Hvordan fungerer AC- og DC-generatorer?

Begrepet "generasjon" i elektroteknikk kommer fra det latinske språket. Det betyr "fødsel". Når det gjelder energi kan vi si at generatorer er tekniske enheter som genererer elektrisitet.

I dette tilfellet bør det bemerkes at elektrisk strøm kan produseres ved å konvertere forskjellige typer energi, for eksempel:

• kjemisk;

• lys;

• termisk og andre.

Historisk sett er generatorer strukturer som konverterer den kinetiske energien til rotasjon til elektrisitet.

I henhold til typen elektrisitet som genereres, er generatorene:

1. likestrøm;

2. variabel.

Prinsippet for drift av den enkleste generatoren

De fysiske lovene som gjør det mulig å lage moderne elektriske installasjoner for å generere elektrisitet ved å transformere mekanisk energi ble oppdaget av forskerne Oersted og Faraday.

Enhver generatordesign gjelder prinsippet om elektromagnetisk induksjonnår det er en induksjon av en elektrisk strøm i en lukket ramme på grunn av dens skjæring med et roterende magnetfelt som dannes permanente magneter i forenklede modeller for hjemmebruk eller eksitasjonsspoler på industriprodukter med økt effekt.

Når du roterer rammen, endres størrelsen på den magnetiske fluksen.

Den elektromotoriske kraften indusert i sløyfen avhenger av endringshastigheten til den magnetiske fluksen som penetrerer sløyfen i en lukket sløyfe S og er direkte proporsjonal med verdien. Jo raskere rotoren spinner, jo høyere genereres spenningen.

For å lage en lukket sløyfe og avlede elektrisk strøm fra den, var det nødvendig å lage en samler og en børste som gir konstant kontakt mellom den roterende rammen og en stasjonær del av kretsen.

På grunn av konstruksjonen av fjærbelastede børster presset mot kollektorplatene, overføres den elektriske strømmen til utgangsterminalene og går fra dem til forbrukerens nettverk.

Prinsippet for drift av den enkleste DC-generatoren

Når rammen roterer rundt aksen, sykler dens venstre og høyre halvdel rundt sør- eller nordpolene til magnetene. Hver gang i dem er det en endring i retningen til strømmene i motsatt retning, slik at de ved hver pol flyter i én retning.

For å skape en likestrøm i utgangskretsen opprettes en halvring ved kollektornoden for hver halvdel av spolen. Børster ved siden av ringen fjerner kun potensialet til deres tegn: positivt eller negativt.

Siden halvringen til den roterende rammen er åpen, skapes det øyeblikk i den når strømmen når sin maksimale verdi eller er fraværende. For å opprettholde ikke bare retningen, men også en konstant verdi av den genererte spenningen, er rammen laget i henhold til en spesielt forberedt teknologi:

• den bruker ikke en spole, men flere - avhengig av størrelsen på den planlagte spenningen;

• antall rammer er ikke begrenset til én kopi: de prøver å lage et tilstrekkelig antall for optimalt å opprettholde spenningsfallet på samme nivå.

I DC-generatoren er rotorviklingene plassert i sporene magnetisk krets… Dette gjør det mulig å redusere tapet av det induserte elektromagnetiske feltet.

Designfunksjoner til DC-generatorer

Hovedelementene i enheten er:

• ekstern kraft ramme;

• magnetiske poler;

• stator;

• roterende rotor;

• bryterblokk med børster.

Ramme laget av stållegeringer eller støpejern for å gi mekanisk styrke til den generelle strukturen. En ekstra oppgave for huset er å overføre den magnetiske fluksen mellom polene.

Poler av magneter festet til kroppen med pinner eller bolter. En spole er montert på dem.

En stator, også kalt et åk eller skjelett, er laget av ferromagnetiske materialer. Spolen til eksitasjonsspolen er plassert på den. Statorkjerne utstyrt med magnetiske poler som danner magnetfeltet.

Rotor har et synonym: anker. Dens magnetiske kjerne består av laminerte plater som reduserer dannelsen av virvelstrømmer og øker effektiviteten. Rotoren og/eller selveksitasjonsviklingene legges i kjernekanalene.

En byttenode med børster, den kan ha et annet antall poler, men er alltid et multiplum av to. Børstematerialet er vanligvis grafitt. Samlerplatene er laget av kobber, som det mest optimale metallet egnet for de elektriske egenskapene til strømledning.

Takket være bruken av en bryter genereres et pulserende signal ved utgangsklemmene til DC-generatoren.

Hovedtyper av konstruksjoner av DC-generatorer

I henhold til typen strømforsyning til eksitasjonsspolen, skilles enheter ut:

1. med selveksitasjon;

2. opererer på grunnlag av selvstendig inkludering.

De første produktene kan:

• bruk permanente magneter;

• eller drive fra eksterne kilder, f.eks. batterier, vindturbiner...

Uavhengig svitsjede generatorer opererer fra sin egen vikling, som kan kobles til:

• sekvensielt;

• shunts eller parallell eksitasjon.

Et av alternativene for en slik tilkobling er vist i diagrammet.

Et eksempel på en DC-generator er et design som ofte ble brukt i bilteknikk tidligere. Strukturen er den samme som en induksjonsmotor.

Slike kollektorstrukturer kan fungere samtidig i motor- eller generatormodus. På grunn av dette har de blitt utbredt i eksisterende hybridbiler.

Ankerdannelsesprosess

Dette skjer i hvilemodus når børstetrykket er feiljustert, noe som skaper en suboptimal friksjonsmodus. Dette kan føre til reduksjon i magnetfelt eller brann på grunn av økt gnistdannelse.

Måtene å redusere på er:

• kompensasjon av magnetiske felt ved å koble til ekstra poler;

• justering av forskyvningen av posisjonen til samlebørstene.

Fordeler med DC-generatorer

De inkluderer:

• uten tap på grunn av hysterese og virvelstrømdannelse;

• arbeid under ekstreme forhold;

• redusert vekt og små dimensjoner.

Prinsippet for drift av den enkleste dynamoen

Inne i denne designen brukes de samme detaljene som i forrige analog:

• magnetfelt;

• roterende ramme;

• samleblokk med aktuelle avløpsbørster.

Hovedforskjellen ligger i utformingen av samlerenheten, som er utformet slik at når rammen roterer gjennom børstene, blir det konstant kontakt med halvparten av rammen uten å endre posisjonen syklisk.

Derfor overføres strømmen, som endres i henhold til lovene for harmoniske i hver halvdel, helt uendret til børstene, og deretter gjennom dem til forbrukerkretsen.

Naturligvis lages rammen ved å vikle ikke fra en sving, men et beregnet antall av dem for å oppnå optimal spenning.

Dermed er prinsippet for drift av DC- og AC-generatorer vanlig, og designforskjellene er i produksjonen av:

• roterende rotor samler forsamlingen;

• rotorviklingskonfigurasjon.

Designfunksjoner til industrielle dynamoer

Tenk på hoveddelene av en industriell induksjonsgenerator der rotoren mottar rotasjonsbevegelse fra en nærliggende turbin. Statorkonstruksjonen inkluderer en elektromagnet (selv om magnetfeltet kan skapes av et sett med permanente magneter) og en rotorvikling med et visst antall omdreininger.

En elektromotorisk kraft induseres i hver sløyfe, som suksessivt legges til i hver av dem og danner ved utgangsklemmene den totale verdien av spenningen som leveres til forsyningskretsen til de tilkoblede forbrukerne.

For å øke amplituden til EMF ved utgangen av generatoren, brukes en spesiell design av det magnetiske systemet, laget av to magnetiske kretser på grunn av bruken av spesielle karakterer av elektrisk stål i form av laminerte plater med kanaler. Spoler er installert inne i dem.

I generatorhuset er det en statorkjerne med kanaler for å romme en spole som lager et magnetfelt.

Rotoren som roterer på lagre har også en slisset magnetisk krets inni som er montert en spole som mottar en indusert EMF. Vanligvis er den horisontale retningen valgt for rotasjonsaksen, selv om det er generatorer med et vertikalt arrangement og den tilsvarende utformingen av lagrene.

Det dannes alltid et gap mellom statoren og rotoren, noe som er nødvendig for å sikre rotasjon og forhindre fastkjøring. Men samtidig er det tap av magnetisk induksjonsenergi i den. Derfor prøver de å gjøre den så liten som mulig, og tar hensyn til begge kravene på en optimal måte.

Ligger på samme aksel som rotoren, er magnetiseringen en likestrømsgenerator med relativt lav effekt. Dens formål: å levere strøm til viklingene til en kraftgenerator i en tilstand av uavhengig eksitasjon.

Slike eksitatorer brukes oftest med turbin- eller hydrauliske generatordesign når man lager en primær eller backup-metode for eksitering.

Bildet av en industriell generator viser arrangementet av sleperinger og børster for å fange strømmer fra en roterende rotorstruktur. Under drift utsettes denne enheten for konstant mekanisk og elektrisk stress. For å overvinne dem opprettes en kompleks struktur, som under drift krever periodiske kontroller og forebyggende tiltak.

For å redusere driftskostnadene som genereres, brukes en annen, alternativ teknologi som også bruker samspillet mellom roterende elektromagnetiske felt. Bare permanente eller elektriske magneter er plassert på rotoren og spenningen fjernes fra den stasjonære spolen.

Når man lager en slik krets, kan en slik struktur kalles begrepet «dynamo». Den brukes i synkrone generatorer: høyfrekvente, biler, diesellokomotiver og skip, kraftverkinstallasjoner for produksjon av elektrisitet.

Kjennetegn på synkrongeneratorer

Driftsprinsipp

Navnet og det særegne ved handlingen ligger i dannelsen av en stiv forbindelse mellom frekvensen til den vekslende elektromotoriske kraften indusert i statorviklingen «f» og rotasjonen av rotoren.

En trefaset vikling er montert i statoren, og på rotoren er det en elektromagnet med en kjerne og en spennende vikling matet av DC-kretser gjennom en børstesamler.

Rotoren drives til rotasjon av en kilde til mekanisk energi - en drivmotor med samme hastighet. Magnetfeltet gjør den samme bevegelsen.

Elektromotoriske krefter av samme størrelse, men forskjøvet med 120 grader i retning, induseres i statorviklingene, og skaper et trefaset symmetrisk system.

Når de er koblet til endene av viklingene til forbrukerkretser, begynner fasestrømmer å virke i kretsen, som danner et magnetfelt som roterer på samme måte: synkront.

Formen til utgangssignalet til den induserte EMF avhenger bare av fordelingsloven til den magnetiske induksjonsvektoren i gapet mellom rotorpolene og statorplatene. Derfor søker de å lage et slikt design når størrelsen på induksjonen endres i henhold til en sinusformet lov.

Når gapet er konstant, er strømningsvektoren inne i gapet trapesformet, som vist i linjediagram 1.

Men hvis formen på frynsene ved polene korrigeres for å bli skjev ved å endre gapet til maksimal verdi, så er det mulig å oppnå en sinusformet form på fordelingen som vist i linje 2. Denne teknikken brukes i praksis.

Eksitasjonskretser for synkrongeneratorer

Den magnetomotoriske kraften som oppstår på eksitasjonsviklingen til rotoren «OB» skaper dets magnetiske felt. For dette er det forskjellige DC exciter-design basert på:

1. metode for kontakt;

2. ikke-kontakt metode.

I det første tilfellet brukes en egen generator kalt exciter «B». Eksitasjonsspolen drives av en ekstra generator i henhold til prinsippet om parallell eksitasjon, kalt en «PV»-eksiter.

Alle rotorene er plassert på en felles aksel. Derfor roterer de på nøyaktig samme måte. Reostater r1 og r2 brukes til å regulere strømmene i eksitasjons- og forsterkerkretsene.

Med den berøringsfrie metoden er det ingen sleperinger på rotoren. En trefaset magnetiseringsvikling er montert direkte på den. Den roterer synkront med rotoren og overfører elektrisk likestrøm gjennom den samroterende likeretteren direkte til magnetiseringsviklingen «B».

Typene kontaktløse kretser er:

1. selveksiteringssystem fra statorens egen vikling;

2. automatisert ordning.

I den første metoden føres spenningen fra statorviklingene til nedtrappingstransformatoren, og deretter til halvlederlikeretteren «PP», som genererer likestrøm.

Med denne metoden skapes den første eksitasjonen på grunn av fenomenet restmagnetisme.

Den automatiske ordningen for å skape selveksitasjon innebærer bruk av:

• spenning transformator VT;

• automatisert eksitasjonsregulator ATS;

• nåværende transformator TT;

• likeretter VT;

• tyristor omformer TP;

• beskyttelsesblokk BZ.

Kjennetegn ved asynkrone generatorer

Hovedforskjellen mellom disse designene er mangelen på et stivt forhold mellom rotorhastigheten (nr) og EMF indusert i spolen (n). Det er alltid en forskjell mellom dem, som kalles "slip". Det er betegnet med den latinske bokstaven "S" og uttrykkes med formelen S = (n-nr) / n.

Når lasten er koblet til generatoren, opprettes et bremsemoment for å snu rotoren. Det påvirker frekvensen av den genererte EMF, skaper en negativ slip.

Konstruksjonen av rotoren for asynkrone generatorer er laget:

• kortslutning;

• fase;

• hul.

Asynkrone generatorer kan ha:

1. uavhengig spenning;

2. selveksitasjon.

I det første tilfellet brukes en ekstern AC-spenningskilde, og i det andre brukes halvlederomformere eller kondensatorer i primær-, sekundær- eller begge typer kretser.

Således har generatorer og likestrømsgeneratorer mye til felles i konstruksjonsprinsippene, men er forskjellige i utformingen av visse elementer.