Cum funcționează generatoarele AC și DC?

Termenul „generație” în inginerie electrică provine din limba latină. Înseamnă „naștere”. În ceea ce privește energia, putem spune că generatoarele sunt dispozitive tehnice care generează energie electrică.

În acest caz, trebuie remarcat faptul că curentul electric poate fi produs prin conversia diferitelor tipuri de energie, de exemplu:

• chimic;

• ușoară;

• termice si altele.

Din punct de vedere istoric, generatoarele sunt structuri care convertesc energia cinetică de rotație în electricitate.

După tipul de energie electrică generată, generatoarele sunt:

1. curent continuu;

2. variabilă.

Principiul de funcționare al celui mai simplu generator

Legile fizice care fac posibilă crearea de instalații electrice moderne pentru generarea de energie electrică prin transformarea energiei mecanice au fost descoperite de oamenii de știință Oersted și Faraday.

Se aplică orice proiect de generator principiul inducției electromagneticecând există o inducție a unui curent electric într-un cadru închis datorită intersecției acestuia cu un câmp magnetic rotativ care este creat magneți permanenți în modele simplificate pentru uz casnic sau bobine de excitare pe produse industriale cu putere crescută.

Când rotiți cadrul, mărimea fluxului magnetic se modifică.

Forța electromotoare indusă în buclă depinde de viteza de modificare a fluxului magnetic care pătrunde în bucla într-o buclă închisă S și este direct proporțională cu valoarea acestuia. Cu cât rotorul se rotește mai repede, cu atât este mai mare tensiunea generată.

Pentru a crea o buclă închisă și a devia curentul electric din aceasta, a fost necesar să se creeze un colector și o perie care să asigure un contact constant între cadrul rotativ și o parte staționară a circuitului.

Datorita constructiei periilor cu arc presate pe placile colectoare, curentul electric este transmis la bornele de iesire si de la acestea trece in reteaua consumatorului.

Principiul de funcționare al celui mai simplu generator de curent continuu

Pe măsură ce cadrul se rotește în jurul axei, jumătățile sale din stânga și din dreapta circulă în jurul polilor sud sau nord ai magneților. De fiecare dată în ele are loc o schimbare a direcției curenților în sens invers, astfel încât la fiecare pol să curgă într-o singură direcție.

Pentru a crea un curent continuu în circuitul de ieșire, se creează o jumătate de inel la nodul colector pentru fiecare jumătate a bobinei. Periile adiacente inelului elimină doar potențialul semnului lor: pozitiv sau negativ.

Deoarece semi-inelul cadrului rotativ este deschis, în el se creează momente când curentul atinge valoarea maximă sau este absent. Pentru a menține nu numai direcția, ci și o valoare constantă a tensiunii generate, cadrul este realizat după o tehnologie special pregătită:

• folosește nu o bobină, ci mai multe - în funcție de mărimea tensiunii planificate;

• numărul de cadre nu se limitează la o singură copie: ele încearcă să facă un număr suficient pentru a menține în mod optim căderea de tensiune la același nivel.

În generatorul de curent continuu, înfășurările rotorului sunt situate în fante circuit magnetic… Acest lucru permite reducerea pierderii câmpului electromagnetic indus.

Caracteristicile de proiectare ale generatoarelor de curent continuu

Principalele elemente ale dispozitivului sunt:

• cadru extern de alimentare;

• poli magnetici;

• stator;

• rotor rotativ;

• bloc comutator cu perii.

Cadru din aliaje de oțel sau fontă pentru a conferi rezistență mecanică structurii generale. O sarcină suplimentară a carcasei este transferul fluxului magnetic între poli.

Stalpi de magneți atașați la corp cu știfturi sau șuruburi. Pe ele este montată o bobină.

Un stator, numit și jug sau schelet, este realizat din materiale feromagnetice. Pe ea este plasată bobina bobinei de excitație. Miez de stator echipat cu poli magnetici care formează câmpul magnetic al acestuia.

Rotorul are un sinonim: ancora. Miezul său magnetic este format din plăci laminate care reduc formarea de curenți turbionari și cresc eficiența. Rotorul și/sau înfășurările cu autoexcitare sunt așezate în canalele de miez.

Un nod de comutare cu perii, poate avea un număr diferit de poli, dar este întotdeauna un multiplu de doi. Materialul periei este de obicei grafit. Plăcile colectoare sunt realizate din cupru, ca fiind cel mai optim metal potrivit pentru proprietățile electrice ale conducției curentului.

Datorită utilizării unui comutator, un semnal pulsatoriu este generat la bornele de ieșire ale generatorului de curent continuu.

Principalele tipuri de construcții ale generatoarelor de curent continuu

În funcție de tipul de alimentare a bobinei de excitare, dispozitivele se disting:

1. cu autoexcitare;

2. operand pe baza incluziunii independente.

Primele produse pot:

• utilizați magneți permanenți;

• sau să funcționeze din surse externe, de exemplu baterii, turbine eoliene...

Generatoarele cu comutare independentă funcționează din propria înfășurare, care poate fi conectată:

• secvenţial;

• șunturi sau excitație paralelă.

Una dintre opțiunile pentru o astfel de conexiune este prezentată în diagramă.

Un exemplu de generator de curent continuu este un design care a fost adesea folosit în inginerie auto în trecut. Structura sa este aceeași cu cea a unui motor cu inducție.

Astfel de structuri colectoare pot funcționa simultan în modul motor sau generator. Din această cauză, acestea s-au răspândit în vehiculele hibride existente.

Procesul de formare a ancorei

Acest lucru se întâmplă în modul inactiv când presiunea periei este reglată incorect, creând un mod de frecare suboptim. Acest lucru poate duce la o reducere a câmpurilor magnetice sau la un incendiu din cauza scânteilor crescute.

Modalitățile de reducere sunt:

• compensarea câmpurilor magnetice prin conectarea unor poli suplimentari;

• reglarea decalajului poziției periilor colectoare.

Avantajele generatoarelor de curent continuu

Ei includ:

• fără pierderi datorate histerezisului și formării de curenți turbionari;

• munca in conditii extreme;

• greutate redusă și dimensiuni reduse.

Principiul de funcționare al celui mai simplu alternator

În interiorul acestui design, sunt utilizate aceleași detalii ca în analogul anterior:

• camp magnetic;

• cadru rotativ;

• bloc colector cu perii de scurgere a curentului.

Principala diferență constă în designul ansamblului colector, care este proiectat astfel încât, atunci când cadrul se rotește prin perii, contactul să se realizeze în mod constant cu jumătatea cadrului fără a schimba ciclic poziția acestora.

Prin urmare, curentul, care se modifică conform legilor armonicelor în fiecare jumătate, este transferat complet neschimbat pe perii, iar apoi prin ele către circuitul de consum.

Desigur, cadrul este creat prin înfășurarea nu dintr-o tură, ci un număr calculat al acestora pentru a obține tensiunea optimă.

Astfel, principiul de funcționare al generatoarelor DC și AC este comun, iar diferențele de proiectare sunt în producția de:

• ansamblu colector cu rotor rotativ;

• configurația înfășurării rotorului.

Caracteristici de proiectare ale alternatoarelor industriale

Luați în considerare părțile principale ale unui generator industrial de inducție în care rotorul primește mișcare de rotație de la o turbină din apropiere. Construcția statorului include un electromagnet (deși câmpul magnetic poate fi creat de un set de magneți permanenți) și o înfășurare rotorică cu un anumit număr de spire.

În fiecare buclă este indusă o forță electromotoare, care se adaugă succesiv în fiecare dintre ele și formează la bornele de ieșire valoarea totală a tensiunii furnizate circuitului de alimentare al consumatorilor conectați.

Pentru a crește amplitudinea EMF la ieșirea generatorului, se utilizează un design special al sistemului magnetic, realizat din două circuite magnetice, datorită utilizării unor clase speciale de oțel electric sub formă de plăci laminate cu canale. În interiorul lor sunt instalate bobine.

În carcasa generatorului, există un miez de stator cu canale pentru a găzdui o bobină care creează un câmp magnetic.

Rotorul care se rotește pe rulmenți are și un circuit magnetic cu fante în interiorul căruia este montată o bobină care primește un EMF indus. De obicei, direcția orizontală este aleasă pentru axa de rotație, deși există generatoare cu o aranjare verticală și designul corespunzător al rulmenților.

Se creează întotdeauna un spațiu între stator și rotor, care este necesar pentru a asigura rotația și a preveni blocarea. Dar, în același timp, există o pierdere de energie de inducție magnetică în el. Prin urmare, încearcă să o facă cât mai mică, ținând cont de ambele cerințe într-un mod optim.

Situat pe același arbore cu rotorul, excitatorul este un generator de curent continuu de putere relativ mică. Scopul său: furnizarea de energie electrică a înfășurărilor unui generator de energie în stare de excitație independentă.

Astfel de excitatoare sunt cel mai adesea utilizate cu modele de turbină sau generatoare hidraulice atunci când se creează o metodă primară sau de rezervă de excitare.

Fotografia unui generator industrial arată aranjarea inelelor colectoare și a periilor pentru a capta curenții dintr-o structură rotativă a rotorului. În timpul funcționării, acest dispozitiv este supus unui stres mecanic și electric constant. Pentru a le depăși, se creează o structură complexă, care în timpul funcționării necesită verificări periodice și măsuri preventive.

Pentru a reduce costurile de operare generate, se folosește o tehnologie diferită, alternativă, care folosește și interacțiunea dintre câmpurile electromagnetice rotative. Pe rotor sunt plasați doar magneți permanenți sau electrici și tensiunea este îndepărtată din bobina staționară.

Când se creează un astfel de circuit, o astfel de structură poate fi numită termenul „alternator”. Se folosește la generatoarele sincrone: înaltă frecvență, auto, locomotive și nave diesel, instalații de centrale electrice pentru producerea de energie electrică.

Caracteristicile generatoarelor sincrone

Principiul de funcționare

Denumirea și trăsătura distinctivă a acțiunii constă în crearea unei conexiuni rigide între frecvența forței electromotoare alternante induse în înfășurarea statorului «f» și rotația rotorului.

În stator este montată o înfășurare trifazată, iar pe rotor există un electromagnet cu un miez și o înfășurare excitantă alimentată de circuite de curent continuu printr-un colector de perii.

Rotorul este antrenat în rotație de o sursă de energie mecanică - un motor de antrenare la aceeași viteză. Câmpul său magnetic face aceeași mișcare.

Forțe electromotoare de aceeași mărime, dar deplasate cu 120 de grade în direcție sunt induse în înfășurările statorului, creând un sistem simetric trifazat.

Când sunt conectate la capetele înfășurărilor circuitelor de consum, în circuit încep să acționeze curenți de fază, care formează un câmp magnetic care se rotește în același mod: sincron.

Forma semnalului de ieșire al EMF indus depinde numai de legea de distribuție a vectorului de inducție magnetică în golul dintre polii rotorului și plăcile statorului. Prin urmare, ei caută să creeze un astfel de design atunci când magnitudinea inducției se modifică conform unei legi sinusoidale.

Când decalajul este constant, vectorul fluxului din interiorul golului este trapezoidal, așa cum se arată în graficul linie 1.

Cu toate acestea, dacă forma franjurilor de la poli este corectată pentru a fi deformată prin schimbarea decalajului la valoarea maximă, atunci este posibil să se obțină o formă sinusoidală a distribuției așa cum se arată în linia 2. Această tehnică este utilizată în practică.

Circuite de excitare pentru generatoare sincrone

Forța magnetomotoare care apare pe înfășurarea de excitație a rotorului «OB» creează câmpul magnetic al acestuia. Pentru aceasta, există diferite modele de excitatoare DC bazate pe:

1. metoda de contact;

2. metoda fara contact.

În primul caz, se folosește un generator separat numit excitator «B». Bobina sa de excitație este alimentată de un generator suplimentar conform principiului excitației paralele, numit excitator „PV”.

Toate rotoarele sunt amplasate pe un arbore comun. Prin urmare, ele se rotesc exact în același mod. Reostatele r1 și r2 sunt utilizate pentru reglarea curenților din circuitele de excitare și amplificatoare.

Cu metoda fără contact, nu există inele colectoare pe rotor. O înfășurare de excitație trifazată este montată direct pe ea. Se rotește sincron cu rotorul și transmite curent electric direct prin redresorul co-rotativ direct către înfășurarea excitatorului «B».

Tipurile de circuite fără contact sunt:

1. sistem de autoexcitare din înfăşurarea proprie a statorului;

2. schema automatizata.

În prima metodă, tensiunea de la înfășurările statorului este alimentată la transformatorul descendente și apoi la redresorul semiconductor «PP», care generează curent continuu.

Cu această metodă, excitația inițială este creată datorită fenomenului de magnetism rezidual.

Schema automată pentru crearea autoexcitației implică utilizarea:

• transformator de tensiune VT;

• regulator de excitație automat ATS;

• transformator de curent TT;

• redresor VT;

• convertor tiristor TP;

• bloc de protectie BZ.

Caracteristicile generatoarelor asincrone

Principala diferență dintre aceste modele este lipsa unei relații rigide între viteza rotorului (nr) și EMF indus în bobină (n). Există întotdeauna o diferență între ele, care se numește „alunecare”. Se notează cu litera latină „S” și se exprimă prin formula S = (n-nr) / n.

Când sarcina este conectată la generator, se creează un cuplu de frânare pentru a întoarce rotorul. Afectează frecvența EMF generată, creează o alunecare negativă.

Construcția rotorului pentru generatoare asincrone se realizează:

• scurt circuit;

• fază;

• gol.

Generatoarele asincrone pot avea:

1. excitare independentă;

2. autoexcitare.

În primul caz, se utilizează o sursă externă de tensiune AC, iar în al doilea, convertoare sau condensatoare semiconductoare sunt utilizate în circuitele primare, secundare sau ambele tipuri.

Astfel, alternatoarele și generatoarele de curent continuu au multe în comun în principiile de construcție, dar diferă în proiectarea anumitor elemente.