Generatorul electric - principii de functionare si modele de lucru

Din gama echipamentelor utile in cadrul unei gospodarii sau ferme nu poate lipsi un generator electric. Acest echipament este folosit in cazuri de urgenta, cand alimentarea cu electricitate este intrerupta din cauza unei pene de curent sau din cauza unor fenomene naturale violente. De asemenea, generatoarele portabile sunt folosite in orice situatii in care alimentarea cu energie electrica de la retea este imposibila in locatia unde, de exemplu, este nevoie de realizarea unor lucrari care implica folosirea de unelte electrice pentru diverse scenarii de lucru in constructii sau reparatii. 

Dar, se poate pune intrebarea cum poate un astfel de aparat sa produca electricitatea de care ai nevoie si care sunt principiile care stau la baza functionarii acestuia. Tocmai despre aceste lucruri si despre alte detalii interesante vei afla in continuarea acestui articol. 

Intr-o definitie sumara, un generator electric este un aparat care are capacitatea de a transforma energia mecanica in electricitate. Daca luam in considerare faptul ca motoarele electrice transforma energia electrica in lucru mecanic se poate spune, fara a gresi prea mult, ca un generator seamana cu un motor electric cu functionare inversa. De fapt, intre cele doua dispozitive nu exista diferente fundamentale nici in privinta componentelor si nici in privinta principiilor fizicii aplicabile. 

Principalele caracteristici ale unui generator electric dupa care se pot diferentia diverse modele in functie de nevoile concrete sau de scenariile de lucru in care vor fi folosite sunt: 

• Puterea generata 

Exista generatoare electrice care pot furniza curent electric de diverse puteri. Astfel, alegerea unui generator trebuie facuta in functie de suma tuturor consumatorilor care pot functiona la un moment dat. De exemplu, daca acelasi generator va trebui sa alimenteze o serie de consumatori casnici (frigider, masina de spalat, iluminat, dar si folosirea unor unelte electrice) puterea necesara dupa care va trebui sa alegi un model este rezultatul sumei puterilor necesare pentru functionarea tuturor aparatelor preconizate. 

• Combustibilul folosit 

Deoarece un generator se foloseste de energia mecanica pe care o transforma in energie electrica, este necesar ca un motor termic sa poata furniza lucrul mecanic necesar. Acest motor termic poate fi alimentat cu benzina, motorina si chiar GPL. Desigur, exista si modele de generatoare electrice alimentate cu gaze naturale, iar modelele de generatoare folosite pentru producerea energiei electrice de nivel industrial sunt alimentate cu lucrul mecanic provenit din forta arderii carbunilor, pacurii, petrolului in cazul termocentralelor sau prin forta apelor sau a vantului in cazul hidrocentralelor sau a centralelor eoliene. 

• Portabilitatea 

Generatoarele electrice cu aplicatii in gospodarie, constructii sau in agricultura sunt compacte, au o greutate mica sau medie si pot fi mutate cu usurinta dintr-un loc in altul, dupa nevoie. Unele generatoare electrice sunt prevazute si cu roti pentru o manipulare mai usoara. 

In ceea ce priveste componentele unui generator electric acestea sunt comune majoritatii modelelor comercializate. Principalele piese componente ale unui generator electric sunt:

• Motorul termic - care are functia de a furniza lucrul mecanic sau energia mecanica necesara pentru a fi transformata in energie electrica. Motoarele termice ale generatoarelor pot avea puteri diverse. 
• Alternatorul - este piesa care asigura convertirea energiei mecanice in energie electrica. Alternatorul este alcatuit din parti fixe si mobile care, actionand impreuna, genereaza un camp electromagnetic si fluxul de electroni care genereaza, de fapt, electricitatea. 
• Sistemul de functionare a motorului termic - este compus, la fel ca in cazul oricarui alt tip de motor cu ardere interna, din pompa de combustibil, rezervor, filtre, injectoare, bloc motor, sistemul de ungere, baia de ulei, sistemele de racire si de evacuare a gazelor arse, etc.
• Regulatorul de voltaj - este o componenta esentiala care se ocupa de controlul voltajului curentului electric produs de generator.
• Panoul de control - instalat pe modelele mai noi de generatoare asigura accesul la informatii si ofera control asupra operarii echipamentului.
• Carcasa generatorului sau ansamblul de manipulare - asigura fixarea tuturor elementelor componente intr-un tot unitar. Unele generatoare au o carcasa complet inchisa, pe cand alte modele sunt prevazute doar cu un cadru metalic care are atat rol de protectie, cat si rol de inlesnire a manevrabilitatii echipamentului. 

Functionarea generatoarelor electrice tine de principiile inductiei electromagnetice, una dintre cele mai importante parti a electromagnetismului in general. 

Inductia electromagnetica este un fenomen prin care se genereaza o tensiune electromotoare intr-un circuit care este strabatut de un flux magnetic care poate varia in timp. Fenomenul de inductie electromagnetica a fost studiat de catre fizicianul englez Michael Faraday la inceputul secolului al XIX-lea, care a si experimentat primul prototip de generator electric in anul 1831, prototip cunoscut in lumea fizicii drept “discul lui Faraday”. 

Faraday a observat ca tensiunea electromotoare apare in momentul miscarii unei bobine intr-un camp magnetic generat de un magnet. De asemenea, aceeasi tensiune apare si in cazul in care magnetul este miscat in raport cu bobina. Astfel, s-a ajuns la formularea legii inductiei, denumita dupa cel care a descoperit acest principiu al fizicii, “Legea lui Faraday”.

In esenta, Legea lui Faraday poate fi enuntata astfel: “Tensiunea electromotoare indusa intr-un circuit este egala cu viteza de variatie a fluxului magnetic prin suprafata acelui circuit luata cu semn schimbat”.  Din punct de vedere matematic, legea care sta la baza functionarii generatoarelor electrice poate fi exprimata astfel:

Ɛ = - ⅆⲫB / ⅆ𝒕

Unde Ɛ reprezinta tenesiunea electromotoare iar ⲫB reprezinta fluxul magnetic. Merita retinut ca legea lui Faraday este valabila doar in cazul unui circuit inchis si nu are valabilitate in alte circumstante. Fundamentarea matematica a principiului inductiei electromagnetice a fost realizata, ceva mai tarziu, de catre fizicianul James Maxwell care a enuntat celebrele ecuatii generale ale campului electromagnetic.

Principiul inductiei electromagnetice asigura functionarea generatoarelor electrice si producerea unei cantitati de energie electrica de o anumita putere in functie de caracteristicile modelului de generator. 

Miscarea conductorului electric in campul magnetic care conduce practic la generarea curentului electric in materialul din care este confectionat conductorul este generata de motorul termic al generatorului care functioneaza pe baza arderii unui combustibil, in cele mai dese situatii, benzina. 
Alternatorul generatorului electric este componenta esentiala a echipamentului, responsabila, in mod concret de generarea electricitatii. 

Componenta de baza a alternatorului este rotorul - o piesa care se roteste beneficiind de lucrul mecanic provenit de la motorul termic. Rotorul este alcatuit din magneti permanenti dispusi circular. Astfel, se creeaza un camp magnetic continuu de o anumita intensitate. Rotorul si, implicit, campul magnetic creat de acesta se invart in jurul unei alte piese importante a alternatorului si anume statorul. Statorul poate fi confectionat din diverse materiale conductoare din punct de vedere electric care sunt strans bobinate in jurul unui miez metalic. Acest ansamblu poarta, in mod popular, denumirea de bobina. 

Pe baza principiului inductiei electromagnetice, rotatia rotorului in jurul statorului rezulta in inducerea unui curent electric. Astfel, alternatorul este capabil sa transforme energia mecanica produsa de motorul termic al generatorului cu ajutorul careia este invartit rotorul in energie electrica rezultata din interactiunea campului magnetic creat cu statorul sau bobina. 

Generatoarele electrice pot fi clasificate in doua mari categorii: generatoare de curent alternativ (AC) si generatoare de curent continuu (DC).

• Generatoarele de curent alternativ (AC) 

Aceste tipuri de generatoare electrice sunt cele mai comune tipuri intalnite. La randul lor, aceste echipamente se clasifica in generatoare pe inductie si generatoare sincronice. 

Generatoarele pe inductie pot fi bifazice sau trifazice. Generatoarele bifazice produc doua voltaje diferite ale curentului electric, ficare voltaj apartinand unei faze si este generat independent de celalalt. Generatoarele trifazice produc trei voltaje monofazice spatiate in directii distantate la 120 de grade unul fata de celalalt. 

Generatoarele sincronice sunt de mari dimensiuni si sunt folosite mai ales in generarea industriala de energie electrica - in cazul centralelor. La fel ca si generatoarele pe inductie, generatoarele sincronice pot functiona pe baza rotirii campului magnetic in jurul bobinei sau pe baza rotirii bobinei in campul magnetic. Echipamentele cu rotire a campului magnetic sunt mult mai raspandite gratie capacitatii de a produce curent electric de inalta putere.

Avantajele unui generator electric de curent alternativ sunt multiple:

- Echipamentele nu solicita intretinere deoarece sunt lipsite perii care se pot uza;
- Sunt mult mai compacte fata de generatoarele de curent continuu 
- Pierderile de energie sunt ceva mai mici decat in cazul generatoarelor de curent continuu 

• Generatoarele de curent continuu (DC)

Aceste tipuri de generatoare electrice ofera curent electric direct reteaua electrica fara nevoia unui alt echipament. Generatoarele de curent continuu pot fi cu magnet permanent, cu excitator separat sau cu excitator propriu. 

• Generatoarele portabile 

Aceste echipamente constituie unele dintre cele mai comune si raspandite aplicatii ale principiului inductiei eletromagnetice. Generatoarele electrice portabile sunt utilizate in diverse scenarii de lucru sau in gospodarii, ferme sau in zone unde nu exista posibilitatea cuplarii la o retea electrica. 

• Generatoarele industriale

Echipamentele din gama generatoarelor industriale au capacitatea de a furniza electricitatea necesara la nivelul unui consum mare. De exemplu, aceste echipamente pot asigura energia electrica necesara unei uzine, unei zone rezidentiale intregi, sau unor cladiri de mari dimensiuni, asa cum este cazul, de exemplu al unui spital sau baze militare. 

• Generatoarele de rezerva 

Aceste generatoare electrice sunt parte integranta a unui sistem electric si incep sa functioneze doar atunci cand primesc un semnal ca reteaua electrica are pierderi de putere. Practic, ele actioneaza ca un veritabil sistem de compensare, in mod complet automat oferind curent electric stabil si in mod continuu. Sunt folosite mai ales pentru zone sensibile care trebuie sa functioneze si sa fie alimentate cu energie electrica non-stop: iluminat, lifturi, echipamente de mentinere a unui ambient propice vietii, sisteme de protectie la incendii, sisteme medicale de mentinere a vietii, etc. 

• Generatoarele cu invertor 

Sunt echipamente de mici dimensiuni care folosesc un rectificator cu rolul de a transforma curentul aletrantiv in curent continuu ( AC-DC). Sunt mai ales folosite pentru camping, navigatie, pentru functionarea frigiderelor si a aparatelor de aer conditionat. 

In functie de combustibilul utilizat pentru functionarea motorului termic din componenta, generatoarele electrice se pot clasifica in: 

- Diverse modele de generatoare pe benzina care sunt portabile si usor de manipulat; 
- Generatoare diesel, pe motorina, care sunt folosite in aplicatii mai avansate decat cele de uz gospodaresc;
- Generatoare pe gaz natural care sunt folosite in aplicatii industriale.

In concluzie, generatoarele electrice sunt echipamente utile care nu ar trebui sa lipseasca din inventarul unei gospodarii pentru a preintampina eventualele pene de electricitate sau din inventarul de echipamente al unui profesionist care foloseste o gama variata de unelte electrice si care nu trebuie sa depinda de existenta unei retele electrice in zonele de lucru. 

Sursa foto: Pixabay.com