Электрогенератор

Электрогенератор представляет собой конструкцию, в которой механическая энергия от двигателя внутреннего сгорания преобразуется с помощью генератора тока в электрическую энергию.

В настоящее время наибольшее распространение получили бензиновые электрогенераторы и дизельные электрогенераторы, в силу их универсальности в решении различных задач обеспечения бесперебойного электропитания. Область применения электрогенераторов (электростанций) настолько широка, что описать ее в короткой статье просто не представляется возможным, поэтому упомянем лишь некоторые возможные варианты применения этих агрегатов. Вам необходима сварка трубопровода в полях, в условиях полного отсутствия электричества. В этом случае и прейдет на помощь электрогенератор, к которому без проблем можно подключить инверторный сварочный аппарат и, казалось бы, не выполнимая задача решена. Кроме того, вы сможете использовать любой электроинструмент, например угловую шлифовальную машину, с помощью того же электрогенератора, а так же Вы сможете осветить рабочую зону, в условиях недостаточной освещенности. Если Ваши работы по прокладке трубопровода затянулись до наступления зимы, и тут Вас выручит верный помощник электрогенератор. Подключив к нему жидкотопливный теплогенератор прямого нагрева, который используется для обогрева строительных площадок, вы не замерзнете и сможете закончить свою работу. И, наконец, после успешно выполненной задачи, с помощью электрогенератора, Вы вскипятите чайник и приготовите кофе.

Магнитная индукция

Сила F_м, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в этом поле заряженную частицу, подчиняется следующим законерностям:
а) сила F_M всегда перпендикулярна вектору скорости v частицы;
б) отношение F_M/(|q|v) не зависит ни от заряда q частицы, ни от модуля ее скорости;
в) при изменении направления скорости частицы в точке А поля модуль силы F_м изменяется от 0 до максимального значения (F_м)_макс, которое зависит не только от |q|v,но также от значения в точке А силовой характеристики магнитного поля — вектора В называемого магнитной индукцией поля.
По определению, модуль вектора В равен
(1)
Итак, магнитная индукция В численно равна отношению силы,
действующей на заряженную частицу со стороны магнитного поля, к произведению абсолют значения заряда и скорости частицы, если направление скорости частицы таково, что эта сила максимальна. Вектор В направлен перпендикулярно вектору силы (F_м)_макс действующей на положительно заряженную частицу (q> 0), и вектору скорости v частицы так, что из конца вектора В вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы (F_м)_макс к направлению скорости v видно происходящим против часовой стрелки. Иначе говоря, векторы (F_м)_макс, v и В образуют правую тройку
Магнитное поле называется однородным, если во всех его точках векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению. В противном случае магнитное поле называется неоднородным.
2. Для графического изображения стационарного, т. е. не изменяющегося со временем, магнитного поля пользуются методом
линий магнитной индукции.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. Действие магнитного поля на проводник с током означает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. Найдем силу, действующую на электрический заряд q при его движении в однородном магнитном поле с индукцией .
Сила тока I в проводнике связана с концентрацией n свободных заряженных частиц, скоростью их упорядоченного движения и площадью S поперечного сечения проводника следующим выражением:

,(52.1)

где q — заряд отдельной частицы.
Подставляя уравнение (52.1) в уравнение (51.4), получим

.

Так как произведение nSl равно числу свободных заряженных частиц в проводнике длиной l

N = nSl,

то сила, действующая со стороны магнитного поля на одну заряженную частицу, движущуюся со скоростью под углом к вектору индукции, равна

.(52.2)

Эту силу называют силой Лоренца.
Направление вектора силы Лоренца определяется правилом левой руки, в нем за направление тока нужно брать направление вектора скорости положительного заряда (рис. 186). Для случая движения отрицательно заряженных частиц четыре пальца следует располагать противоположно направлению вектора скорости.

Движение заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила , постоянная по модулю и направленная перпендикулярно вектору скорости (рис. 187).

В вакууме под действием силы Лоренца частица приобретает центростремительное ускорение

(52.3)

и движется по окружности. Радиус r окружности, по которой движется частица, определяется из условия

, .(52.4)

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен

.(52.5)

Последнее выражение показывает, что период обращения частицы в однородном магнитном поле при постоянной массе не зависит от скорости и радиуса r траектории ее движения. Этот факт используется, например, в ускорителе заряженных частиц — циклотроне.

Циклотрон. В этом ускорителе заряженные частицы — протоны, ядра атомов гелия — разгоняются переменным электрическим полем постоянной частоты в вакууме в зазоре между двумя металлическими электродами — дуантами. Дуанты находятся между полюсами постоянного электромагнита (рис. 188, а).

Под действием магнитного поля внутри дуантов заряженные частицы движутся по окружности. К моменту времени, когда они совершают половину оборота и подходят к зазору между дуантами, направление вектора напряженности электрического поля между дуантами изменяется на противоположное и частицы вновь испытывают ускорение. Каждую следующую половину оборота частицы пролетают по окружности все большего радиуса (рис. 188, б), но период их обращения остается неизменным. Поэтому для ускорения частиц на дуанты подается переменное напряжение с постоянным периодом.
Ускорение частиц в циклотроне с постоянным периодом возможно лишь до значений скоростей, значительно меньших скорости света. С приближением скорости частицы к скорости света в вакууме, равной c = 300000 км/с, масса частицы возрастает, вследствие чего увеличивается период ее обращения в магнитном поле. Равенство периода обращения частицы и периода изменения электрического поля нарушается, ускорение прекращается.

МГД-генератор. Действие магнитного поля на движущиеся электрические заряды плазмы используется для получения электроэнергии. Установка для магнитогидродинамического преобразования называется МГД-генератором.
Схема устройства МГД-генератора показана на рисунке 189.

В камере сгорания при сжигании нефти, керосина или природного газа создается высокая температура (2000—3000 К), при которой газообразные продукты сгорания ионизируются, образуя электронно-ионную плазму. Для повышения электропроводности плазмы в камеру сгорания вводят легкоионизирующиеся вещества, содержащие кальций, натрий, цезий. Раскаленная плазма движется по расширяющемуся каналу в несколько метров, в котором ее внутренняя энергия превращается в кинетическую энергию, и скорость возрастает до 2000 м/с и более. Так же, как и металлический проводник, плазма в целом нейтральна, но, влетая в область сильного магнитного поля, составляющие ее частицы разных знаков под действием силы Лоренца разделяются, как показано на рисунке 189. Электроны, достигнув нижнего электрода, движутся во внешней цепи по нагрузке сопротивлением R_Н к другому электроду, где нейтрализуют положительные ионы. Мощность, выделяемая во внешней цепи, может быть использована для различных практических нужд.
В режиме холостого хода, когда внешняя цепь разомкнута, между электродами возникает наибольшая разность потенциалов, равная ЭДС. В зависимости от конструкции генератора она может достигать нескольких сотен или тысяч вольт.
В МГД-генераторе сильно нагрета только плазма и отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые подобно лопаткам турбин одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использовать огнеупорные материалы и применять охлаждение неподвижных металлических деталей, соприкасающихся с плазмой, позволяет повысить температуру рабочего тела, а значит, и КПД установки. Для температуры плазмы, равной на входе T₁ = 2500 К, а на выходе T₂ = 300 К, теоретическое значение КПД составляет примерно 90 %. Однако в реальных условиях температура отработанных газов на выходе из канала больше 300 К. Но если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД такой установки будет равен 50—60 %. А это почти вдвое превышает реальный КПД тепловых электростанций. Следовательно, при том же расходе топлива с помощью МГД-генератора можно получить вдвое больше электроэнергии.
Первая опытно-промышленная электростанция У-25 с МГД-генератором мощностью 25 МВт была запущена в нашей стране в 1971 г.
На Рязанской ГРЭС начато строительство МГД-генератора мощностью 500 МВт на газомазутном топливе.
Коэффициент полезного действия энергоблока приближается к 50 %. Это должно обеспечить экономию 20—25 % топлива по сравнению с обычной тепловой электростанцией.