Ako fungujú AC a DC generátory?

Pojem „generácia“ v elektrotechnike pochádza z latinského jazyka. Znamená to „narodenie“. Pokiaľ ide o energiu, môžeme povedať, že generátory sú technické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu.

V tomto prípade je potrebné poznamenať, že elektrický prúd môže byť vyrobený premenou rôznych druhov energie, napríklad:

• chemický;

• svetlo;

• termálne a iné.

Historicky sú generátory štruktúry, ktoré premieňajú kinetickú energiu rotácie na elektrinu.

Podľa typu vyrobenej elektriny sú generátory:

1. jednosmerný prúd;

2. premenlivý.

Princíp činnosti najjednoduchšieho generátora

Fyzikálne zákony, ktoré umožňujú vytvárať moderné elektrické inštalácie na výrobu elektriny transformáciou mechanickej energie, objavili vedci Oersted a Faraday.

Platí akýkoľvek návrh generátora princíp elektromagnetickej indukciekeď dochádza k indukcii elektrického prúdu v uzavretom ráme v dôsledku jeho priesečníka s rotujúcim magnetickým poľom, ktoré sa vytvára permanentné magnety v zjednodušených modeloch pre domáce použitie alebo budiace cievky na priemyselných výrobkoch so zvýšeným výkonom.

Keď otočíte lunetou, zmení sa veľkosť magnetického toku.

Elektromotorická sila indukovaná v slučke závisí od rýchlosti zmeny magnetického toku prenikajúceho do slučky v uzavretej slučke S a je priamo úmerná jej hodnote. Čím rýchlejšie sa rotor otáča, tým vyššie je generované napätie.

Aby bolo možné vytvoriť uzavretú slučku a odviesť z nej elektrický prúd, bolo potrebné vytvoriť kolektor a kefu, ktorá poskytuje stály kontakt medzi rotujúcim rámom a stacionárnou časťou obvodu.

Vďaka konštrukcii odpružených kief pritlačených na kolektorové dosky sa elektrický prúd prenáša na výstupné svorky a z nich prechádza do siete spotrebiteľa.

Princíp činnosti najjednoduchšieho generátora jednosmerného prúdu

Keď sa rám otáča okolo osi, jeho ľavá a pravá polovica sa otáča okolo južného alebo severného pólu magnetov. Zakaždým v nich dôjde k zmene smeru prúdov v opačnom smere, takže na každom póle prúdia jedným smerom.

Na vytvorenie jednosmerného prúdu vo výstupnom obvode sa v uzle kolektora vytvorí polkrúžok pre každú polovicu cievky. Štetce priľahlé k krúžku odstraňujú potenciál iba ich znamienka: pozitívne alebo negatívne.

Pretože je polkruh otočného rámu otvorený, vytvárajú sa v ňom momenty, keď prúd dosiahne maximálnu hodnotu alebo chýba. Aby sa zachoval nielen smer, ale aj konštantná hodnota generovaného napätia, je rám vyrobený podľa špeciálne pripravenej technológie:

• nepoužíva jednu cievku, ale niekoľko - v závislosti od veľkosti plánovaného napätia;

• počet snímok nie je obmedzený na jednu kópiu: snažia sa vytvoriť dostatočný počet na optimálne udržanie poklesu napätia na rovnakej úrovni.

V generátore jednosmerného prúdu sú vinutia rotora umiestnené v drážkach magnetický obvod… To umožňuje znížiť stratu indukovaného elektromagnetického poľa.

Konštrukčné vlastnosti generátorov jednosmerného prúdu

Hlavné prvky zariadenia sú:

• externý napájací rám;

• magnetické póly;

• stator;

• rotujúci rotor;

• spínací blok s kefami.

Rám vyrobený z oceľových zliatin alebo liatiny, ktorý dodáva celkovej konštrukcii mechanickú pevnosť. Ďalšou úlohou puzdra je prenášať magnetický tok medzi pólmi.

Póly magnetov pripevnené k telu pomocou kolíkov alebo skrutiek. Na nich je namontovaná cievka.

Stator, tiež nazývaný jarmo alebo kostra, je vyrobený z feromagnetických materiálov. Na ňom je umiestnená cievka budiacej cievky. Jadro statora vybavené magnetickými pólmi tvoriacimi jeho magnetické pole.

Rotor má synonymum: kotva. Jeho magnetické jadro tvoria laminované platne, ktoré znižujú tvorbu vírivých prúdov a zvyšujú účinnosť. Rotor a/alebo samobudiace vinutia sú uložené v kanáloch jadra.

Spínací uzol s kefami, môže mať rôzny počet pólov, ale vždy je násobkom dvoch. Materiál kefy je zvyčajne grafit. Kolektorové dosky sú vyrobené z medi, ako najoptimálnejšieho kovu vhodného pre elektrické vlastnosti vedenia prúdu.

Vďaka použitiu spínača je na výstupných svorkách generátora jednosmerného prúdu generovaný pulzujúci signál.

Hlavné typy konštrukcií generátorov jednosmerného prúdu

Podľa typu napájania budiacej cievky sa rozlišujú zariadenia:

1. so samobudením;

2. fungujúce na základe nezávislej inklúzie.

Prvé produkty môžu:

• používať permanentné magnety;

• alebo fungujú z externých zdrojov, napr. batérie, veterné turbíny...

Nezávisle spínané generátory pracujú z vlastného vinutia, ktoré je možné pripojiť:

• postupne;

• bočníky alebo paralelné budenie.

Jedna z možností takéhoto pripojenia je znázornená na obrázku.

Príkladom jednosmerného generátora je konštrukcia, ktorá sa v minulosti často používala v automobilovom inžinierstve. Jeho štruktúra je rovnaká ako u indukčného motora.

Takéto kolektorové štruktúry môžu pracovať súčasne v režime motora alebo generátora. Z tohto dôvodu sa rozšírili v existujúcich hybridných vozidlách.

Proces tvorby kotvy

K tomu dochádza v režime nečinnosti, keď je tlak kefy nesprávne nastavený, čím sa vytvára suboptimálny režim trenia. To môže viesť k zníženiu magnetických polí alebo požiaru v dôsledku zvýšeného iskrenia.

Spôsoby zníženia sú:

• kompenzácia magnetických polí pripojením ďalších pólov;

• nastavenie odsadenia polohy zberných kefiek.

Výhody DC generátorov

Zahŕňajú:

• bez strát v dôsledku hysterézie a tvorby vírivých prúdov;

• práca v extrémnych podmienkach;

• znížená hmotnosť a malé rozmery.

Princíp činnosti najjednoduchšieho alternátora

Vo vnútri tohto dizajnu sú použité rovnaké detaily ako v predchádzajúcom analógu:

• magnetické pole;

• otočný rám;

• kolektorový blok s kefami na odvod prúdu.

Hlavný rozdiel spočíva v konštrukcii zostavy kolektora, ktorá je navrhnutá tak, že pri otáčaní rámu cez kefy dochádza k neustálemu kontaktu s polovicou rámu bez cyklickej zmeny ich polohy.

Preto sa prúd, ktorý sa mení podľa zákonov harmonických v každej polovici, prenáša úplne nezmenený na kefy a potom cez ne do spotrebiteľského obvodu.

Prirodzene, rám vzniká navíjaním nie z jednej otáčky, ale z ich vypočítaného počtu, aby sa dosiahlo optimálne napnutie.

Princíp činnosti jednosmerných a striedavých generátorov je teda bežný a konštrukčné rozdiely sú vo výrobe:

• zostava zberača rotujúceho rotora;

• konfigurácia vinutia rotora.

Konštrukčné vlastnosti priemyselných alternátorov

Zvážte hlavné časti priemyselného indukčného generátora, v ktorom rotor prijíma rotačný pohyb z neďalekej turbíny. Konštrukcia statora obsahuje elektromagnet (aj keď magnetické pole môže byť vytvorené sústavou permanentných magnetov) a vinutie rotora s určitým počtom závitov.

V každej slučke sa indukuje elektromotorická sila, ktorá sa postupne pridáva do každej z nich a tvorí na výstupných svorkách celkovú hodnotu napätia dodávaného do napájacieho obvodu pripojených spotrebičov.

Na zvýšenie amplitúdy EMF na výstupe generátora sa používa špeciálna konštrukcia magnetického systému, vyrobená z dvoch magnetických obvodov v dôsledku použitia špeciálnych druhov elektroocele vo forme laminovaných dosiek s kanálmi. Vnútri sú nainštalované cievky.

V kryte generátora je jadro statora s kanálmi na umiestnenie cievky, ktorá vytvára magnetické pole.

Rotor otáčajúci sa na ložiskách má tiež štrbinový magnetický obvod, vo vnútri ktorého je namontovaná cievka, ktorá prijíma indukované EMF. Zvyčajne sa pre os otáčania volí horizontálny smer, aj keď existujú generátory s vertikálnym usporiadaním a zodpovedajúcou konštrukciou ložísk.

Medzi statorom a rotorom je vždy vytvorená medzera, ktorá je potrebná na zabezpečenie rotácie a zabránenie zaseknutiu. Ale zároveň v ňom dochádza k strate energie magnetickej indukcie. Snažia sa ho preto robiť čo najmenší, pričom obe požiadavky optimálnym spôsobom zohľadňujú.

Budič, ktorý sa nachádza na rovnakom hriadeli ako rotor, je generátor jednosmerného prúdu s relatívne nízkym výkonom. Jeho účel: dodávať elektrickú energiu do vinutia generátora elektrickej energie v stave nezávislého budenia.

Takéto budiče sa najčastejšie používajú pri konštrukciách turbín alebo hydrogenerátorov pri vytváraní primárneho alebo záložného spôsobu budenia.

Fotografia priemyselného generátora ukazuje usporiadanie zberacích krúžkov a kief na zachytávanie prúdov z rotujúcej konštrukcie rotora. Počas prevádzky je toto zariadenie vystavené neustálemu mechanickému a elektrickému namáhaniu. Na ich prekonanie je vytvorená zložitá štruktúra, ktorá si počas prevádzky vyžaduje pravidelné kontroly a preventívne opatrenia.

Na zníženie vzniknutých prevádzkových nákladov sa používa iná, alternatívna technológia, ktorá využíva aj interakciu medzi rotujúcimi elektromagnetickými poľami. Na rotor sú umiestnené iba permanentné alebo elektrické magnety a napätie je odstránené zo stacionárnej cievky.

Pri vytváraní takéhoto obvodu možno takúto štruktúru nazvať termínom «alternátor». Používa sa v synchrónnych generátoroch: vysokofrekvenčné, automobilové, dieselové lokomotívy a lode, zariadenia elektrární na výrobu elektriny.

Charakteristika synchrónnych generátorov

Princíp fungovania

Názov a charakteristická črta akcie spočíva vo vytvorení pevného spojenia medzi frekvenciou striedavej elektromotorickej sily indukovanej vo vinutí statora «f» a rotáciou rotora.

V statore je namontované trojfázové vinutie a na rotore je elektromagnet s jadrom a budiacim vinutím napájaným jednosmernými obvodmi cez zberač kefy.

Rotor je poháňaný do rotácie zdrojom mechanickej energie — hnacím motorom s rovnakou rýchlosťou. Jeho magnetické pole robí rovnaký pohyb.

Vo vinutiach statora sa indukujú elektromotorické sily rovnakej veľkosti, ale posunuté o 120 stupňov v smere, čím vzniká trojfázový symetrický systém.

Keď sú pripojené na konce vinutí spotrebiteľských obvodov, v obvode začnú pôsobiť fázové prúdy, ktoré tvoria magnetické pole rotujúce rovnakým spôsobom: synchrónne.

Forma výstupného signálu indukovaného EMF závisí len od distribučného zákona vektora magnetickej indukcie v medzere medzi pólmi rotora a statorovými doskami. Preto sa snažia vytvoriť taký dizajn, keď sa veľkosť indukcie mení podľa sínusového zákona.

Keď je medzera konštantná, vektor prúdenia vo vnútri medzery je lichobežníkový, ako je znázornené na čiarovom grafe 1.

Ak sa však tvar strapcov na póloch koriguje na zošikmenie zmenou medzery na maximálnu hodnotu, potom je možné dosiahnuť sínusový tvar rozloženia, ako je znázornené na čiare 2. Táto technika sa používa v praxi.

Budiace obvody pre synchrónne generátory

Magnetomotorická sila vznikajúca na budiacom vinutí rotora «OB» vytvára jeho magnetické pole. Na tento účel existujú rôzne konštrukcie DC budičov založené na:

1. spôsob kontaktu;

2. bezkontaktná metóda.

V prvom prípade sa používa samostatný generátor nazývaný budič «B». Jeho budiaca cievka je napájaná prídavným generátorom na princípe paralelného budenia, nazývaným budič «PV».

Všetky rotory sú umiestnené na spoločnom hriadeli. Preto sa otáčajú úplne rovnakým spôsobom. Reostaty r1 a r2 sa používajú na reguláciu prúdov v obvodoch budenia a zosilňovača.

Pri bezkontaktnej metóde nie sú na rotore žiadne zberacie krúžky. Priamo na ňom je namontované trojfázové vinutie budiča. Otáča sa synchrónne s rotorom a prenáša elektrický jednosmerný prúd cez súbežne rotujúci usmerňovač priamo do budiaceho vinutia «B».

Typy bezkontaktných obvodov sú:

1. systém samobudenia z vlastného vinutia statora;

2. automatizovaná schéma.

V prvej metóde sa napätie z vinutia statora privádza do zostupného transformátora a potom do polovodičového usmerňovača «PP», ktorý generuje jednosmerný prúd.

Pri tejto metóde vzniká počiatočné budenie v dôsledku javu zvyškového magnetizmu.

Automatická schéma vytvárania samobudenia zahŕňa použitie:

• transformátor napätia VT;

• automatický regulátor budenia ATS;

• prúdový transformátor TT;

• usmerňovač VT;

• tyristorový menič TP;

• ochranný blok BZ.

Charakteristika asynchrónnych generátorov

Hlavným rozdielom medzi týmito konštrukciami je nedostatok pevného vzťahu medzi rýchlosťou rotora (nr) a EMF indukovaným v cievke (n). Vždy je medzi nimi rozdiel, ktorý sa nazýva „sklz“. Označuje sa latinským písmenom „S“ a vyjadruje sa vzorcom S = (n-nr) / n.

Keď je záťaž pripojená ku generátoru, vytvára sa brzdný moment na otáčanie rotora. Ovplyvňuje frekvenciu generovaného EMF, vytvára negatívny sklz.

Konštrukcia rotora pre asynchrónne generátory je vyrobená:

• skrat;

• fáza;

• dutý.

Asynchrónne generátory môžu mať:

1. nezávislé vzrušenie;

2. samobudenie.

V prvom prípade je použitý externý zdroj striedavého napätia a v druhom sú použité polovodičové meniče alebo kondenzátory v primárnom, sekundárnom alebo oboch typoch obvodov.

Alternátory a generátory jednosmerného prúdu majú teda veľa spoločného v princípoch konštrukcie, líšia sa však v prevedení určitých prvkov.