Hur fungerar AC- och DC-generatorer?

Termen "generation" inom elektroteknik kommer från det latinska språket. Det betyder "födelse". När det gäller energi kan vi säga att generatorer är tekniska enheter som genererar el.

I det här fallet bör det noteras att elektrisk ström kan produceras genom att omvandla olika typer av energi, till exempel:

• kemisk;

• ljus;

• termiska och andra.

Historiskt sett är generatorer strukturer som omvandlar den kinetiska rotationsenergin till elektricitet.

Beroende på vilken typ av el som genereras är generatorerna:

1. likström;

2. variabel.

Funktionsprincipen för den enklaste generatorn

De fysiska lagarna som gör det möjligt att skapa moderna elektriska installationer för att generera elektricitet genom att omvandla mekanisk energi upptäcktes av forskarna Oersted och Faraday.

Alla generatorkonstruktioner gäller principen för elektromagnetisk induktionnär det finns en induktion av en elektrisk ström i en sluten ram på grund av dess skärning med ett roterande magnetfält som skapas permanentmagneter i förenklade modeller för hemmabruk eller magnetiseringsspolar på industriprodukter med ökad effekt.

När du roterar ramen ändras storleken på det magnetiska flödet.

Den elektromotoriska kraften som induceras i slingan beror på förändringshastigheten för det magnetiska flödet som penetrerar slingan i en sluten slinga S och är direkt proportionell mot dess värde. Ju snabbare rotorn snurrar, desto högre spänning genereras.

För att skapa en sluten slinga och avleda elektrisk ström från den var det nödvändigt att skapa en kollektor och en borste som ger konstant kontakt mellan den roterande ramen och en stationär del av kretsen.

På grund av konstruktionen av fjäderbelastade borstar som pressas mot kollektorplattorna, överförs den elektriska strömmen till utgångsterminalerna och går från dem till konsumentens nätverk.

Funktionsprincipen för den enklaste DC-generatorn

När ramen roterar runt axeln cirkulerar dess vänstra och högra halvor runt magneternas syd- eller nordpoler. Varje gång i dem sker en förändring i riktningen för strömmarna i omvänd riktning, så att de vid varje pol flyter i en riktning.

För att skapa en likström i utgångskretsen skapas en halvring vid kollektornoden för varje halva av spolen. Borstar intill ringen tar bara bort potentialen för deras tecken: positivt eller negativt.

Eftersom den roterande ramens halvring är öppen skapas moment i den när strömmen når sitt maximala värde eller är frånvarande. För att upprätthålla inte bara riktningen utan också ett konstant värde på den genererade spänningen, är ramen gjord enligt en speciellt förberedd teknik:

• den använder inte en spole, utan flera — beroende på storleken på den planerade spänningen;

• antalet ramar är inte begränsat till en kopia: de försöker göra ett tillräckligt antal för att optimalt bibehålla spänningsfallet på samma nivå.

I DC-generatorn är rotorlindningarna placerade i spåren magnetisk krets… Detta gör det möjligt att minska förlusten av det inducerade elektromagnetiska fältet.

Designegenskaper hos DC-generatorer

Huvudelementen i enheten är:

• extern kraftram;

• magnetiska poler;

• stator;

• roterande rotor;

• växelblock med borstar.

Ram gjord av stållegeringar eller gjutjärn för att ge mekanisk styrka till den övergripande strukturen. En ytterligare uppgift för huset är att överföra det magnetiska flödet mellan polerna.

Poler av magneter fästa på kroppen med stift eller bultar. En spole är monterad på dem.

En stator, även kallad ett ok eller skelett, är gjord av ferromagnetiska material. Excitationsspolens spole placeras på den. Statorkärna utrustad med magnetiska poler som bildar dess magnetfält.

Rotor har en synonym: ankare. Dess magnetiska kärna består av laminerade plattor som minskar bildningen av virvelströmmar och ökar effektiviteten. Rotor- och/eller självexciterande lindningar läggs i kärnkanalerna.

En växlingsnod med borstar, den kan ha olika antal poler, men är alltid en multipel av två. Borstmaterialet är vanligtvis grafit. Kollektorplattorna är gjorda av koppar, som den mest optimala metallen lämplig för strömlednings elektriska egenskaper.

Tack vare användningen av en omkopplare genereras en pulserande signal vid DC-generatorns utgångsterminaler.

Huvudtyperna av konstruktioner av DC-generatorer

Beroende på typen av strömförsörjning av excitationsspolen särskiljs enheterna:

1. med självexcitering;

2. Verksamhet på grundval av oberoende integration.

De första produkterna kan:

• använd permanentmagneter;

• eller driva från externa källor, t.ex. batterier, vindkraftverk...

Oberoende kopplade generatorer arbetar från sin egen lindning, som kan anslutas:

• sekventiellt;

• shunts eller parallell excitation.

Ett av alternativen för en sådan anslutning visas i diagrammet.

Ett exempel på en likströmsgenerator är en design som ofta användes inom fordonsteknik förr i tiden. Dess struktur är densamma som en induktionsmotor.

Sådana kollektorstrukturer kan arbeta samtidigt i motor- eller generatorläge. På grund av detta har de blivit utbredda i befintliga hybridfordon.

Ankarbildningsprocess

Detta inträffar i viloläge när borsttrycket är felaktigt justerat, vilket skapar ett suboptimalt friktionsläge. Detta kan leda till minskning av magnetfält eller brand på grund av ökad gnistbildning.

Sätten att minska är:

• kompensation av magnetfält genom att ansluta ytterligare poler;

• justering av förskjutningen av kollektorborstarnas position.

Fördelar med DC-generatorer

De inkluderar:

• utan förluster på grund av hysteres och virvelströmsbildning;

• arbeta under extrema förhållanden;

• reducerad vikt och små dimensioner.

Funktionsprincipen för den enklaste generatorn

Inuti denna design används samma detaljer som i föregående analog:

• magnetiskt fält;

• roterande ram;

• kollektorblock med nuvarande avloppsborstar.

Huvudskillnaden ligger i utformningen av uppsamlarenheten, som är utformad så att när ramen roterar genom borstarna, skapas konstant kontakt med hälften av ramen utan att cykliskt ändra deras position.

Därför överförs strömmen, som ändras enligt övertonernas lagar i varje halva, helt oförändrad till borstarna och sedan genom dem till konsumentkretsen.

Naturligtvis skapas ramen genom att linda inte från ett varv, utan ett beräknat antal av dem för att uppnå optimal spänning.

Således är principen för drift av DC- och AC-generatorer vanlig, och designskillnaderna är i produktionen av:

• roterande rotorkollektorenhet;

• rotorlindningskonfiguration.

Designegenskaper hos industriella generatorer

Betrakta huvuddelarna av en industriell induktionsgenerator där rotorn tar emot rotationsrörelse från en närliggande turbin. Statorkonstruktionen inkluderar en elektromagnet (även om magnetfältet kan skapas av en uppsättning permanentmagneter) och en rotorlindning med ett visst antal varv.

En elektromotorisk kraft induceras i varje slinga, som successivt adderas i var och en av dem och bildar vid utgångsterminalerna det totala värdet av spänningen som tillförs matningskretsen för de anslutna förbrukarna.

För att öka amplituden av EMF vid utgången av generatorn används en speciell design av magnetsystemet, gjord av två magnetiska kretsar på grund av användningen av speciella kvaliteter av elektriskt stål i form av laminerade plattor med kanaler. Spolar är installerade inuti dem.

I generatorhuset finns en statorkärna med kanaler för att rymma en spole som skapar ett magnetfält.

Rotorn som roterar på lager har också en slitsad magnetisk krets inuti vilken är monterad en spole som tar emot en inducerad EMF. Vanligtvis väljs den horisontella riktningen för rotationsaxeln, även om det finns generatorer med ett vertikalt arrangemang och motsvarande utformning av lagren.

Det skapas alltid ett mellanrum mellan statorn och rotorn, vilket är nödvändigt för att säkerställa rotation och förhindra stopp. Men samtidigt finns det en förlust av magnetisk induktionsenergi i den. Därför försöker de göra den så liten som möjligt, med hänsyn till båda kraven på ett optimalt sätt.

Placerad på samma axel som rotorn, är excitern en likströmsgenerator med relativt låg effekt. Dess syfte: att leverera el till lindningarna på en kraftgenerator i ett tillstånd av oberoende excitation.

Sådana exciterare används oftast med turbin- eller hydraulgeneratorkonstruktioner när man skapar en primär eller backupmetod för excitering.

Fotot av en industriell generator visar arrangemanget av släpringar och borstar för att fånga strömmar från en roterande rotorstruktur. Under drift utsätts denna enhet för konstant mekanisk och elektrisk påfrestning. För att övervinna dem skapas en komplex struktur, som under drift kräver periodiska kontroller och förebyggande åtgärder.

För att minska de genererade driftskostnaderna används en annan, alternativ teknik som också utnyttjar interaktionen mellan roterande elektromagnetiska fält. Endast permanenta eller elektriska magneter placeras på rotorn och spänningen tas bort från den stationära spolen.

När man skapar en sådan krets kan en sådan struktur kallas termen "generator". Det används i synkrona generatorer: högfrekvens-, bil-, diesellokomotiv och fartyg, kraftverksinstallationer för produktion av el.

Egenskaper för synkrona generatorer

Funktionsprincip

Namnet och särdragen för handlingen ligger i skapandet av en stel koppling mellan frekvensen av den alternerande elektromotoriska kraften som induceras i statorlindningen «f» och rotorns rotation.

En trefaslindning är monterad i statorn, och på rotorn finns en elektromagnet med en kärna och en spännande lindning matad av DC-kretsar genom en borstsamlare.

Rotorn drivs till rotation av en källa till mekanisk energi - en drivmotor med samma hastighet. Dess magnetfält gör samma rörelse.

Elektromotoriska krafter av samma storlek men förskjutna med 120 grader i riktning induceras i statorlindningarna, vilket skapar ett trefas symmetriskt system.

När de är anslutna till ändarna av konsumentkretsarnas lindningar börjar fasströmmar att verka i kretsen, som bildar ett magnetfält som roterar på samma sätt: synkront.

Formen på utsignalen från den inducerade EMF beror endast på fördelningen av den magnetiska induktionsvektorn i gapet mellan rotorpolerna och statorplattorna. Därför försöker de skapa en sådan design när storleken på induktionen ändras enligt en sinusform.

När gapet är konstant är flödesvektorn inuti gapet trapetsformad, som visas i linjediagram 1.

Men om formen på fransarna vid polerna korrigeras för att bli sned genom att ändra gapet till maximalt värde, så är det möjligt att uppnå en sinusform av fördelningen som visas på rad 2. Denna teknik används i praktiken.

Exciteringskretsar för synkrona generatorer

Den magnetomotoriska kraften som uppstår på magnetiseringslindningen hos rotorn «OB» skapar dess magnetfält. För detta finns det olika DC-exciterdesigner baserade på:

1. Metod för kontakt.

2. beröringsfri metod.

I det första fallet används en separat generator som kallas exciter «B». Dess magnetiseringsspole drivs av en extra generator enligt principen för parallell excitation, kallad en «PV»-exciterare.

Alla rotorer är placerade på en gemensam axel. Därför roterar de på exakt samma sätt. Reostaterna r1 och r2 används för att reglera strömmarna i magnetiserings- och förstärkarkretsarna.

Med den beröringsfria metoden finns det inga släpringar på rotorn. En trefas exciterlindning är monterad direkt på den. Den roterar synkront med rotorn och överför elektrisk likström genom den samroterande likriktaren direkt till magnetiseringslindningen «B».

Typerna av kontaktlösa kretsar är:

1. självexciteringssystem från statorns egen lindning;

2. automatiserat schema.

I den första metoden matas spänningen från statorlindningarna till nedtrappningstransformatorn och sedan till halvledarlikriktaren «PP», som genererar likström.

Med denna metod skapas den initiala excitationen på grund av fenomenet kvarvarande magnetism.

Det automatiska schemat för att skapa självexcitering involverar användningen av:

• spänningstransformator VT;

• automatiserad excitationsregulator ATS;

• strömtransformator TT;

• likriktare VT;

• tyristoromvandlare TP;

• skyddsblock BZ.

Egenskaper för asynkrona generatorer

Den största skillnaden mellan dessa konstruktioner är avsaknaden av ett styvt förhållande mellan rotorhastigheten (nr) och EMF som induceras i spolen (n). Det är alltid en skillnad mellan dem, som kallas "halka". Det betecknas med den latinska bokstaven "S" och uttrycks med formeln S = (n-nr) / n.

När lasten är ansluten till generatorn skapas ett bromsmoment för att vrida rotorn. Det påverkar frekvensen av den genererade EMF, skapar en negativ glidning.

Konstruktionen av rotorn för asynkrona generatorer är gjord:

• kortslutning;

• fas;

• ihålig.

Asynkrona generatorer kan ha:

1. oberoende spänning;

2. självexcitering.

I det första fallet används en extern växelspänningskälla, och i det andra används halvledaromvandlare eller kondensatorer i de primära, sekundära eller båda typerna av kretsar.

Således har generatorer och likströmsgeneratorer mycket gemensamt i principerna för konstruktion, men skiljer sig i utformningen av vissa element.