Како функционишу АЦ и ДЦ генератори?

Израз "генерација" у електротехници потиче из латинског језика. То значи "рођење". Што се тиче енергије, можемо рећи да су генератори технички уређаји који производе електричну енергију.

У овом случају, треба напоменути да се електрична струја може произвести претварањем различитих врста енергије, на пример:

• хемијски;

• светлост;

• термичке и друге.

Историјски гледано, генератори су структуре које претварају кинетичку енергију ротације у електричну.

Према врсти произведене електричне енергије, генератори су:

1. једносмерна струја;

2. променљива.

Принцип рада најједноставнијег генератора

Физичке законе који омогућавају стварање савремених електричних инсталација за генерисање електричне енергије трансформацијом механичке енергије открили су научници Ерстед и Фарадеј.

Применљив је било који дизајн генератора принцип електромагнетне индукцијекада постоји индукција електричне струје у затвореном оквиру услед његовог пресека са ротирајућим магнетним пољем које се ствара трајни магнети у поједностављеним моделима за кућну употребу или побудним калемовима на индустријским производима са повећаном снагом.

Када ротирате оквир, величина магнетног флукса се мења.

Електромоторна сила индукована у петљи зависи од брзине промене магнетног флукса који продире кроз петљу у затвореној петљи С и директно је пропорционална њеној вредности. Што се ротор брже окреће, то је већи напон који се ствара.

Да би се створила затворена петља и од ње скренула електрична струја, било је потребно направити колектор и четкицу која обезбеђује сталан контакт између ротирајућег оквира и стационарног дела кола.

Због конструкције опружних четкица притиснутих на колекторске плоче, електрична струја се преноси до излазних стезаљки и са њих прелази у мрежу потрошача.

Принцип рада најједноставнијег генератора једносмерне струје

Како се оквир ротира око осе, његова лева и десна половина круже око јужног или северног пола магнета. Сваки пут у њима долази до промене смера струја у обрнутом смеру, тако да на сваком полу теку у једном правцу.

Да би се створила једносмерна струја у излазном колу, на чвору колектора се ствара полупрстен за сваку половину завојнице. Четке поред прстена уклањају потенцијал само свог знака: позитиван или негативан.

Пошто је полупрстен ротирајућег оквира отворен, у њему се стварају моменти када струја достигне своју максималну вредност или је одсутна. Да би се одржао не само правац, већ и константна вредност генерисаног напона, оквир је направљен према посебно припремљеној технологији:

• не користи један калем, већ неколико — у зависности од величине планираног напона;

• број рамова није ограничен на једну копију: покушавају да направе довољан број да оптимално одрже пад напона на истом нивоу.

У ДЦ генератору, намотаји ротора се налазе у уторима магнетно коло… Ово омогућава смањење губитка индукованог електромагнетног поља.

Конструкцијске карактеристике генератора једносмерне струје

Главни елементи уређаја су:

• спољни оквир напајања;

• магнетни полови;

• статор;

• ротирајући ротор;

• блок прекидача са четкама.

Оквир од челичних легура или ливеног гвожђа да дају механичку чврстоћу целокупној структури. Додатни задатак кућишта је пренос магнетног флукса између полова.

Стубови магнета причвршћени за тело помоћу игала или вијака. На њима је монтиран калем.

Статор, који се назива и јарам или скелет, направљен је од феромагнетних материјала. На њу се поставља калем побудног калема. Језгро статора опремљено магнетним половима који формирају његово магнетно поље.

Ротор има синоним: сидро. Његово магнетно језгро се састоји од ламинираних плоча које смањују стварање вртложних струја и повећавају ефикасност. Намотаји ротора и/или самоузбудних намотаја су положени у канале језгра.

Преклопни чвор са четкама, може имати различит број полова, али је увек вишеструк од два. Материјал четкице је обично графит. Колекторске плоче су израђене од бакра, као најоптималнијег метала погодног за електрична својства провођења струје.

Захваљујући употреби прекидача, пулсирајући сигнал се генерише на излазним терминалима ДЦ генератора.

Главни типови конструкција генератора једносмерне струје

Према врсти напајања побудног намотаја разликују се уређаји:

1. са самоузбуђењем;

2. делујући на основу независне инклузије.

Први производи могу:

• користите трајне магнете;

• или раде из спољних извора, нпр. батерија, ветротурбина...

Независно укључени генератори раде из сопственог намотаја, који се може повезати:

• секвенцијално;

• шантови или паралелна побуда.

Једна од опција за такву везу је приказана на дијаграму.

Пример ДЦ генератора је дизајн који се у прошлости често користио у аутомобилском инжењерству. Његова структура је иста као код индукционог мотора.

Такве колекторске структуре могу радити истовремено у режиму мотора или генератора. Због тога су постали широко распрострањени у постојећим хибридним возилима.

Процес формирања сидра

Ово се дешава у режиму мировања када је притисак четкица погрешно подешен, стварајући подоптималан режим трења. Ово може довести до смањења магнетних поља или пожара због повећаног варничења.

Начини смањења су:

• компензација магнетних поља повезивањем додатних полова;

• подешавање помака положаја колекторских четкица.

Предности ДЦ генератора

То укључује:

• без губитака због хистерезе и формирања вртложних струја;

• рад у екстремним условима;

• смањена тежина и мале димензије.

Принцип рада најједноставнијег алтернатора

Унутар овог дизајна користе се исти детаљи као у претходном аналогу:

• магнетно поље;

• ротирајући оквир;

• колекторски блок са четкама за одвод струје.

Главна разлика лежи у дизајну склопа колектора, који је пројектован тако да када се оквир ротира кроз четке, контакт се стално остварује са половином рама без цикличне промене њиховог положаја.

Стога се струја, која се мења по законима хармоника у свакој половини, потпуно непромењена преноси на четке, а затим преко њих у коло потрошача.

Наравно, оквир се ствара намотавањем не из једног окрета, већ израчунатим бројем њих како би се постигла оптимална напетост.

Дакле, принцип рада ДЦ и АЦ генератора је уобичајен, а дизајнерске разлике су у производњи:

• роторски колекторски склоп;

• конфигурација намотаја ротора.

Дизајнерске карактеристике индустријских алтернатора

Размотрите главне делове индустријског индукционог генератора у коме ротор прима ротационо кретање од оближње турбине. Конструкција статора укључује електромагнет (иако се магнетно поље може створити скупом трајних магнета) и намотај ротора са одређеним бројем обртаја.

У свакој петљи се индукује електромоторна сила, која се сукцесивно додаје у сваку од њих и формира на излазним стезаљкама укупну вредност напона који се доводи у коло напајања прикључених потрошача.

Да би се повећала амплитуда ЕМФ-а на излазу генератора, користи се посебан дизајн магнетног система, направљен од два магнетна кола због употребе специјалних класа електро челика у облику ламинираних плоча са каналима. Унутар њих су инсталирани намотаји.

У кућишту генератора налази се језгро статора са каналима за смештај завојнице која ствара магнетно поље.

Ротор који се окреће на лежајевима такође има прорезно магнетно коло унутар којег је монтиран калем који прима индуковану ЕМФ. Обично се за осу ротације бира хоризонтални правац, иако постоје генератори са вертикалним распоредом и одговарајућим дизајном лежајева.

Између статора и ротора увек се ствара јаз, који је неопходан да би се обезбедила ротација и спречило заглављивање. Али у исто време у њему постоји губитак енергије магнетне индукције. Стога се труде да га учине што мањим, узимајући у обзир оба захтева на оптималан начин.

Смештен на истој осовини као и ротор, узбуђивач је генератор једносмерне струје релативно мале снаге. Његова сврха: снабдевање електричном енергијом намотаја генератора енергије у стању независне побуде.

Такви побуђивачи се најчешће користе код дизајна турбина или хидрауличких генератора приликом креирања примарног или резервног метода побуде.

Фотографија индустријског генератора приказује распоред клизних прстенова и четкица за хватање струја из ротирајуће структуре ротора. Током рада, овај уређај је подвргнут сталном механичком и електричном напрезању. Да би их превазишли, ствара се сложена структура, која током рада захтева периодичне провере и превентивне мере.

Да би се смањили генерисани оперативни трошкови, користи се другачија, алтернативна технологија која такође користи интеракцију између ротирајућих електромагнетних поља. На ротор се постављају само трајни или електрични магнети и напон се уклања са стационарног намотаја.

Приликом стварања таквог кола, таква структура се може назвати термином "алтернатор". Користи се у синхроним генераторима: високофреквентним, аутомобилским, дизел локомотивама и бродовима, електранама за производњу електричне енергије.

Карактеристике синхроних генератора

Принцип рада

Назив и карактеристична карактеристика деловања лежи у стварању круте везе између фреквенције наизменичне електромоторне силе индуковане у намотају статора «ф» и ротације ротора.

У статор је монтиран трофазни намотај, а на ротору се налази електромагнет са језгром и узбудљивим намотајем који се напајају једносмерном струјом кроз колектор четкице.

Ротор се покреће у ротацију помоћу извора механичке енергије — погонског мотора исте брзине. Његово магнетно поље чини исто кретање.

Електромоторне силе исте величине, али померене за 120 степени у правцу индукују се у намотајима статора, стварајући трофазни симетрични систем.

Када се споје на крајеве намотаја потрошачких кола, у колу почињу да делују фазне струје које формирају магнетно поље које се ротира на исти начин: синхроно.

Облик излазног сигнала индуковане ЕМФ зависи само од закона расподеле вектора магнетне индукције у процепу између полова ротора и плоча статора. Стога, они настоје да створе такав дизајн када се величина индукције промени према синусоидном закону.

Када је јаз константан, вектор протока унутар празнине је трапезоидан, као што је приказано на линијском графикону 1.

Међутим, ако се облик реса на половима коригује тако да буде искривљен променом зазора на максималну вредност, онда је могуће постићи синусоидални облик расподеле као што је приказано у линији 2. Ова техника се користи у пракси.

Побудна кола за синхроне генераторе

Магнетомоторна сила која настаје на побудном намотају ротора «ОБ» ствара његово магнетно поље. За ово постоје различити дизајни ДЦ ексцитера засновани на:

1. начин контакта;

2. бесконтактни метод.

У првом случају користи се посебан генератор који се зове побуђивач «Б». Његов побудни калем напаја се додатним генератором по принципу паралелне побуде, који се назива "ПВ" побуђивач.

Сви ротори се налазе на заједничком вратилу. Због тога се ротирају на потпуно исти начин. Реостати р1 и р2 служе за регулисање струја у круговима побуде и појачала.

Код бесконтактне методе, на ротору нема клизних прстенова. Директно на њега је монтиран трофазни намотај побудника. Он ротира синхроно са ротором и преноси електричну једносмерну струју кроз коротирајући исправљач директно до намотаја побудника «Б».

Врсте бесконтактних кола су:

1. самоузбудни систем из сопственог намотаја статора;

2. аутоматизована шема.

У првој методи, напон из намотаја статора се доводи до опадајућег трансформатора, а затим до полупроводничког исправљача «ПП», који генерише једносмерну струју.

Овом методом почетна побуда се ствара услед феномена заосталог магнетизма.

Аутоматска шема за стварање самоузбуде укључује употребу:

• трансформатор напона ВТ;

• аутоматизовани регулатор побуде АТС;

• струјни трансформатор ТТ;

• исправљач ВТ;

• тиристорски претварач ТП;

• заштитни блок БЗ.

Карактеристике асинхроних генератора

Главна разлика између ових дизајна је недостатак круте везе између брзине ротора (нр) и ЕМФ индуковане у калему (н). Увек постоји разлика између њих, која се зове "слип". Означава се латиничним словом "С" и изражава се формулом С = (н-нр) / н.

Када је оптерећење прикључено на генератор, ствара се кочиони момент за окретање ротора. Утиче на фреквенцију генерисаног ЕМФ-а, ствара негативно клизање.

Конструкција ротора за асинхроне генераторе је направљена:

• кратак спој;

• фаза;

• шупље.

Асинхрони генератори могу имати:

1. самостално узбуђење;

2. самоузбуђење.

У првом случају се користи екстерни извор наизменичног напона, а у другом се користе полупроводнички претварачи или кондензатори у примарном, секундарном или оба типа кола.

Дакле, алтернатори и генератори једносмерне струје имају много заједничког у принципима конструкције, али се разликују по дизајну појединих елемената.