Kako delujejo AC in DC generatorji?

Izraz "generacija" v elektrotehniki izhaja iz latinskega jezika. Pomeni "rojstvo". Glede energetike lahko rečemo, da so generatorji tehnične naprave, ki proizvajajo električno energijo.

V tem primeru je treba opozoriti, da se električni tok lahko proizvede s pretvorbo različnih vrst energije, na primer:

• kemična;

• svetloba;

• termični in drugi.

V zgodovini so generatorji strukture, ki pretvarjajo kinetično energijo vrtenja v električno energijo.

Glede na vrsto proizvedene električne energije so generatorji:

1. enosmerni tok;

2. spremenljivka.

Načelo delovanja najpreprostejšega generatorja

Fizikalne zakonitosti, ki omogočajo ustvarjanje sodobnih električnih naprav za pridobivanje električne energije s transformacijo mehanske energije, sta odkrila znanstvenika Oersted in Faraday.

Velja vsaka zasnova generatorja princip elektromagnetne indukcijeko pride do indukcije električnega toka v zaprtem okvirju zaradi njegovega presečišča z rotirajočim magnetnim poljem, ki se ustvari trajni magneti v poenostavljenih modelih za domačo uporabo ali vzbujevalnih tuljavah na industrijskih izdelkih s povečano močjo.

Ko zavrtite okvir, se spremeni velikost magnetnega pretoka.

Elektromotorna sila, inducirana v zanki, je odvisna od hitrosti spremembe magnetnega pretoka, ki prodira skozi zanko v zaprti zanki S, in je neposredno sorazmerna z njeno vrednostjo. Hitreje kot se vrti rotor, višja je ustvarjena napetost.

Da bi ustvarili zaprto zanko in preusmerili električni tok iz nje, je bilo potrebno ustvariti kolektor in krtačo, ki zagotavlja stalen stik med vrtljivim okvirjem in mirujočim delom vezja.

Zaradi konstrukcije vzmetnih ščetk, pritisnjenih na kolektorske plošče, se električni tok prenaša na izhodne sponke in iz njih prehaja v omrežje porabnika.

Načelo delovanja najpreprostejšega generatorja enosmernega toka

Ko se okvir vrti okoli osi, njegova leva in desna polovica krožita okoli južnega ali severnega pola magneta. V njih vsakokrat pride do spremembe smeri tokov v obratni smeri, tako da na vsakem polu tečejo v eno smer.

Za ustvarjanje enosmernega toka v izhodnem vezju se na kolektorskem vozlišču ustvari polovični obroč za vsako polovico tuljave. Krtače, ki mejijo na obroč, odstranijo potencial samo svojega znaka: pozitivnega ali negativnega.

Ker je pol-obroč vrtljivega okvirja odprt, se v njem ustvarijo trenutki, ko tok doseže največjo vrednost ali ga ni. Da bi ohranili ne samo smer, temveč tudi konstantno vrednost ustvarjene napetosti, je okvir izdelan po posebej pripravljeni tehnologiji:

• ne uporablja ene tuljave, ampak več - odvisno od velikosti načrtovane napetosti;

• število okvirjev ni omejeno na eno kopijo: poskušajo narediti zadostno število za optimalno vzdrževanje padca napetosti na isti ravni.

V generatorju enosmernega toka so navitja rotorja nameščena v režah magnetno vezje… To omogoča zmanjšanje izgube induciranega elektromagnetnega polja.

Konstrukcijske značilnosti generatorjev enosmernega toka

Glavni elementi naprave so:

• zunanji napajalni okvir;

• magnetni poli;

• stator;

• vrtljivi rotor;

• stikalni blok s ščetkami.

Okvir iz jeklenih zlitin ali litega železa za mehansko trdnost celotne strukture. Dodatna naloga ohišja je prenos magnetnega pretoka med poli.

Polovi magnetov so pritrjeni na telo z zatiči ali sorniki. Na njih je nameščena tuljava.

Stator, imenovan tudi jarem ali skelet, je izdelan iz feromagnetnih materialov. Na njej je nameščena tuljava vzbujalne tuljave. Statorsko jedro je opremljeno z magnetnimi poli, ki tvorijo njegovo magnetno polje.

Rotor ima sinonim: sidro. Njegovo magnetno jedro je sestavljeno iz laminiranih plošč, ki zmanjšujejo nastajanje vrtinčnih tokov in povečujejo učinkovitost. Navitja rotorja in/ali samovzbujanja so položena v kanale jedra.

Preklopno vozlišče s čopiči, ima lahko različno število polov, vendar je vedno večkratnik dveh. Material ščetke je običajno grafit. Kolektorske plošče so izdelane iz bakra, kot najbolj optimalne kovine, ki ustreza električnim lastnostim prevodnosti toka.

Zahvaljujoč uporabi stikala se na izhodnih sponkah generatorja enosmernega toka ustvari pulzirajoči signal.

Glavne vrste konstrukcij enosmernih generatorjev

Glede na vrsto napajanja vzbujalne tuljave ločimo naprave:

1. s samovzbujanjem;

2. ki delujejo na podlagi samostojnega vključevanja.

Prvi izdelki lahko:

• uporaba trajnih magnetov;

• ali delujejo iz zunanjih virov, npr. baterije, vetrne turbine...

Neodvisno vklopljeni generatorji delujejo iz lastnega navitja, ki ga je mogoče povezati:

• zaporedno;

• šantov ali vzporednega vzbujanja.

Ena od možnosti za takšno povezavo je prikazana na diagramu.

Primer generatorja enosmernega toka je oblika, ki se je v preteklosti pogosto uporabljala v avtomobilskem inženirstvu. Njegova zgradba je enaka kot pri indukcijskem motorju.

Takšne kolektorske strukture lahko delujejo hkrati v motornem ali generatorskem načinu. Zaradi tega so postali razširjeni v obstoječih hibridnih vozilih.

Postopek oblikovanja sidra

To se zgodi v načinu mirovanja, ko je pritisk krtač nepravilno nastavljen, kar ustvarja neoptimalen način trenja. To lahko privede do zmanjšanja magnetnih polj ali požara zaradi povečanega iskrenja.

Načini za zmanjšanje so:

• kompenzacija magnetnih polj s povezovanjem dodatnih polov;

• nastavitev zamika položaja kolektorskih ščetk.

Prednosti DC generatorjev

Vključujejo:

• brez izgub zaradi histereze in nastajanja vrtinčnih tokov;

• delo v ekstremnih pogojih;

• zmanjšana teža in majhne dimenzije.

Načelo delovanja najpreprostejšega alternatorja

Znotraj te zasnove so uporabljene iste podrobnosti kot v prejšnjem analogu:

• magnetno polje;

• vrtljivi okvir;

• kolektorski blok s tokovnimi odtočnimi ščetkami.

Glavna razlika je v zasnovi kolektorskega sklopa, ki je zasnovan tako, da se pri vrtenju okvirja skozi krtače stalno vzpostavlja stik s polovico okvirja, ne da bi ciklično spreminjali njihov položaj.

Zato se tok, ki se spreminja po zakonih harmonike v vsaki polovici, popolnoma nespremenjen prenese na ščetke, nato pa skozi njih v porabniški krog.

Seveda je okvir ustvarjen z navijanjem ne iz enega obrata, temveč izračunanega števila njih, da se doseže optimalna napetost.

Tako je načelo delovanja generatorjev DC in AC skupno, konstrukcijske razlike pa so v proizvodnji:

• zbiralni sklop rotorja;

• konfiguracija navitja rotorja.

Konstrukcijske značilnosti industrijskih alternatorjev

Razmislite o glavnih delih industrijskega indukcijskega generatorja, v katerem rotor prejema rotacijsko gibanje od bližnje turbine. Konstrukcija statorja vključuje elektromagnet (čeprav lahko magnetno polje ustvari niz trajnih magnetov) in navitje rotorja z določenim številom ovojev.

V vsaki zanki se inducira elektromotorna sila, ki se zaporedno sešteva v vsaki od njih in tvori na izhodnih sponkah skupno vrednost napetosti, ki se dovaja v napajalni tokokrog priključenih porabnikov.

Za povečanje amplitude EMF na izhodu generatorja se uporablja posebna zasnova magnetnega sistema, izdelanega iz dveh magnetnih vezij zaradi uporabe posebnih vrst električnega jekla v obliki laminiranih plošč s kanali. Znotraj njih so nameščene tuljave.

V ohišju generatorja je statorsko jedro s kanali za namestitev tuljave, ki ustvarja magnetno polje.

Rotor, ki se vrti na ležajih, ima tudi magnetno vezje z režami, znotraj katerega je nameščena tuljava, ki sprejema induciran EMF. Običajno je za os vrtenja izbrana vodoravna smer, čeprav obstajajo generatorji z navpično razporeditvijo in ustrezno zasnovo ležajev.

Med statorjem in rotorjem se vedno ustvari reža, ki je potrebna za zagotovitev vrtenja in preprečevanje zagozdenja. Toda hkrati v njem pride do izgube energije magnetne indukcije. Zato se trudijo, da bi bila čim manjša, pri čemer optimalno upoštevajo obe zahtevi.

Vzbujevalnik, ki se nahaja na isti gredi kot rotor, je generator enosmernega toka relativno majhne moči. Njegov namen: dovajanje električne energije v navitja generatorja električne energije v stanju neodvisnega vzbujanja.

Takšni vzbujevalci se najpogosteje uporabljajo s konstrukcijami turbin ali hidravličnih generatorjev pri ustvarjanju primarne ali rezervne metode vzbujanja.

Fotografija industrijskega generatorja prikazuje razporeditev drsnih obročev in ščetk za zajemanje tokov iz strukture rotirajočega rotorja. Med delovanjem je ta naprava izpostavljena stalnim mehanskim in električnim obremenitvam. Za njihovo premagovanje se ustvari zapletena struktura, ki med delovanjem zahteva redne preglede in preventivne ukrepe.

Za znižanje ustvarjenih obratovalnih stroškov se uporablja drugačna, alternativna tehnologija, ki uporablja tudi interakcijo med rotirajočimi elektromagnetnimi polji. Na rotorju so nameščeni samo trajni ali električni magneti, napetost pa se odstrani iz stacionarne tuljave.

Pri ustvarjanju takšnega vezja lahko takšno strukturo imenujemo izraz "alternator". Uporablja se v sinhronskih generatorjih: visokofrekvenčnih, avtomobilskih, dizelskih lokomotivah in ladjah, elektrarnah za proizvodnjo električne energije.

Značilnosti sinhronskih generatorjev

Princip delovanja

Ime in značilnost delovanja je v ustvarjanju toge povezave med frekvenco izmenične elektromotorne sile, inducirane v statorskem navitju «f» in vrtenjem rotorja.

V statorju je nameščeno trifazno navitje, na rotorju pa je elektromagnet z jedrom in vznemirljivim navitjem, ki ga napajajo enosmerni tokokrogi skozi kolektor ščetk.

Rotor poganja v vrtenje vir mehanske energije — pogonski motor z enako hitrostjo. Njegovo magnetno polje naredi enako gibanje.

V navitjih statorja se inducirajo elektromotorne sile enake velikosti, vendar zamaknjene za 120 stopinj v smeri, kar ustvarja trifazni simetrični sistem.

Ko so priključeni na konce navitij potrošniških tokokrogov, začnejo v vezju delovati fazni tokovi, ki tvorijo magnetno polje, ki se vrti na enak način: sinhrono.

Oblika izhodnega signala induciranega EMF je odvisna samo od zakona porazdelitve vektorja magnetne indukcije v reži med poli rotorja in statorskimi ploščami. Zato si prizadevajo ustvariti takšno zasnovo, ko se velikost indukcije spremeni v skladu s sinusoidnim zakonom.

Ko je reža konstantna, je vektor toka znotraj reže trapezoiden, kot je prikazano na črtnem grafu 1.

Če pa se oblika robov na polih popravi tako, da je poševna s spreminjanjem vrzeli na največjo vrednost, je mogoče doseči sinusno obliko porazdelitve, kot je prikazano v vrstici 2. Ta tehnika se uporablja v praksi.

Vzbujevalna vezja za sinhronske generatorje

Magnetomotorna sila, ki nastane na vzbujalnem navitju rotorja «OB», ustvarja njegovo magnetno polje. Za to obstajajo različni modeli vzbujevalnikov enosmernega toka, ki temeljijo na:

1. način stika;

2. brezkontaktna metoda.

V prvem primeru se uporablja ločen generator, imenovan eksciter «B». Njegovo vzbujalno tuljavo napaja dodatni generator po principu vzporednega vzbujanja, imenovan »PV« vzbujalnik.

Vsi rotorji so nameščeni na skupni gredi. Zato se vrtijo na povsem enak način. Reostata r1 in r2 uporabljamo za regulacijo tokov v vzbujalnem in ojačevalnem vezju.

Pri brezkontaktni metodi na rotorju ni drsnih obročev. Neposredno na njem je nameščeno navitje trifaznega vzbujevalnika. Vrti se sinhrono z rotorjem in oddaja enosmerni električni tok skozi sorotacijski usmernik neposredno na navitje vzbujevalnika «B».

Vrste brezkontaktnih vezij so:

1. sistem samovzbujanja iz lastnega navitja statorja;

2. avtomatizirana shema.

Pri prvi metodi se napetost iz statorskih navitij napaja v padajoči transformator, nato pa v polprevodniški usmernik "PP", ki ustvarja enosmerni tok.

Pri tej metodi se začetno vzbujanje ustvari zaradi pojava preostalega magnetizma.

Avtomatska shema za ustvarjanje samovzbujanja vključuje uporabo:

• napetostni transformator VT;

• avtomatski regulator vzbujanja ATS;

• tokovni transformator TT;

• usmernik VT;

• tiristorski pretvornik TP;

• zaščitni blok BZ.

Značilnosti asinhronskih generatorjev

Glavna razlika med tema zasnovama je pomanjkanje togega razmerja med hitrostjo rotorja (nr) in EMF, induciranim v tuljavi (n). Med njimi je vedno razlika, ki ji rečemo »slip«. Označena je z latinsko črko "S" in izražena s formulo S = (n-nr) / n.

Ko je obremenitev priključena na generator, se ustvari zavorni moment za obračanje rotorja. Vpliva na frekvenco ustvarjenega EMF, ustvarja negativni zdrs.

Konstrukcija rotorja za asinhrone generatorje je izdelana:

• kratek stik;

• faza;

• votel.

Asinhroni generatorji imajo lahko:

1. neodvisno razburjenje;

2. samovzburjenje.

V prvem primeru se uporablja zunanji vir izmenične napetosti, v drugem pa se uporabljajo polprevodniški pretvorniki ali kondenzatorji v primarnem, sekundarnem ali obeh vrstah tokokrogov.

Tako imajo alternatorji in generatorji enosmernega toka veliko skupnega v principih izdelave, razlikujejo pa se v zasnovi določenih elementov.