Jak działają generatory AC i DC?

Termin „pokolenie” w elektrotechnice pochodzi z języka łacińskiego. Oznacza „narodziny”. Jeśli chodzi o energię, możemy powiedzieć, że generatory to urządzenia techniczne, które wytwarzają energię elektryczną.

W tym przypadku należy zauważyć, że prąd elektryczny może być wytwarzany poprzez przetwarzanie różnych rodzajów energii, na przykład:

• chemiczny;

• światło;

• termiczne i inne.

Historycznie rzecz biorąc, generatory to konstrukcje, które przekształcają energię kinetyczną obrotu w energię elektryczną.

W zależności od rodzaju wytwarzanej energii elektrycznej generatory to:

1. prąd stały;

2. zmienna.

Zasada działania najprostszego generatora

Prawa fizyczne, które umożliwiają tworzenie nowoczesnych instalacji elektrycznych do wytwarzania energii elektrycznej poprzez transformację energii mechanicznej, odkryli naukowcy Oersted i Faraday.

Obowiązuje dowolny projekt generatora zasada indukcji elektromagnetycznejgdy dochodzi do indukcji prądu elektrycznego w zamkniętej ramie w wyniku jej przecięcia z tworzonym wirującym polem magnetycznym magnesy trwałe w uproszczonych modelach do użytku domowego lub cewkach wzbudzających na produktach przemysłowych o zwiększonej mocy.

Podczas obracania pierścienia zmienia się wielkość strumienia magnetycznego.

Siła elektromotoryczna indukowana w pętli zależy od szybkości zmian strumienia magnetycznego przechodzącego przez pętlę w zamkniętej pętli S i jest wprost proporcjonalna do jej wartości. Im szybciej obraca się wirnik, tym wyższe jest generowane napięcie.

Aby stworzyć zamkniętą pętlę i odprowadzić z niej prąd elektryczny, konieczne było stworzenie kolektora i szczotki, które zapewniają stały kontakt między obracającą się ramą a nieruchomą częścią obwodu.

Dzięki konstrukcji sprężynowych szczotek dociskanych do płyt kolektora prąd elektryczny przekazywany jest do zacisków wyjściowych, a z nich do sieci odbiorczej.

Zasada działania najprostszego generatora prądu stałego

Gdy rama obraca się wokół osi, jej lewa i prawa połowa obracają się wokół południowych lub północnych biegunów magnesów. Za każdym razem następuje w nich zmiana kierunku prądów na odwrót, tak że na każdym biegunie płyną one w jednym kierunku.

Aby wytworzyć prąd stały w obwodzie wyjściowym, w węźle kolektora tworzony jest półpierścień dla każdej połowy cewki. Szczotki przylegające do pierścienia usuwają potencjał tylko ich znaku: dodatniego lub ujemnego.

Ponieważ półpierścień obracającej się ramy jest otwarty, powstają w nim momenty, gdy prąd osiąga swoją maksymalną wartość lub jest nieobecny. Aby zachować nie tylko kierunek, ale i stałą wartość generowanego napięcia, rama wykonana jest według specjalnie opracowanej technologii:

• wykorzystuje nie jedną cewkę, ale kilka — w zależności od wielkości planowanego napięcia;

• liczba klatek nie jest ograniczona do jednej kopii: starają się wykonać wystarczającą liczbę, aby optymalnie utrzymać spadek napięcia na tym samym poziomie.

W generatorze prądu stałego uzwojenia wirnika znajdują się w żłobkach obwód magnetyczny… Pozwala to zmniejszyć straty indukowanego pola elektromagnetycznego.

Cechy konstrukcyjne generatorów prądu stałego

Główne elementy urządzenia to:

• zewnętrzna rama zasilająca;

• bieguny magnetyczne;

• stojan;

• obracający się wirnik;

• blok przełączników ze szczotkami.

Rama wykonana ze stopów stali lub żeliwa, aby nadać całej konstrukcji wytrzymałość mechaniczną. Dodatkowym zadaniem obudowy jest przenoszenie strumienia magnetycznego pomiędzy biegunami.

Bieguny magnesów przymocowane do korpusu za pomocą szpilek lub śrub. Na nich zamontowana jest cewka.

Stojan, zwany także jarzmem lub szkieletem, wykonany jest z materiałów ferromagnetycznych. Cewka cewki wzbudzenia jest na nim umieszczona. Rdzeń stojana wyposażony w bieguny magnetyczne tworzące jego pole magnetyczne.

Rotor ma synonim: kotwica. Jego rdzeń magnetyczny składa się z laminowanych płyt, które ograniczają powstawanie prądów wirowych i zwiększają wydajność. W kanałach rdzenia ułożony jest wirnik i/lub uzwojenia samowzbudzenia.

Węzeł przełączający ze szczotkami, może mieć różną liczbę biegunów, ale zawsze jest wielokrotnością dwóch. Materiał pędzla to zwykle grafit. Płytki kolektorów wykonane są z miedzi, jako najbardziej optymalnego metalu odpowiedniego do właściwości elektrycznych przewodzenia prądu.

Dzięki zastosowaniu przełącznika na zaciskach wyjściowych generatora prądu stałego generowany jest sygnał pulsujący.

Główne typy konstrukcji prądnic prądu stałego

W zależności od rodzaju zasilania cewki wzbudzającej wyróżnia się urządzenia:

1. z samowzbudzeniem;

2. działające na zasadzie niezależnej inkluzji.

Pierwsze produkty mogą:

• używaj magnesów trwałych;

• lub działają ze źródeł zewnętrznych, np. akumulatorów, turbin wiatrowych...

Niezależnie przełączane generatory działają z własnego uzwojenia, które można podłączyć:

• sekwencyjnie;

• boczniki lub wzbudzenie równoległe.

Jedna z opcji takiego połączenia jest pokazana na schemacie.

Przykładem generatora prądu stałego jest konstrukcja, która w przeszłości była często stosowana w inżynierii samochodowej. Jego budowa jest taka sama jak silnika indukcyjnego.

Takie konstrukcje kolektorów mogą pracować jednocześnie w trybie silnika lub generatora. Z tego powodu stały się one powszechne w istniejących pojazdach hybrydowych.

Proces formowania kotwicy

Dzieje się tak w trybie bezczynności, gdy nacisk szczotek jest nieprawidłowo wyregulowany, tworząc nieoptymalny tryb tarcia. Może to prowadzić do zmniejszenia pola magnetycznego lub pożaru z powodu zwiększonego iskrzenia.

Sposoby redukcji to:

• kompensacja pól magnetycznych poprzez podłączenie dodatkowych biegunów;

• regulacja przesunięcia położenia szczotek kolektora.

Zalety generatorów prądu stałego

Zawierają:

• bez strat spowodowanych histerezą i powstawaniem prądów wirowych;

• praca w ekstremalnych warunkach;

• zmniejszona waga i małe wymiary.

Zasada działania najprostszego alternatora

Wewnątrz tego projektu zastosowano te same szczegóły, co w poprzednim analogu:

• pole magnetyczne;

• obracająca się rama;

• blok kolektora z prądowymi szczotkami spustowymi.

Główna różnica polega na konstrukcji zespołu kolektora, który jest zaprojektowany tak, że gdy rama obraca się przez szczotki, następuje stały kontakt z połową ramy bez cyklicznej zmiany ich położenia.

Dlatego prąd, który zmienia się zgodnie z prawami harmonicznych w każdej połowie, jest przekazywany całkowicie niezmieniony do szczotek, a następnie przez nie do obwodu odbiorczego.

Oczywiście rama jest tworzona przez nawijanie nie z jednego obrotu, ale obliczoną ich liczbę, aby uzyskać optymalne napięcie.

Zatem zasada działania generatorów prądu stałego i przemiennego jest wspólna, a różnice konstrukcyjne dotyczą produkcji:

• obrotowy zespół kolektora wirnika;

• konfiguracja uzwojenia wirnika.

Cechy konstrukcyjne alternatorów przemysłowych

Rozważ główne części przemysłowego generatora indukcyjnego, w którym wirnik otrzymuje ruch obrotowy z pobliskiej turbiny. Konstrukcja stojana zawiera elektromagnes (choć pole magnetyczne może być wytwarzane przez zespół magnesów trwałych) oraz uzwojenie wirnika o określonej liczbie zwojów.

W każdej pętli indukowana jest siła elektromotoryczna, która jest sukcesywnie sumowana w każdej z nich i tworzy na zaciskach wyjściowych całkowitą wartość napięcia dostarczanego do obwodu zasilania podłączonych odbiorników.

Aby zwiększyć amplitudę pola elektromagnetycznego na wyjściu generatora, zastosowano specjalną konstrukcję układu magnetycznego, wykonaną z dwóch obwodów magnetycznych dzięki zastosowaniu specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej w postaci laminowanych płyt z kanałami. Wewnątrz nich zainstalowane są cewki.

W obudowie generatora znajduje się rdzeń stojana z kanałami do umieszczenia cewki wytwarzającej pole magnetyczne.

Wirnik obracający się na łożyskach ma również szczelinowy obwód magnetyczny, wewnątrz którego zamontowana jest cewka odbierająca indukowane pole elektromagnetyczne. Zwykle dla osi obrotu wybiera się kierunek poziomy, chociaż istnieją generatory z układem pionowym i odpowiednią konstrukcją łożysk.

Pomiędzy stojanem a wirnikiem zawsze powstaje szczelina, która jest niezbędna do zapewnienia obrotu i uniknięcia zakleszczenia. Ale jednocześnie następuje w nim utrata energii indukcji magnetycznej. Dlatego starają się, aby był on jak najmniejszy, uwzględniając w optymalny sposób oba wymagania.

Umieszczony na tym samym wale co wirnik, wzbudnica jest generatorem prądu stałego o stosunkowo małej mocy. Jego cel: dostarczanie energii elektrycznej do uzwojeń generatora prądu w stanie niezależnego wzbudzenia.

Takie wzbudniki są najczęściej stosowane w konstrukcjach turbin lub generatorów hydraulicznych przy tworzeniu pierwotnej lub rezerwowej metody wzbudzania.

Zdjęcie generatora przemysłowego pokazuje układ pierścieni ślizgowych i szczotek do wychwytywania prądów z obracającej się struktury wirnika. Podczas pracy urządzenie to jest poddawane ciągłym obciążeniom mechanicznym i elektrycznym. Aby je pokonać, tworzona jest złożona konstrukcja, która podczas eksploatacji wymaga okresowych kontroli i działań zapobiegawczych.

W celu obniżenia generowanych kosztów eksploatacyjnych stosowana jest inna, alternatywna technologia wykorzystująca również interakcję między wirującymi polami elektromagnetycznymi. Na wirniku umieszczane są tylko magnesy stałe lub elektryczne, a napięcie jest usuwane z nieruchomej cewki.

Tworząc taki obwód, taką strukturę można nazwać terminem «alternator». Znajduje zastosowanie w generatorach synchronicznych: wielkiej częstotliwości, samochodowych, lokomotywach i statkach spalinowych, instalacjach elektrowni do produkcji energii elektrycznej.

Charakterystyka generatorów synchronicznych

Zasada działania

Nazwa i charakterystyczna cecha działania polega na stworzeniu sztywnego związku między częstotliwością przemiennej siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu stojana „f” a obrotami wirnika.

W stojanie zamontowane jest uzwojenie trójfazowe, a na wirniku elektromagnes z rdzeniem i uzwojeniem wzbudzającym, zasilanym obwodami prądu stałego przez kolektor szczotkowy.

Wirnik jest wprawiany w ruch obrotowy przez źródło energii mechanicznej — silnik napędowy o tej samej prędkości. Jego pole magnetyczne wykonuje ten sam ruch.

W uzwojeniach stojana indukowane są siły elektromotoryczne o tej samej wielkości, ale przesunięte w kierunku o 120 stopni, tworząc symetryczny układ trójfazowy.

Kiedy są podłączone do końców uzwojeń obwodów odbiorczych, w obwodzie zaczynają działać prądy fazowe, które tworzą pole magnetyczne obracające się w ten sam sposób: synchronicznie.

Postać sygnału wyjściowego indukowanego pola elektromagnetycznego zależy tylko od prawa rozkładu wektora indukcji magnetycznej w szczelinie między biegunami wirnika a płytkami stojana. Dlatego starają się stworzyć taki projekt, gdy wielkość indukcji zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym.

Gdy szczelina jest stała, wektor przepływu wewnątrz szczeliny ma kształt trapezu, jak pokazano na wykresie liniowym 1.

Jeśli jednak kształt prążków na biegunach zostanie skorygowany tak, aby były skośne poprzez zmianę szczeliny na wartość maksymalną, to możliwe jest uzyskanie sinusoidalnego kształtu rozkładu, jak pokazano w wierszu 2. Technika ta jest stosowana w praktyce.

Obwody wzbudzenia generatorów synchronicznych

Siła magnetomotoryczna powstająca na uzwojeniu wzbudzenia wirnika „OB” wytwarza jego pole magnetyczne. W tym celu istnieją różne konstrukcje wzbudnic DC oparte na:

1. sposób kontaktu;

2. metoda bezkontaktowa.

W pierwszym przypadku używany jest osobny generator zwany wzbudnicą „B”. Jego cewka wzbudzająca zasilana jest z dodatkowego generatora działającego na zasadzie wzbudzenia równoległego, zwanego wzbudnicą „PV”.

Wszystkie wirniki znajdują się na wspólnym wale. Dlatego obracają się dokładnie w ten sam sposób. Reostaty r1 i r2 służą do regulacji prądów w obwodach wzbudzenia i wzmacniacza.

W przypadku metody bezkontaktowej na wirniku nie ma pierścieni ślizgowych. Bezpośrednio na nim zamontowane jest trójfazowe uzwojenie wzbudnicy. Obraca się synchronicznie z wirnikiem i przesyła prąd stały przez współbieżny prostownik bezpośrednio do uzwojenia wzbudnicy „B”.

Rodzaje obwodów bezdotykowych to:

1. układ samowzbudzenia z uzwojenia własnego stojana;

2. zautomatyzowany schemat.

W pierwszym sposobie napięcie z uzwojeń stojana podawane jest do transformatora obniżającego napięcie, a następnie do prostownika półprzewodnikowego „PP”, który wytwarza prąd stały.

Dzięki tej metodzie początkowe wzbudzenie powstaje w wyniku zjawiska magnetyzmu szczątkowego.

Automatyczny schemat tworzenia samowzbudzenia polega na wykorzystaniu:

• przekładnik napięciowy VT;

• automatyczny regulator wzbudzenia ATS;

• przekładnik prądowy TT;

• prostownik VT;

• przekształtnik tyrystorowy TP;

• blok ochronny BZ.

Charakterystyka generatorów asynchronicznych

Główną różnicą między tymi konstrukcjami jest brak sztywnej zależności między prędkością wirnika (nr) a polem elektromagnetycznym indukowanym w cewce (n). Zawsze istnieje między nimi różnica, która nazywa się „poślizgiem”. Jest oznaczony łacińską literą „S” i jest wyrażony wzorem S = (n-nr) / n.

Gdy obciążenie jest podłączone do generatora, powstaje moment hamujący, który obraca wirnik. Wpływa na częstotliwość generowanego pola elektromagnetycznego, tworzy ujemny poślizg.

Konstrukcja wirnika do generatorów asynchronicznych jest wykonana:

• zwarcie;

• faza;

• dziurawy.

Generatory asynchroniczne mogą mieć:

1. niezależne podniecenie;

2. samowzbudzenie.

W pierwszym przypadku stosuje się zewnętrzne źródło napięcia przemiennego, w drugim stosuje się przetwornice półprzewodnikowe lub kondensatory w obwodach pierwotnych, wtórnych lub w obu rodzajach obwodów.

Tak więc alternatory i prądnice prądu stałego mają wiele wspólnego w zasadach budowy, ale różnią się konstrukcją niektórych elementów.