Как работят генераторите за променлив и постоянен ток?

Терминът «поколение» в електротехниката идва от латинския език. Означава „раждане“. По отношение на енергията можем да кажем, че генераторите са технически устройства, които генерират електричество.

В този случай трябва да се отбележи, че електрически ток може да се произвежда чрез преобразуване на различни видове енергия, например:

• химически;

• светлина;

• термични и други.

Исторически генераторите са конструкции, които преобразуват кинетичната енергия на въртене в електричество.

По вида на генерираната електроенергия генераторите са:

1. постоянен ток;

2. променлива.

Принципът на работа на най -простия генератор

Физическите закони, които правят възможно създаването на съвременни електрически инсталации за генериране на електричество чрез трансформиране на механична енергия, са открити от учените Ерстед и Фарадей.

Всеки дизайн на генератора се прилага принцип на електромагнитна индукциякогато има индукция на електрически ток в затворена рамка поради пресичането й с въртящо се магнитно поле, което се създава постоянни магнити в опростени модели за домашна употреба или намотки за възбуждане върху промишлени продукти с повишена мощност.

Когато завъртите рамката, величината на магнитния поток се променя.

Електродвижещата сила, индуцирана в контура, зависи от скоростта на промяна на магнитния поток, проникващ в контура в затворен контур S, и е правопропорционален на неговата стойност. Колкото по -бързо се върти роторът, толкова по -високо е генерираното напрежение.

За да се създаде затворен контур и да се отклони електрически ток от него, беше необходимо да се създаде колектор и четка, която осигурява постоянен контакт между въртящата се рамка и неподвижна част от веригата.

Поради конструкцията на пружинирани четки, притиснати към колекторните плочи, електрическият ток се предава към изходните клеми и от тях преминава към мрежата на потребителя.

Принципът на работа на най -простия DC генератор

Когато рамката се върти около оста, лявата и дясната й половина циклично преминават около южния или северния полюс на магнитите. Всеки път в тях има промяна в посоката на токовете в обратната, така че на всеки полюс те да текат в една посока.

За да се създаде постоянен ток във изходната верига, на колекторния възел се създава полу-пръстен за всяка половина от намотката. Четките в съседство с пръстена премахват потенциала само на техния знак: положителен или отрицателен.

Тъй като полу-пръстенът на въртящата се рамка е отворен, в него се създават моменти, когато токът достигне максималната си стойност или отсъства. За да се поддържа не само посоката, но и постоянна стойност на генерираното напрежение, рамката е направена по специално подготвена технология:

• тя използва не една намотка, а няколко — в зависимост от величината на планираното напрежение;

• броят на кадрите не е ограничен до едно копие: те се опитват да направят достатъчен брой за оптимално поддържане на спада на напрежението на същото ниво.

При DC генератора намотките на ротора са разположени в слотовете магнитна верига… Това позволява да се намали загубата на индуцираното електромагнитно поле.

Характеристики на конструкцията на DC генератори

Основните елементи на устройството са:

• външна захранваща рамка;

• магнитни полюси;

• статор;

• въртящ се ротор;

• превключващ блок с четки.

Кадър изработени от стоманени сплави или чугун за придаване на механична якост на цялостната структура. Допълнителна задача на корпуса е да прехвърли магнитния поток между полюсите.

Полюси от магнити закрепени към тялото с щифтове или болтове. Върху тях е монтирана намотка.

Статор, наричан още иго или скелет, е направен от феромагнитни материали. Намотката на възбуждащата бобина е поставена върху нея. Ядро на статора оборудван с магнитни полюси, формиращи неговото магнитно поле.

Ротор има синоним: котва. Магнитното му ядро ​​се състои от ламинирани плочи, които намаляват образуването на вихрови токове и повишават ефективността. Намотките на ротора и / или самовъзбуждането са положени в каналите на сърцевината.

Превключващ възел с четки, той може да има различен брой полюси, но винаги е кратен на два. Материалът на четките обикновено е графит. Колекторните плочи са изработени от мед, като най -оптималния метал, подходящ за електрическите свойства на токопроводимостта.

Благодарение на използването на превключвател, на изходните клеми на DC генератора се генерира пулсиращ сигнал.

Основните видове конструкции на DC генератори

По вида на захранването на намотката за възбуждане се разграничават устройства:

1. със самовъзбуждане;

2. работещи на основата на независимо включване.

Първите продукти могат:

• използвайте постоянни магнити;

• или работете от външни източници, например батерии, вятърни турбини …

Генераторите с независимо превключване работят от собствена намотка, която може да бъде свързана:

• последователно;

• шунтове или паралелно възбуждане.

Една от опциите за такава връзка е показана на диаграмата.

Пример за DC генератор е дизайн, който често се е използвал в автомобилното инженерство в миналото. Структурата му е същата като на асинхронния двигател.

Такива колекторни конструкции могат да работят едновременно в режим двигател или генератор. Поради това те станаха широко разпространени в съществуващите хибридни превозни средства.

Процес на образуване на котва

Това се случва в режим на празен ход, когато силата на натискане на четката е неправилно регулирана, което създава неоптимален режим на триене. Това може да доведе до намаляване на магнитните полета или пожар поради увеличеното образуване на искри.

Начините за намаляване са:

• компенсация на магнитни полета чрез свързване на допълнителни полюси;

• регулиране на изместването на положението на колекторните четки.

Предимства на DC генераторите

Те включват:

• без загуби поради хистерезис и образуване на вихрови токове;

• работа в екстремни условия;

• намалено тегло и малки размери.

Принципът на работа на най -простия алтернатор

Вътре в този дизайн се използват същите детайли, както в предишния аналог:

• магнитно поле;

• въртяща се рамка;

• колекторен блок с четки за оттичане на ток.

Основната разлика се състои в дизайна на колекторния възел, който е проектиран така, че когато рамката се върти през четките, контактът се създава постоянно с половината от рамката, без да се променя циклично тяхното положение.

Поради това токът, който се променя според законите на хармониците във всяка половина, се прехвърля напълно непроменен към четките и след това през тях към веригата на потребителя.

Естествено, рамката се създава чрез навиване не от един завой, а изчислен брой от тях за постигане на оптималното напрежение.

По този начин принципът на работа на DC и AC генератори е общ, а дизайнерските разлики са в производството на:

• колекторен възел на въртящ се ротор;

• конфигурация на намотките на ротора.

Характеристики на дизайна на промишлени алтернатори

Помислете за основните части на индустриален индукционен генератор, в който роторът получава ротационно движение от близката турбина. В конструкцията на статора е включен електромагнит (въпреки че магнитното поле може да бъде създадено от набор от постоянни магнити) и намотка на ротор с определен брой завои.

Във всеки контур се индуцира електромоторна сила, която се добавя последователно във всеки от тях и образува на изходните клеми общата стойност на напрежението, подадено към захранващата верига на свързаните консуматори.

За да се увеличи амплитудата на ЕМП на изхода на генератора, се използва специална конструкция на магнитната система, направена от две магнитни вериги поради използването на специални марки електрическа стомана под формата на ламинирани плочи с канали. Вътре в тях са монтирани намотки.

В корпуса на генератора има ядро ​​на статор с канали за поемане на намотка, която създава магнитно поле.

Роторът, въртящ се върху лагери, също има магнитна верига с прорези, вътре в която е монтирана намотка, която получава индуцирана ЕМП. Обикновено хоризонталната посока се избира за оста на въртене, въпреки че има генератори с вертикално разположение и съответния дизайн на лагерите.

Винаги се създава празнина между статора и ротора, което е необходимо, за да се осигури въртене и да се предотврати засядане. Но в същото време в него има загуба на магнитна индукционна енергия. Затова те се опитват да го направят възможно най -малък, като вземат предвид и двете изисквания по оптимален начин.

Разположен на същия вал като ротора, възбудителят е генератор на постоянен ток с относително ниска мощност. Неговата цел: да доставя електричество към намотките на генератор на енергия в състояние на независимо възбуждане.

Такива възбудители най -често се използват с конструкции на турбинни или хидравлични генератори при създаване на основен или резервен метод на възбуждане.

Снимката на индустриален генератор показва подреждането на колекторни пръстени и четки за улавяне на токове от въртяща се роторна конструкция. По време на работа това устройство е подложено на постоянно механично и електрическо напрежение. За преодоляването им се създава сложна структура, която по време на работа изисква периодични проверки и превантивни мерки.

За да се намалят генерираните експлоатационни разходи, се използва различна, алтернативна технология, която също използва взаимодействието между въртящите се електромагнитни полета. На ротора се поставят само постоянни или електрически магнити и напрежението се отстранява от неподвижната намотка.

При създаването на такава верига такава структура може да се нарече терминът «алтернатор». Използва се в синхронни генератори: високочестотни, автомобилни, дизелови локомотиви и кораби, инсталации на електроцентрали за производство на електроенергия.

Характеристики на синхронните генератори

Принцип на действие

Името и отличителната черта на действието се крие в създаването на твърда връзка между честотата на променливата електромоторна сила, индуцирана в намотката на статора «f», и въртенето на ротора.

В статора е монтирана трифазна намотка, а на ротора има електромагнит със сърцевина и възбуждаща намотка, захранвана от DC вериги през четков колектор.

Роторът се задвижва във въртене от източник на механична енергия — задвижващ двигател със същата скорост. Неговото магнитно поле прави същото движение.

В намотките на статора се предизвикват електродвижещи сили със същата величина, но изместени със 120 градуса по посока, създавайки трифазна симетрична система.

Когато са свързани към краищата на намотките на потребителските вериги, във веригата започват да действат фазови токове, които образуват магнитно поле, въртящо се по същия начин: синхронно.

Формата на изходния сигнал на индуцираната ЕМП зависи само от закона за разпределение на вектора на магнитната индукция в пролуката между полюсите на ротора и плочите на статора. Следователно те се стремят да създадат такъв дизайн, когато величината на индукцията се промени според синусоидален закон.

Когато пролуката е постоянна, векторът на потока вътре в празнината е трапецовиден, както е показано на графиката на линии 1.

Ако обаче формата на ръбовете при полюсите се коригира до наклонена с промяна на празнината до максималната стойност, тогава е възможно да се постигне синусоидална форма на разпределението, както е показано на ред 2. Тази техника се използва на практика.

Вериги за възбуждане за синхронни генератори

Магнитодвижещата сила, възникваща върху възбуждащата намотка на «OB» на ротора, създава неговото магнитно поле. За това има различни дизайни на DC възбудители, базирани на:

1. метод на контакт;

2. безконтактен метод.

В първия случай се използва отделен генератор, наречен възбудител «B». Неговата намотка за възбуждане се захранва от допълнителен генератор съгласно принципа на паралелното възбуждане, наречен «PV» възбудител.

Всички ротори са разположени на общ вал. Поради това те се въртят по абсолютно същия начин. Реостати r1 и r2 се използват за регулиране на токовете във възбуждащите и усилвателните вериги.

С безконтактния метод няма плъзгащи пръстени на ротора. Трифазна намотка на възбудителя е монтирана директно върху него. Той се върти синхронно с ротора и предава електрически постоянен ток през съвместно въртящия се токоизправител директно към намотката на възбудителя «В».

Видовете безконтактни вериги са:

1. система за самовъзбуждане от собствена намотка на статора;

2. автоматизирана схема.

При първия метод напрежението от намотките на статора се подава към понижаващия трансформатор, а след това към полупроводниковия токоизправител «PP», който генерира постоянен ток.

С този метод първоначалното вълнение се създава поради явлението остатъчен магнетизъм.

Автоматичната схема за създаване на самовъзбуждане включва използването на:

• трансформатор на напрежение VT;

• автоматизиран регулатор на възбуждане ATS;

• токов трансформатор TT;

• токоизправител VT;

• тиристорен преобразувател TP;

• защитен блок BZ.

Характеристики на асинхронните генератори

Основната разлика между тези конструкции е липсата на твърда връзка между скоростта на ротора (nr) и ЕМП, индуцирана в намотката (n). Между тях винаги има разлика, която се нарича „подхлъзване“. Той се обозначава с латинската буква „S“ и се изразява с формулата S = (n-nr) / n.

Когато товарът е свързан към генератора, се създава спирачен момент за завъртане на ротора. Той влияе върху честотата на генерирания ЕМП, създава отрицателно приплъзване.

Конструкцията на ротора за асинхронни генератори е направена:

• късо съединение;

• фаза;

• куха.

Асинхронните генератори могат да имат:

1. независимо вълнение;

2. самовъзбуждане.

В първия случай се използва външен източник на променливо напрежение, а във втория се използват полупроводникови преобразуватели или кондензатори в първичната, вторичната или и двата типа вериги.

По този начин алтернаторите и генераторите на постоянен ток имат много общи черти в принципите на изграждане, но се различават по дизайна на определени елементи.