − αn) ITc + (kpApLp + knAnLn) (Th − Tc) +0,5 (ρpLpAp + ρnLnAn) I2.E25

4.3. Выражения характеристик ТЭГ

ТЭГ характеризуются многочисленными выражениями характеристик, включая тепло, поглощаемое на горячей стороне, тепло, отводимое на холодной стороне, выходная мощность, индуцированное напряжение и ток, протекающий в электрической цепи с нагрузочным резистором.Определяя символы ниже из ур. (24) и (25):

Следовательно, выражение теплового потока через горячий и холодный спаи для полупроводниковых термопар N может быть выражено следующим образом:

Qh = N (αITh − 0,5rI2 + K (Th − Tc)) , E29Qc = N (αITc + 0,5rI2 + K (Th-Tc)). E30

Как указывалось ранее, мощность, вырабатываемая ТЭГ, определяется как разница между теплотой, поглощаемой горячим спаем, и теплом, отбрасываемым на холодном спайе:

P = Qh-Qc = N (αI (Th-Tc) -rI2) .E31

Оптимальный ток, генерируемый в ТЭГ, получается путем первого вывода уравнения.(31) относительно тока следующим образом:

dPdI = N (α (Th-Tc) −2Ir) .E32

Ур. (32) приравнивается к нулю для определения следующего выражения оптимального тока:

Вообще говоря, напряжение, ток и выходная мощность, наведенные в ТЭГ, состоящем из набора термопар, подобных представленной на рисунке 9, соответственно, определяются как :

P = I2RL = (α (Th − Tc) r + RL) 2RL, E35V = IRL = α (Th − Tc) r + RLRL, E36

где RL — внешнее сопротивление нагрузки. Чтобы получить оптимальный наведенный электрический ток и выходную мощность, генерируемую в электрической цепи с ТЭГ, состоящим из набора термопар, внешнее сопротивление должно быть равно общему внутреннему электрическому сопротивлению полупроводниковых ветвей p- и n-типа.Эффективность ТЭГ определяется как:

В реальном ТЭГ используются два термоэлектрических материала, то есть полупроводники p- и n-типа. Максимальный КПД, обеспечиваемый ТЭГ, выражается следующим образом:

ηmax = (1 − ThTc) 1 + ZT¯ − 11 + ZT¯ + ThTc, E38

, где Z и T¯ являются, соответственно, добротностью p- и n Полупроводники и усредненная температура между температурами на горячей и холодной сторонах.

4.4. Пример моделирования рабочих характеристик ТЭГ

Численный пример принят для оптимизации и анализа влияния уравнений теплопередачи на выходную мощность, КПД и индуцированное напряжение ТЭГ.

При численном анализе принята следующая геометрия (Таблица 1).

Приняты следующие термоэлектрические свойства (Таблица 2).

Число пар ( N )	Площадь поперечного сечения ( A )	Длина ( L )
10	2,5-2,56 902 м 2	2 × 10 -3 м

αp	αn	ρp = ρn	kp = kn
185 10198 К	−185 × 10−6 В / К	1.65 × 10-5 Ом × м	1,47 Вт / ( мК )

Таблица 2.

Термоэлектрические свойства.

Все полученные кривые производительности рассчитаны при температуре горячей стороны до Th = 673K ​​и температуре холодной стороны Tc = 373K.

4.4.1. Мощность и КПД как функция электрического тока

За счет фиксации температуры холодной стороны Tc = 373K и изменения температуры горячей стороны от 473 до 673 K с шагом 100 K, генерируемая мощность ведет себя следующим образом:

Можно заметить, что мощность как функция тока ведет себя как парабола с оптимальным значением мощности при определенном токе.На рисунке 13 показано наличие максимального значения тока, соответствующего оптимальной мощности. Любой ток выше или ниже максимального значения тока создает выходную мощность меньше оптимальной. Кроме того, по мере увеличения температуры на горячей стороне увеличивается и производимая мощность.

Рис. 13.

Выходная мощность ТЭГ как функция электрического тока.

Кривые КПД, показанные на рисунке 14, также ведут себя как парабола, при этом конкретное значение тока максимизирует КПД для каждой разницы температур.В реальных устройствах ТЭГ всегда работают при оптимальном токе. Следует отметить, что эффективность ТЭГ все еще низка по сравнению с другими методами преобразования энергии. Было приложено много усилий для повышения эффективности [13, 14]. Учитывая, что источников тепла много и они бесплатные, ТЭГ могут быть многообещающим решением, когда они используются для сбора отработанного тепла от промышленных предприятий и систем центрального отопления.

Рисунок 14.

Зависимость КПД от тока.

4.4.2. Зависимости ВАХ

При различных перепадах температур и поддержании температуры холодной стороны на уровне 373 K, индуцированное напряжение как функция тока ведет себя, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15.

Напряжение как функция тока ( ВАХ ТЭГ).

Из рисунка 15 видно, что напряжение, индуцируемое для каждой разницы температур, уменьшается и линейно зависит от выходного электрического тока. Наклоны ВАХ одинаковые.

4.4.3. Мощность и КПД как функция температуры горячей стороны

При сохранении температуры холодной стороны 373 K и замене тока в уравнении выходной мощности (уравнение (31)) выражением оптимального тока (уравнение (33)) , выражение мощности становится функцией температуры на горячей стороне, а на рисунке 16 показано поведение выходной мощности как функции температуры горячей стороны.

Рисунок 16.

Мощность как функция температуры горячей стороны.

Выходная мощность как функция температуры горячей стороны ведет себя как нелинейная кривая, возрастающая по мере увеличения температуры горячей стороны.

Зависимость эффективности ТЭГ от температуры горячей стороны показана на рисунке 17.

Рисунок 17.

КПД ТЭГ как функция температуры горячей стороны.

4.4.4. Мощность как функция сопротивления внешней нагрузки

На рисунке 18 показаны изменения выходной мощности в зависимости от сопротивления внешней нагрузки. Уравнение (35) используется для получения зависимостей, показанных на рисунке 18.

Рисунок 18.

Выходная мощность как функция сопротивления внешней нагрузки.

Оптимальная выходная мощность достигается, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему электрическому сопротивлению всего количества полупроводниковых выводов p- и n-типа.

4.4.5. КПД как функция от добротности (ZT)

Значение ZT представляет собой модифицированную добротность, где T представляет собой усредненную температуру между температурами горячей и холодной сторон. Для каждой разницы температур эффективность увеличивается по мере увеличения значения ZT . Таким образом, использование термоэлектрических материалов с высокими значениями ZT приводит к большому КПД ТЭГ (Рисунок 19).

Рисунок 19.

Зависимость КПД от значения ZT.

.

Генераторное устройство — машины постоянного тока

Генератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока. Затем эта преобразованная энергия передается потребителю генератором. Устройство генератора основано на законах электромагнитной индукции. Одним из наиболее распространенных типов этих устройств является так называемый синхронный генератор. Это электрическая машина, работающая на переменном токе. Синхронность достигается за счет наличия определенного количества пар полюсов.Таким образом, при заданной частоте скорость вращения будет постоянной.

Устройство генератора довольно простое. Основные его части — это электромагниты, создающие вращающееся магнитное поле, и якорь, на котором расположена обмотка.

Якорь — одна из основных частей, составляющих электрический генератор. Имеет цилиндрическую форму. Анкер идет из отдельных листов штампованной электротехнической стали, толщина которых не превышает полмиллиметра. Между листами — слой лака или бумажного утеплителя.При сборке полостей, которые заклепываются по окружности на каждом листе, они сжимаются и образуют пазы, в которые закладываются проводники изолированной обмотки якоря.

В устройстве генератора предусмотрен коллектор. Он состоит из нескольких медных пластин, которые кое-где припаяны к обмотке якоря. Они также изолированы от контакта друг с другом. Коллектор находится в генераторе для того, чтобы выпрямлять ток, а также выводить его во внешнюю сеть с помощью неподвижных щеток.Коллектор закреплен на валу якоря.

Как уже было сказано выше, устройство генератора невозможно без использования законов электромагнитной индукции. Поэтому генератор электричества имеет в своем устройстве электромагниты, состоящие из полюсных стальных сердечников. Сердечники привинчены болтами к станине генератора, отлитой из стали. В машинах малой мощности иногда бывает, что станина отливается сразу с сердечниками. В большинстве случаев сердечники набирают из стальных листов.Сердечник надевается на катушку из намотанной на нее медной проволоки. Провод тоже заизолирован. Постоянный ток возбуждения, проходящий через обмотку, создает магнитный поток на полюсах. Для лучшего распределения в воздушных зазорах столбы располагаются наконечниками, собранными из стальных листов.

Якорь, вращающийся в магнитном поле, индуцирует переменную по направлению и величине электродвижущую силу (ЭДС) в проводниках обмотки якоря. Припаивая концы одного витка к концам другого и надевая на кольца щетки, подключая их к внешней сети, можно получить устройство генератора уже переменного тока, так как в этом случае вращение Сваренная катушка в магнитном поле создает ток, который может изменяться по частоте и направлению.

Синхронные генераторы стали очень популярными на транспорте, особенно на железных дорогах. Обычно они используются на тепловозах, в рефрижераторных секциях.

p> .

Скачать Device Frame Generator (MOD) APK для Android

Генератор кадров устройства позволяет быстро превращать скриншоты приложения в реальные изображения устройства. Это обеспечивает лучший визуальный контекст для снимков экрана вашего приложения на вашем веб-сайте или в других рекламных материалах.

Новинка: создавайте динамические фоны для вашего искусства!

Основные характеристики:
* Выберите из широкого диапазона устройств (см. Список ниже)
* Выберите рисование бликов поверх снимков экрана или тени под рамкой устройства
* Поделиться из любого приложения с помощью кнопки общего доступа
* Создать сразу несколько изображений из приложения «Галерея» с помощью кнопки «Поделиться»
* Автоматически определяет устройства Nexus или устройство, соответствующее разрешению вашего телефона, при запуске и сохраняет его в качестве используемого по умолчанию

Доступные рамки устройства
* Nexus S: 480 * 800
* Galaxy Nexus: 720 * 1280
* Nexus 4: 768 * 1280
* Nexus 5: 1080 * 1920
* Nexus 7: 800 * 1280
* Nexus 7 (2013): 800 * 1280
* Nexus 10: 1600 * 2560
* HTC One: 1080 * 1920 (от ATMOSF3AR)
* HTC One X: 720 * 1280
* Samsung Galaxy Note: 800 * 1280
* Samsung Galaxy S III: 720 * 1280
* Samsung Galaxy Tab 2: 600 * 1024
* Motorola Xoom: 800 * 1280

Некоторые дополнительные устройства, не упомянутые в этом списке, могут быть доступны с h бета-поддержка.

Чтобы получать обновления бета-версии, присоединитесь к сообществу на https://plus.google.com/communities/115184670818359523689 и зарегистрируйтесь для бета-тестирования на https://play.google.com/apps/testing/com.f2prateek.dfg /присоединиться.

Сообщайте о любых ошибках или запросах функций через сообщество (https://plus.google.com/communities/115184670818359523689).

Запланированные функции:
* Автоматически определять, когда делаются снимки экрана
* Более быстрое создание кадров устройства

Приложение масштабирует снимки экрана до размера устройства, пока соотношения сторон снимка экрана и устройства, которое вы выбрали, совпадают, вы можете использовать приложение.Например, даже если у вас есть Moto X, вы можете использовать Galaxy Nexus с таким же разрешением.

Разработано Prateek Srivastava (@ f2prateek) и с открытым исходным кодом на Github (https://github.com/f2prateek/android-device-frame-generator).
Значок и дизайн приложения — Тейлор Линг (http://androiduiux.com).
Построен на основе студии ресурсов android-ui-utils, созданной Романом Нуриком, авторское право Google Inc.

При возникновении любых ошибок и проблем отправляйте сообщения в систему отслеживания ошибок (https: // github.com / f2prateek / Device-Frame-Generator / issues? state = open) или в твиттере (https://twitter.com/f2prateek).

Разрешения

WRITE_EXTERNAL_STORAGE
Для сохранения изображений на телефон, а также для открытия снимков экрана (хранилище для чтения предоставляется неявно)

ИНТЕРНЕТ
Для отслеживания ошибок и аналитики приложений.

MANAGE_DOCUMENTS
Для получения изображений из определенных приложений.

.

Генераторное устройство — машины постоянного тока

Генератор — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока. Затем эта преобразованная энергия передается потребителю генератором. Устройство генератора основано на законах электромагнитной индукции. Одним из наиболее распространенных типов этих устройств является так называемый синхронный генератор. Это электрическая машина, работающая на переменном токе. Синхронность достигается за счет наличия определенного количества пар полюсов.Таким образом, при заданной частоте скорость вращения будет постоянной.

Устройство генератора довольно простое. Основные его части — это электромагниты, создающие вращающееся магнитное поле, и якорь, на котором расположена обмотка.

Якорь — одна из основных частей, составляющих электрический генератор. Имеет цилиндрическую форму. Анкер идет из отдельных листов штампованной электротехнической стали, толщина которых не превышает полмиллиметра. Между листами — слой лака или бумажного утеплителя.При сборке полостей, обрамленных по окружности на каждом листе, они сжимаются и образуют пазы, в которые закладываются проводники изолированной обмотки якоря.

В устройстве генератора предусмотрен коллектор. Он состоит из нескольких медных пластин, которые кое-где припаяны к обмотке якоря. Они также изолированы от контакта друг с другом. Коллектор находится в генераторе для того, чтобы выпрямлять ток, а также выводить его во внешнюю сеть с помощью неподвижных щеток.Коллектор закреплен на валу якоря.

Как уже было сказано выше, устройство генератора невозможно без использования законов электромагнитной индукции. Поэтому генератор электричества имеет в своем устройстве электромагниты, состоящие из полюсных стальных сердечников. Сердечники привинчены болтами к станине генератора, отлитой из стали. В машинах малой мощности иногда бывает, что станина отливается сразу с сердечниками. В большинстве случаев сердечники набирают из стальных листов.Сердечник надевается на катушку из намотанной на нее медной проволоки. Провод тоже заизолирован. Постоянный ток возбуждения, проходящий через обмотку, создает магнитный поток на полюсах. Для лучшего распределения в воздушных зазорах столбы расположены наконечниками, собранными из s

.