Hogyan működnek az AC és DC generátorok?

A "generáció" kifejezés az elektrotechnikában a latin nyelvből származik. Azt jelenti, hogy "születés". Az energiával kapcsolatban elmondhatjuk, hogy a generátorok olyan műszaki berendezések, amelyek villamos energiát termelnek.

Ebben az esetben meg kell jegyezni, hogy elektromos áramot különböző típusú energiák átalakításával lehet előállítani, például:

• kémiai;

• fény;

• termikus és mások.

Történelmileg a generátorok olyan szerkezetek, amelyek a forgás kinetikus energiáját elektromos árammá alakítják.

A termelt villamos energia típusától függően a generátorok a következők:

1. egyenáram;

2. változó.

A legegyszerűbb generátor működési elve

Oersted és Faraday tudósok fedezték fel azokat a fizikai törvényeket, amelyek lehetővé teszik a modern elektromos berendezések létrehozását a mechanikai energia átalakításával elektromos áram előállítására.

Bármilyen generátor kialakítás alkalmazható Az elektromágneses indukció elveamikor egy zárt keretben elektromos áram indukciója lép fel a keletkező forgó mágneses térrel való metszéspontja miatt állandó mágnesek egyszerűsített modellekben otthoni használatra vagy gerjesztőtekercsekre megnövelt teljesítményű ipari termékeken.

Az előlap elforgatásakor a mágneses fluxus nagysága megváltozik.

A hurokban indukált elektromotoros erő az S zárt hurokban a hurkon áthatoló mágneses fluxus változási sebességétől függ, és annak értékével egyenesen arányos. Minél gyorsabban forog a rotor, annál nagyobb a generált feszültség.

A zárt hurok létrehozásához és az elektromos áram elvezetéséhez egy kollektort és egy kefét kellett létrehozni, amely állandó kapcsolatot biztosít a forgó keret és az áramkör egy álló része között.

A kollektorlemezekhez nyomott rugós kefék felépítésének köszönhetően az elektromos áram a kimeneti kapcsokra jut, és azokról a fogyasztó hálózatába kerül.

A legegyszerűbb egyenáramú generátor működési elve

Ahogy a keret forog a tengely körül, bal és jobb fele körbejárja a mágnesek déli vagy északi pólusát. Minden alkalommal bennük az áramok fordított iránya megváltozik, így minden póluson egy irányba áramlanak.

A kimeneti áramkörben egyenáram létrehozásához a kollektor csomópontján a tekercs minden feléhez egy félgyűrűt hoznak létre. A gyűrűvel szomszédos kefék csak az előjelük potenciálját távolítják el: pozitív vagy negatív.

Mivel a forgó keret félgyűrűje nyitott, pillanatok keletkeznek benne, amikor az áram eléri a maximális értékét vagy hiányzik. Annak érdekében, hogy ne csak az irányt, hanem a generált feszültség állandó értékét is fenntartsák, a keret speciálisan előkészített technológia szerint készül:

• nem egy tekercset használ, hanem több - a tervezett feszültség nagyságától függően;

• a képkockák száma nem korlátozódik egy példányra: igyekeznek elegendő számot készíteni a feszültségesés optimális szinten tartásához.

Az egyenáramú generátorban a forgórész tekercsei a résekben találhatók mágneses áramkör… Ez lehetővé teszi az indukált elektromágneses tér veszteségének csökkentését.

Az egyenáramú generátorok tervezési jellemzői

A készülék fő elemei a következők:

• külső tápkeret;

• mágneses pólusok;

• állórész;

• forgó rotor;

• kapcsolóblokk kefékkel.

Keret acélötvözetből vagy öntöttvasból, hogy mechanikai szilárdságot biztosítson a teljes szerkezetnek. A ház további feladata a mágneses fluxus pólusok közötti átvitele.

A testhez csapokkal vagy csavarokkal rögzített mágnespólusok. Egy tekercs van rájuk szerelve.

Az állórész, más néven járom vagy váz, ferromágneses anyagokból készül. A gerjesztő tekercs tekercsét ráhelyezzük. Az állórész magja mágneses pólusokkal van felszerelve, amelyek mágneses terét alkotják.

A rotornak van egy szinonimája: horgony. Mágneses magja laminált lemezekből áll, amelyek csökkentik az örvényáramok kialakulását és növelik a hatékonyságot. A forgórész és/vagy az öngerjesztő tekercsek a magcsatornákba vannak fektetve.

Egy kefés kapcsoló csomópont, különböző számú pólusú lehet, de mindig kettő többszöröse. Az ecset anyaga általában grafit. A kollektorlemezek rézből készülnek, mint a legoptimálisabb fémből, amely alkalmas az áramvezetés elektromos tulajdonságaira.

A kapcsoló használatának köszönhetően az egyenáramú generátor kimeneti kapcsain pulzáló jel keletkezik.

Az egyenáramú generátorok fő szerkezeti típusai

A gerjesztőtekercs tápegységének típusa szerint az eszközöket megkülönböztetik:

1. öngerjesztéssel;

2. önálló befogadás alapján működő.

Az első termékek:

• használjon állandó mágneseket;

• vagy külső forrásból üzemeltethető, pl. akkumulátorok, szélturbinák...

A független kapcsolású generátorok saját tekercselésükről működnek, amely csatlakoztatható:

• szekvenciálisan;

• söntök vagy párhuzamos gerjesztés.

Egy ilyen csatlakozási lehetőség az ábrán látható.

Az egyenáramú generátorra példa egy olyan kialakítás, amelyet a múltban gyakran használtak az autógyártásban. Felépítése megegyezik az indukciós motoréval.

Az ilyen kollektorszerkezetek egyidejűleg működhetnek motor vagy generátor üzemmódban. Emiatt széles körben elterjedtek a meglévő hibrid járművekben.

A horgonyképzési folyamat

Ez üresjárati üzemmódban fordul elő, amikor a kefenyomás helytelenül van beállítva, ami az optimális súrlódási üzemmódot nem eredményezi. Ez a mágneses mezők csökkenéséhez vagy a fokozott szikraképződés miatt tüzet okozhat.

A csökkentés módjai a következők:

• a mágneses mezők kompenzálása további pólusok csatlakoztatásával;

• a kollektorkefék helyzetének eltolásának beállítása.

Az egyenáramú generátorok előnyei

Tartalmazzák:

• hiszterézis és örvényáram képződés miatti veszteségek nélkül;

• extrém körülmények között dolgozni;

• csökkentett súly és kis méretek.

A legegyszerűbb generátor működési elve

Ezen a kialakításon belül ugyanazokat a részleteket használják, mint az előző analógban:

• mágneses mező;

• forgó keret;

• kollektor blokk áramleeresztő kefékkel.

A fő különbség a kollektor-szerelvény kialakításában rejlik, amely úgy van kialakítva, hogy amikor a keret forog a keféken keresztül, folyamatosan érintkezik a keret felével anélkül, hogy ciklikusan megváltoztatná a helyzetét.

Ezért az áram, amely a felharmonikusok törvényei szerint változik, teljesen változatlan formában kerül a kefékre, majd azokon keresztül a fogyasztói áramkörbe.

A keretet természetesen nem egy fordulatból, hanem kiszámított számú tekercseléssel hozzák létre az optimális feszültség elérése érdekében.

Így a DC és AC generátorok működési elve közös, és a tervezési különbségek a gyártásban vannak:

• forgó rotoros kollektor szerelvény;

• rotor tekercselés konfigurációja.

Az ipari generátorok tervezési jellemzői

Tekintsük egy ipari indukciós generátor fő részeit, amelyekben a rotor forgó mozgást kap egy közeli turbinától. Az állórész felépítése tartalmaz egy elektromágnest (bár a mágneses mezőt állandó mágneskészlet is létrehozhatja) és egy bizonyos fordulatszámú rotor tekercset.

Mindegyik hurokban elektromotoros erő indukálódik, amely egymás után mindegyikben hozzáadódik, és a kimeneti kapcsokon a csatlakoztatott fogyasztók tápáramkörére betáplált feszültség összértékét alkotja.

Az EMF amplitúdójának növelése érdekében a generátor kimenetén a mágneses rendszer speciális kialakítását használják, amely két mágneses áramkörből áll, mivel speciális minőségű elektromos acélt használnak csatornákkal ellátott laminált lemezek formájában. Belülük tekercsek vannak felszerelve.

A generátorházban van egy állórész mag csatornákkal, amelyek mágneses teret létrehozó tekercs elhelyezésére szolgálnak.

A csapágyakon forgó rotornak van egy hornyolt mágneses áramköre is, amelybe egy tekercs van szerelve, amely indukált EMF-et fogad. Általában a vízszintes irányt választják a forgástengelyhez, bár vannak függőleges elrendezésű generátorok és a csapágyak megfelelő kialakítása.

Az állórész és a forgórész között mindig rés keletkezik, amely a forgás biztosításához és az elakadások megelőzéséhez szükséges. De ugyanakkor a mágneses indukciós energia vesztesége is van benne. Ezért igyekeznek a lehető legkisebbre alakítani, mindkét követelményt optimálisan figyelembe véve.

A rotorral azonos tengelyen található gerjesztő egy viszonylag kis teljesítményű egyenáramú generátor. Célja: elektromos áram ellátása független gerjesztésű áramfejlesztő tekercseinek.

Az ilyen gerjesztőket leggyakrabban turbinák vagy hidraulikus generátorok esetében használják, amikor elsődleges vagy tartalék gerjesztési módszert hoznak létre.

Az ipari generátor fotója a csúszógyűrűk és kefék elrendezését mutatja a forgó rotorszerkezetből származó áramok rögzítésére. Működés közben ez a készülék állandó mechanikai és elektromos igénybevételnek van kitéve. Ezek leküzdésére komplex struktúra jön létre, amely működés közben időszakos ellenőrzéseket és megelőző intézkedéseket igényel.

A keletkező üzemeltetési költségek csökkentésére egy eltérő, alternatív technológiát alkalmaznak, amely a forgó elektromágneses mezők közötti kölcsönhatást is felhasználja. A forgórészre csak állandó vagy elektromos mágneseket helyeznek, és a feszültséget eltávolítják az álló tekercsről.

Egy ilyen áramkör létrehozásakor egy ilyen szerkezetet "alternátor" kifejezésnek nevezhetünk. Szinkrongenerátorokban használják: nagyfrekvenciás, autóipari, dízelmozdonyokban és hajókban, villamosenergia-termelésre szolgáló erőművekben.

Szinkron generátorok jellemzői

Működési elve

A művelet elnevezése és megkülönböztető vonása abban rejlik, hogy merev kapcsolatot hoz létre az állórész tekercsében "f" indukált váltakozó elektromotoros erő frekvenciája és a forgórész forgása között.

Az állórészbe háromfázisú tekercs van felszerelve, a forgórészen pedig egy magos elektromágnes és egy kefekollektoron keresztül egyenáramú áramkörök által táplált izgalmas tekercs található.

A forgórészt egy mechanikai energiaforrás – egy ugyanolyan sebességű hajtómotor – hajtja forgásba. Mágneses tere ugyanazt a mozgást hajtja végre.

Az állórész tekercseiben azonos nagyságú, de irányban 120 fokkal eltolt elektromotoros erők indukálódnak, háromfázisú szimmetrikus rendszert hozva létre.

Amikor a fogyasztói áramkörök tekercseinek végeihez kapcsolódnak, az áramkörben fázisáramok kezdenek hatni, amelyek ugyanúgy: szinkronosan forgó mágneses teret képeznek.

Az indukált EMF kimeneti jelének formája csak a mágneses indukciós vektor eloszlási törvényétől függ a forgórész pólusai és az állórész lemezei közötti résben. Ezért ilyen kialakítást igyekeznek létrehozni, amikor az indukció nagysága egy szinuszos törvény szerint változik.

Ha a rés állandó, a résen belüli áramlási vektor trapéz alakú, amint azt az 1. vonaldiagram mutatja.

Ha azonban a pólusoknál a peremek alakját ferdeségre korrigáljuk a rés maximális értékre állításával, akkor a 2. sorban látható szinuszos eloszlást lehet elérni. Ezt a technikát a gyakorlatban alkalmazzák.

Gerjesztő áramkörök szinkron generátorokhoz

Az «OB» forgórész gerjesztő tekercsén fellépő magnetomotoros erő létrehozza annak mágneses terét. Ehhez különböző egyenáramú gerjesztő kialakítások léteznek a következők alapján:

1. kapcsolattartás módja;

2. érintkezésmentes módszer.

Az első esetben egy külön generátort, úgynevezett "B" gerjesztőt használnak. Gerjesztő tekercsét a párhuzamos gerjesztés elve szerinti kiegészítő generátor táplálja, amelyet «PV» gerjesztőnek neveznek.

Minden rotor egy közös tengelyen található. Ezért pontosan ugyanúgy forognak. Az r1 és r2 reosztát a gerjesztő és erősítő áramkörök áramainak szabályozására szolgál.

Az érintésmentes módszerrel nincs csúszógyűrű a forgórészen. Közvetlenül rá van szerelve egy háromfázisú gerjesztő tekercs. A rotorral szinkronban forog, és az egyenáramot az együtt forgó egyenirányítón keresztül közvetlenül a «B» gerjesztő tekercshez továbbítja.

Az érintésmentes áramkörök típusai a következők:

1. öngerjesztő rendszer az állórész saját tekercséből;

2. automatizált séma.

Az első módszernél az állórész tekercseinek feszültségét a lecsökkentő transzformátorra, majd a "PP" félvezető egyenirányítóra táplálják, amely egyenáramot generál.

Ezzel a módszerrel a kezdeti gerjesztés a maradék mágnesesség jelensége miatt jön létre.

Az öngerjesztés létrehozásának automatikus sémája a következők használatát foglalja magában:

• feszültség transzformátor VT;

• automatizált gerjesztő szabályozó ATS;

• áramváltó TT;

• VT egyenirányító;

• tirisztoros átalakító TP;

• BZ védőblokk.

Az aszinkron generátorok jellemzői

A fő különbség ezen kialakítások között az, hogy nincs merev kapcsolat a forgórész fordulatszáma (nr) és a tekercsben indukált EMF között (n). Mindig van köztük különbség, amit "csúszásnak" neveznek. Ezt a latin "S" betű jelöli, és az S = (n-nr) / n képlettel fejezzük ki.

Amikor a terhelést a generátorhoz csatlakoztatják, a forgórész elfordításához fékezőnyomaték jön létre. Befolyásolja a generált EMF frekvenciáját, negatív csúszást hoz létre.

Az aszinkron generátorok forgórészének felépítése:

• rövidzárlat;

• fázis;

• üreges.

Az aszinkron generátorok rendelkezhetnek:

1. önálló izgalom;

2. öngerjesztés.

Az első esetben külső váltakozó feszültségforrást, a másodikban pedig félvezető átalakítókat vagy kondenzátorokat használnak az elsődleges, szekunder vagy mindkét típusú áramkörben.

Így a váltakozó áramú generátorok és az egyenáramú generátorok felépítési elveiben sok közös vonást mutatnak, de bizonyos elemek kialakításában különböznek.