Wie erzeugt ein Generator Elektrizität? Wie Generatoren funktionieren

Generatoren sind nützliche Geräte, die während eines Stromausfalls elektrische Energie liefern und verhindern, dass die täglichen Aktivitäten unterbrochen werden oder der Geschäftsbetrieb gestört wird. Generatoren gibt es in verschiedenen elektrischen und physikalischen Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen. In den folgenden Abschnitten werden wir uns mit der Funktionsweise eines Generators, den Hauptkomponenten eines Generators und dem Einsatz eines Generators als sekundäre Stromquelle in privaten und industriellen Anwendungen befassen.

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Wie funktioniert ein Generator?

Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das mechanische Energie, die von einer externen Quelle stammt, in elektrische Energie als Ausgang umwandelt.

Es ist wichtig zu verstehen, dass ein Generator keine elektrische Energie “erzeugt”. Stattdessen nutzt er die ihm zugeführte mechanische Energie, um die elektrischen Ladungen im Draht seiner Wicklungen durch einen externen Stromkreis zu bewegen. Dieser Fluss elektrischer Ladungen bildet den vom Generator gelieferten elektrischen Ausgangsstrom. Dieser Mechanismus lässt sich verstehen, wenn man sich den Generator als Analogie zu einer Wasserpumpe vorstellt, die zwar den Fluss des Wassers bewirkt, aber das Wasser, das durch sie fließt, nicht wirklich “erzeugt”.

Der moderne Generator funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das von Michael Faraday 1831-32 entdeckt wurde. Faraday entdeckte, dass der oben beschriebene Fluss elektrischer Ladungen induziert werden kann, indem ein elektrischer Leiter, z. B. ein Draht, der elektrische Ladungen enthält, in einem Magnetfeld bewegt wird. Durch diese Bewegung entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Enden des Drahtes oder elektrischen Leiters, die wiederum die elektrischen Ladungen zum Fließen bringt und so elektrischen Strom erzeugt.

Hauptbestandteile eines Generators

Die Hauptbestandteile eines elektrischen Generators lassen sich grob wie folgt einteilen:

• Motor
• Lichtmaschine
• Kraftstoffsystem
• Spannungsregler
• Kühlung und Abgassystem
• Schmierungssystem
• Batterieladegerät
• Bedienfeld
• Hauptbaugruppe / Rahmen

Im Folgenden werden die Hauptkomponenten eines Generators beschrieben.

Motor

Der Motor ist die Quelle der mechanischen Energie, die dem Generator zugeführt wird. Die Größe des Motors steht in direktem Verhältnis zur maximalen Leistung, die der Generator liefern kann. Bei der Auswahl des Motors Ihres Generators müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen. Der Hersteller des Motors sollte konsultiert werden, um die vollständigen Spezifikationen für den Motorbetrieb und die Wartungspläne zu erhalten.

1.  Art des verwendeten Kraftstoffs – Stromerzeugermotoren werden mit einer Vielzahl von Kraftstoffen wie Diesel, Benzin, Propan (in flüssiger oder gasförmiger Form) oder Erdgas betrieben. Kleinere Motoren werden in der Regel mit Benzin betrieben, während größere Motoren mit Diesel, flüssigem Propan, Propangas oder Erdgas laufen. Bestimmte Motoren können auch mit Diesel und Gas im Zweistoffbetrieb betrieben werden.
2. Motoren mit hängenden Ventilen (OHV-Motoren) im Vergleich zu Motoren ohne OHV-Ventile – OHV-Motoren unterscheiden sich von anderen Motoren dadurch, dass die Einlass- und Auslassventile des Motors nicht am Motorblock, sondern im Zylinderkopf des Motors angebracht sind. OHV-Motoren haben mehrere Vorteile gegenüber anderen Motoren, wie z. B:

• Kompakte Bauweise
• Einfacherer Betriebsmechanismus
• Langlebigkeit
• Benutzerfreundlichkeit im Betrieb
• Geringe Geräuschentwicklung während des Betriebs
• Niedrige Emissionswerte

OHV-Motoren sind jedoch auch teurer als andere Motoren.

Gusseisenhülse (CIS) im Motorzylinder – Die CIS ist eine Auskleidung im Zylinder des Motors. Sie verringert den Verschleiß und sorgt für eine lange Lebensdauer des Motors. Die meisten OHV-Motoren sind mit CIS ausgestattet, aber es ist wichtig, den Motor eines Generators auf diese Eigenschaft zu überprüfen. Das CIS ist nicht teuer, spielt aber eine wichtige Rolle für die Haltbarkeit des Motors, vor allem, wenn Sie Ihren Stromerzeuger häufig oder über lange Zeiträume hinweg verwenden müssen.

Lichtmaschine

Die Lichtmaschine, auch “Generator” genannt, ist der Teil des Generators, der die elektrische Leistung aus der vom Motor gelieferten mechanischen Leistung erzeugt. Er besteht aus einer Reihe von festen und beweglichen Teilen, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Die Komponenten wirken zusammen, um eine relative Bewegung zwischen dem magnetischen und dem elektrischen Feld zu bewirken, wodurch wiederum Strom erzeugt wird.

1. Stator – Dies ist die stationäre Komponente. Er enthält eine Reihe von elektrischen Leitern, die in Spulen über einen Eisenkern gewickelt sind.
2. Rotor / Anker – Dies ist das bewegliche Bauteil, das ein rotierendes Magnetfeld auf eine der folgenden drei Arten erzeugt:

(i) Durch Induktion – Diese sind als bürstenlose Generatoren bekannt und werden normalerweise in großen Generatoren verwendet.
(ii) Durch Permanentmagnete – Dies ist bei kleinen Generatoren üblich.
(iii) Mit einem Erreger – Ein Erreger ist eine kleine Gleichstromquelle, die den Rotor über eine Anordnung von leitenden Schleifringen und Bürsten erregt.

Der Rotor erzeugt ein sich bewegendes Magnetfeld um den Stator, das eine Spannungsdifferenz zwischen den Wicklungen des Stators induziert. Dadurch wird der Wechselstrom (AC) des Generators erzeugt.

Bei der Beurteilung der Lichtmaschine eines Generators sind die folgenden Faktoren zu beachten:

1. Metall- versus Kunststoffgehäuse – Eine Ganzmetallkonstruktion gewährleistet die Haltbarkeit des Generators. Kunststoffgehäuse werden mit der Zeit verformt und führen dazu, dass die beweglichen Teile des Generators freiliegen. Dies erhöht den Verschleiß und, was noch wichtiger ist, es ist gefährlich für den Benutzer.
2. Kugellager gegenüber Nadellagern – Kugellager sind vorzuziehen und halten länger.
3. Bürstenloses Design – Ein Generator, der keine Bürsten verwendet, ist wartungsärmer und erzeugt zudem eine sauberere Leistung.

Kraftstoffsystem

Der Kraftstofftank hat in der Regel ein ausreichendes Fassungsvermögen, um den Generator durchschnittlich 6 bis 8 Stunden lang in Betrieb zu halten. Bei kleinen Stromaggregaten ist der Kraftstofftank Teil des Kufengestells des Generators oder wird oben auf den Generatorrahmen montiert. Für kommerzielle Anwendungen kann es erforderlich sein, einen externen Kraftstofftank zu errichten und zu installieren. Alle derartigen Installationen bedürfen der Genehmigung durch die Stadtplanungsabteilung. Klicken Sie auf den folgenden Link, um weitere Einzelheiten zu Kraftstofftanks für Stromerzeuger zu erfahren.

Zu den gemeinsamen Merkmalen des Kraftstoffsystems gehören die folgenden:

1. Rohrverbindung vom Kraftstofftank zum Motor – Die Vorlaufleitung leitet den Kraftstoff vom Tank zum Motor und die Rücklaufleitung leitet den Kraftstoff vom Motor zum Tank.
2. Entlüftungsleitung für den Kraftstofftank – Der Kraftstofftank verfügt über eine Entlüftungsleitung, um den Aufbau von Druck oder Unterdruck beim Befüllen und Entleeren des Tanks zu verhindern. Achten Sie beim Nachfüllen des Kraftstofftanks auf einen metallischen Kontakt zwischen dem Einfüllstutzen und dem Kraftstofftank, um Funkenbildung zu vermeiden.
3. Überlaufanschluss vom Kraftstofftank zum Abflussrohr – Dies ist erforderlich, damit ein Überlaufen beim Nachfüllen des Tanks nicht zu einem Verschütten der Flüssigkeit auf den Generator führt.
4. Kraftstoffpumpe – Sie befördert den Kraftstoff vom Haupttank zum Tagestank. Die Kraftstoffpumpe wird in der Regel elektrisch betrieben.
5. Kraftstoff-Wasserabscheider / Kraftstofffilter – Er trennt Wasser und Fremdkörper vom flüssigen Kraftstoff, um andere Komponenten des Generators vor Korrosion und Verunreinigung zu schützen.
6. Kraftstoffeinspritzdüse – Sie zerstäubt den flüssigen Kraftstoff und spritzt die erforderliche Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer des Motors.

Spannungsregler

Wie der Name schon sagt, regelt diese Komponente die Ausgangsspannung des Generators. Im Folgenden wird der Mechanismus für jede Komponente beschrieben, die im zyklischen Prozess der Spannungsregelung eine Rolle spielt.

1. Spannungsregler: Umwandlung von Wechselspannung in Gleichstrom – Der Spannungsregler nimmt einen kleinen Teil der vom Generator abgegebenen Wechselspannung auf und wandelt sie in Gleichstrom um. Der Spannungsregler speist dann diesen Gleichstrom in eine Reihe von Sekundärwicklungen im Stator ein, die so genannten Erregerwicklungen.
2. Erregerwicklungen: Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom – Die Erregerwicklungen funktionieren nun ähnlich wie die primären Statorwicklungen und erzeugen einen kleinen Wechselstrom. Die Erregerwicklungen sind mit Einheiten verbunden, die als rotierende Gleichrichter bekannt sind.
3. Rotierende Gleichrichter: Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom – Sie gleichrichten den von den Erregerwicklungen erzeugten Wechselstrom und wandeln ihn in Gleichstrom um. Dieser Gleichstrom wird in den Rotor/Anker eingespeist, um ein elektromagnetisches Feld zusätzlich zum rotierenden Magnetfeld des Rotors/Ankers zu erzeugen.
4. Rotor/Anker: Umwandlung von Gleichstrom in Wechselspannung – Der Rotor/Anker induziert nun eine größere Wechselspannung in den Wicklungen des Stators, die der Generator nun als größere Ausgangswechselspannung erzeugt.

Dieser Zyklus setzt sich fort, bis der Generator beginnt, eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die seiner vollen Betriebskapazität entspricht. Mit zunehmender Leistung des Generators erzeugt der Spannungsregler weniger Gleichstrom. Sobald der Generator seine volle Betriebskapazität erreicht hat, erreicht der Spannungsregler einen Gleichgewichtszustand und erzeugt gerade so viel Gleichstrom, dass die Ausgangsleistung des Generators auf dem vollen Betriebsniveau gehalten wird.

Wenn Sie einen Generator belasten, sinkt die Ausgangsspannung ein wenig ab. Dadurch wird der Spannungsregler aktiv und der oben beschriebene Zyklus beginnt. Dieser Zyklus setzt sich fort, bis die Ausgangsleistung des Generators wieder die volle Betriebskapazität erreicht hat.

Kühlung und Abgassystem

Kühlsystem

Die kontinuierliche Nutzung des Generators führt dazu, dass sich seine verschiedenen Komponenten erhitzen. Um die dabei entstehende Wärme abzuführen, ist ein Kühl- und Belüftungssystem unerlässlich.

Roh-/Frischwasser wird manchmal als Kühlmittel für Generatoren verwendet, aber dies ist meist auf bestimmte Situationen beschränkt, wie z. B. kleine Generatoren in städtischen Anwendungen oder sehr große Einheiten über 2250 kW und darüber. Wasserstoff wird manchmal als Kühlmittel für die Statorwicklungen großer Generatoren verwendet, da er die Wärme effizienter absorbiert als andere Kühlmittel. Wasserstoff entzieht dem Generator Wärme und leitet sie über einen Wärmetauscher in einen sekundären Kühlkreislauf, der entmineralisiertes Wasser als Kühlmittel enthält. Aus diesem Grund haben sehr große Generatoren und kleine Kraftwerke oft große Kühltürme neben sich. Bei allen anderen üblichen Anwendungen, sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich, wird ein Standardkühler und -lüfter am Generator montiert und dient als primäres Kühlsystem.

Es ist wichtig, den Kühlmittelstand des Generators täglich zu überprüfen. Das Kühlsystem und die Seewasserpumpe sollten alle 600 Betriebsstunden und der Wärmetauscher alle 2.400 Betriebsstunden des Generators gereinigt werden. Der Generator sollte in einem offenen und belüfteten Bereich mit ausreichender Frischluftzufuhr aufgestellt werden. Der National Electric Code (NEC) schreibt vor, dass auf allen Seiten des Generators ein Mindestabstand von 3 Fuß eingehalten werden muss, um einen freien Fluss der Kühlluft zu gewährleisten.

Abgassystem

Die von einem Generator ausgestoßenen Abgase sind genau wie die Abgase jedes anderen Diesel- oder Benzinmotors und enthalten hochgiftige Chemikalien, die ordnungsgemäß behandelt werden müssen. Daher ist es unerlässlich, ein angemessenes Abgassystem zu installieren, um die Abgase zu entsorgen. Dieser Punkt kann nicht oft genug betont werden, denn Kohlenmonoxidvergiftungen sind nach wie vor eine der häufigsten Todesursachen in Gebieten, die von Wirbelstürmen heimgesucht wurden, weil die Menschen nicht daran denken, bis es zu spät ist.

Auspuffrohre werden in der Regel aus Gusseisen, Schmiedeeisen oder Stahl hergestellt. Sie müssen freistehend sein und sollten nicht vom Motor des Generators getragen werden. Die Abgasrohre werden in der Regel mit flexiblen Verbindungsstücken am Motor befestigt, um Vibrationen zu minimieren und Schäden an der Abgasanlage des Generators zu vermeiden. Das Abgasrohr endet im Freien und führt nicht zu Türen, Fenstern oder anderen Öffnungen des Hauses oder Gebäudes. Stellen Sie sicher, dass das Abgassystem Ihres Generators nicht mit dem anderer Geräte verbunden ist. Sie sollten auch die örtlichen Stadtverordnungen konsultieren, um festzustellen, ob Ihr Generatorbetrieb von den örtlichen Behörden genehmigt werden muss, um sicherzustellen, dass Sie die örtlichen Gesetze einhalten und sich vor Bußgeldern und anderen Strafen schützen.

Schmiersystem

Da der Generator über bewegliche Teile in seinem Motor verfügt, muss er geschmiert werden, um eine lange Lebensdauer und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Der Motor des Generators wird durch Öl geschmiert, das in einer Pumpe gelagert wird. Sie sollten den Stand des Schmieröls alle 8 Betriebsstunden des Generators überprüfen. Prüfen Sie außerdem, ob Schmiermittel austritt, und wechseln Sie das Schmieröl alle 500 Betriebsstunden des Generators.

Batterieladegerät

Die Startfunktion eines Generators ist batteriebetrieben. Das Batterieladegerät hält die Batterie des Generators geladen, indem es sie mit einer präzisen “Erhaltungsspannung” versorgt. Wenn die Erhaltungsspannung sehr niedrig ist, bleibt die Batterie unterladen. Ist die Erhaltungsspannung sehr hoch, verkürzt dies die Lebensdauer der Batterie. Batterieladegeräte sind in der Regel aus rostfreiem Stahl gefertigt, um Korrosion zu vermeiden. Sie sind außerdem vollautomatisch und erfordern keine Anpassungen oder Änderungen der Einstellungen. Die Gleichstrom-Ausgangsspannung des Batterieladegeräts ist auf 2,33 Volt pro Zelle eingestellt, was der genauen Erhaltungsspannung für Bleibatterien entspricht. Das Batterieladegerät hat einen isolierten Gleichspannungsausgang, der die normale Funktion des Generators nicht beeinträchtigt.

Bedienfeld

Das Bedienfeld ist die Benutzerschnittstelle des Generators und enthält Steckdosen und Bedienelemente. Der folgende Artikel enthält weitere Einzelheiten über das Bedienfeld des Generators. Die verschiedenen Hersteller bieten unterschiedliche Funktionen in den Bedienfeldern ihrer Geräte an. Einige davon sind im Folgenden aufgeführt.

1. Elektrischer Start und Abschaltung – Autostart-Bedienfelder starten Ihren Generator bei einem Stromausfall automatisch, überwachen ihn während des Betriebs und schalten ihn automatisch ab, wenn er nicht mehr benötigt wird.
2. Motorinstrumente – Verschiedene Instrumente zeigen wichtige Parameter wie Öldruck, Temperatur des Kühlmittels, Batteriespannung, Motordrehzahl und Betriebsdauer an. Die ständige Messung und Überwachung dieser Parameter ermöglicht eine integrierte Abschaltung des Generators, wenn einer dieser Parameter den jeweiligen Schwellenwert überschreitet.
3. Generatoranzeigen – Das Bedienfeld verfügt auch über Messgeräte für Ausgangsstrom und -spannung sowie die Betriebsfrequenz.
4. Andere Bedienelemente – Phasenwahlschalter, Frequenzschalter und Motorsteuerungsschalter (manueller Modus, Automatikmodus) und andere.

Hauptbaugruppe/Rahmen

Alle Generatoren, ob tragbar oder stationär, verfügen über ein maßgeschneidertes Gehäuse, das eine strukturelle Basis bildet. Der Rahmen ermöglicht auch die Erdung des Generators aus Sicherheitsgründen.