Kuinka AC- ja DC-generaattorit toimivat?

Termi "sukupolvi" sähkötekniikassa tulee latinan kielestä. Se tarkoittaa "syntymistä". Energian osalta voidaan sanoa, että generaattorit ovat teknisiä laitteita, jotka tuottavat sähköä.

Tässä tapauksessa on huomattava, että sähkövirtaa voidaan tuottaa muuntamalla erilaisia ​​​​energiatyyppejä, esimerkiksi:

• kemiallinen;

• valo;

• lämpö ja muut.

Historiallisesti generaattorit ovat rakenteita, jotka muuttavat pyörimisen kineettisen energian sähköksi.

Tuotetun sähkön tyypin mukaan generaattorit ovat:

1. tasavirta;

2. muuttuja.

Yksinkertaisimman generaattorin toimintaperiaate

Tiedemiehet Oersted ja Faraday löysivät fysikaaliset lait, jotka mahdollistavat nykyaikaisten sähkölaitteistojen luomisen sähkön tuottamiseksi muuntamalla mekaanista energiaa.

Kaikki generaattorimallit ovat voimassa sähkömagneettisen induktion periaatekun suljetussa kehyksessä tapahtuu sähkövirran induktio johtuen sen leikkauspisteestä muodostuvan pyörivän magneettikentän kanssa kestomagneetit yksinkertaistetuissa malleissa kotikäyttöön tai herätekäämeissä teollisuustuotteissa, joissa teho on suurempi.

Kun käännät kehystä, magneettivuon suuruus muuttuu.

Silmukassa indusoitunut sähkömotorinen voima riippuu suljetussa silmukassa S silmukan läpäisevän magneettivuon muutosnopeudesta ja on suoraan verrannollinen sen arvoon. Mitä nopeammin roottori pyörii, sitä korkeampi jännite syntyy.

Suljetun silmukan luomiseksi ja sähkövirran ohjaamiseksi siitä oli tarpeen luoda kollektori ja harja, joka tarjoaa jatkuvan kosketuksen pyörivän kehyksen ja piirin kiinteän osan välillä.

Keräinlevyjä vasten puristettujen jousikuormitteisten harjojen rakenteesta johtuen sähkövirta siirtyy lähtöliittimiin ja siirtyy niistä kuluttajan verkkoon.

Yksinkertaisimman tasavirtageneraattorin toimintaperiaate

Kun kehys pyörii akselin ympäri, sen vasen ja oikea puolisko kiertävät magneettien etelä- tai pohjoisnavan ympäri. Joka kerta niissä tapahtuu käänteisten virtojen suunnan muutos, niin että jokaisessa navassa ne virtaavat yhteen suuntaan.

Tasavirran luomiseksi lähtöpiiriin luodaan puolirengas kollektorisolmuun kutakin käämin puolikasta varten. Renkaan vieressä olevat harjat poistavat vain niiden etumerkin potentiaalin: positiivinen tai negatiivinen.

Koska pyörivän rungon puolirengas on auki, siihen syntyy hetkiä, kun virta saavuttaa maksimiarvonsa tai sitä ei ole. Kehys valmistetaan erityisesti valmistetun tekniikan mukaisesti, jotta syntyneen jännitteen suunnan lisäksi myös vakioarvo säilyisi:

• se ei käytä yhtä käämiä, vaan useita - riippuen suunnitellun jännitteen suuruudesta;

• kehysten määrä ei rajoitu yhteen kopioon: he yrittävät tehdä riittävän määrän jännitteen pudotuksen optimaalisen ylläpitämiseksi samalla tasolla.

DC-generaattorissa roottorin käämit sijaitsevat koloissa magneettinen piiri… Tämä mahdollistaa indusoidun sähkömagneettisen kentän häviämisen vähentämisen.

Tasavirtageneraattoreiden suunnitteluominaisuudet

Laitteen pääelementit ovat:

• ulkoinen teho runko;

• magneettiset navat;

• staattori;

• pyörivä roottori;

• kytkinlohko harjoilla.

Terässeoksista tai valuraudasta valmistettu runko antaa mekaanista lujuutta koko rakenteelle. Kotelon lisätehtävä on siirtää magneettivuo napojen välillä.

Magneettien navat kiinnitetty runkoon tapeilla tai pulteilla. Niihin on asennettu kela.

Staattori, jota kutsutaan myös ikeeksi tai luurankoksi, on valmistettu ferromagneettisista materiaaleista. Herätyskelan kela asetetaan sen päälle. Staattorin ydin on varustettu sen magneettikentän muodostavilla magneettinapoilla.

Roottorilla on synonyymi: ankkuri. Sen magneettinen ydin koostuu laminoiduista levyistä, jotka vähentävät pyörrevirtojen muodostumista ja lisäävät tehokkuutta. Roottori ja/tai itseherätyskäämit asetetaan sydänkanaviin.

Harjoilla varustettu kytkentäsolmu, siinä voi olla eri määrä napoja, mutta se on aina kahden kerrannainen. Harjan materiaali on yleensä grafiittia. Keräinlevyt on valmistettu kuparista, joka on optimaalisin virranjohtamisen sähköominaisuuksiin sopiva metalli.

Kytkimen käytön ansiosta DC-generaattorin lähtöliittimissä syntyy sykkivä signaali.

Tasavirtageneraattoreiden päärakennetyypit

Herätyskelan virtalähteen tyypin mukaan laitteet erotetaan:

1. itsevirityksellä;

2. toimivat riippumattoman osallisuuden perusteella.

Ensimmäiset tuotteet voivat:

• käytä kestomagneetteja;

• tai toimia ulkoisista lähteistä, kuten akuista, tuuliturbiineista...

Itsenäisesti kytketyt generaattorit toimivat omasta käämeistään, joka voidaan kytkeä:

• peräkkäin;

• shuntteja tai rinnakkaisherätystä.

Yksi tällaisen liitännän vaihtoehdoista on esitetty kaaviossa.

Esimerkki DC-generaattorista on malli, jota käytettiin usein autoteollisuudessa aiemmin. Sen rakenne on sama kuin induktiomoottorin.

Tällaiset keräinrakenteet voivat toimia samanaikaisesti moottori- tai generaattoritilassa. Tämän vuoksi ne ovat yleistyneet olemassa olevissa hybridiautoissa.

Ankkurin muodostusprosessi

Tämä tapahtuu lepotilassa, kun harjan paine on säädetty väärin, mikä luo epäoptimaalisen kitkatilan. Tämä voi johtaa magneettikenttien vähenemiseen tai tulipaloon lisääntyneen kipinöinnin vuoksi.

Tapoja vähentää ovat:

• magneettikenttien kompensointi liittämällä lisänapoja;

• keräysharjojen asennon siirtymän säätö.

DC-generaattoreiden edut

Ne sisältävät:

• ilman hystereesin ja pyörrevirran muodostumisen aiheuttamia häviöitä;

• työskennellä äärimmäisissä olosuhteissa;

• pienempi paino ja pienet mitat.

Yksinkertaisimman laturin toimintaperiaate

Tämän suunnittelun sisällä käytetään samoja yksityiskohtia kuin edellisessä analogissa:

• magneettikenttä;

• pyörivä runko;

• keräinlohko virtatyhjennysharjoilla.

Suurin ero on keruukokoonpanon suunnittelussa, joka on suunniteltu siten, että kun runko pyörii harjojen läpi, kosketus on jatkuvasti puolet rungosta muuttamatta niiden asentoa syklisesti.

Siksi virta, joka muuttuu kummassakin puolikkaassa harmonisten lakien mukaan, siirretään täysin muuttumattomana harjoille ja sitten niiden kautta kuluttajapiiriin.

Luonnollisesti kehys luodaan kelaamalla ei yhdestä kierrosta, vaan laskettu määrä niitä optimaalisen jännityksen saavuttamiseksi.

Näin ollen DC- ja AC-generaattoreiden toimintaperiaate on yhteinen, ja suunnitteluerot ovat tuotannossa:

• pyörivä roottori keräilijä kokoonpano;

• roottorin käämityskokoonpano.

Teollisuuden vaihtovirtageneraattorien suunnitteluominaisuudet

Harkitse teollisen induktiogeneraattorin pääosia, joissa roottori saa pyörimisliikkeen läheiseltä turbiinilta. Staattorirakenne sisältää sähkömagneetin (vaikka magneettikenttä voidaan luoda kestomagneettisarjalla) ja roottorikäämityksen tietyllä kierrosmäärällä.

Jokaiseen silmukkaan indusoituu sähkömotorinen voima, joka lisätään peräkkäin jokaiseen silmukkaan ja muodostaa lähtöliittimissä kytkettyjen kuluttajien syöttöpiiriin syötetyn jännitteen kokonaisarvon.

EMF:n amplitudin lisäämiseksi generaattorin lähdössä käytetään erityistä magneettijärjestelmän rakennetta, joka on valmistettu kahdesta magneettipiiristä, koska käytetään erityislaatuisia sähköteräslaatuja laminoitujen levyjen muodossa, joissa on kanavia. Kelat on asennettu niiden sisään.

Generaattorin kotelossa on staattorisydän, jossa on kanavat magneettikentän luovan kelan sovittamiseksi.

Laakerilla pyörivässä roottorissa on myös uritettu magneettipiiri, jonka sisään on asennettu kela, joka vastaanottaa indusoidun EMF:n. Yleensä pyörimisakselille valitaan vaakasuunta, vaikka on olemassa generaattoreita, joissa on pystysuora järjestely ja vastaava laakerirakenne.

Staattorin ja roottorin väliin muodostuu aina rako, joka on tarpeen pyörimisen varmistamiseksi ja jumiutumisen estämiseksi. Mutta samaan aikaan siinä on magneettisen induktioenergian menetys. Siksi he yrittävät tehdä siitä mahdollisimman pienen, ottaen molemmat vaatimukset huomioon optimaalisella tavalla.

Roottorin kanssa samalla akselilla sijaitseva heräte on suhteellisen pienitehoinen tasavirtageneraattori. Sen tarkoitus: syöttää sähköä generaattorin käämeille itsenäisen virityksen tilassa.

Tällaisia ​​herättimiä käytetään useimmiten turbiini- tai hydrauligeneraattoreiden kanssa luotaessa ensisijaista tai varaviritysmenetelmää.

Valokuvassa teollisuusgeneraattorista näkyy liukurenkaiden ja harjojen järjestely pyörivän roottorirakenteen virtojen sieppaamiseksi. Käytön aikana tämä laite altistuu jatkuvalle mekaaniselle ja sähköiselle rasitukselle. Niiden voittamiseksi luodaan monimutkainen rakenne, joka käytön aikana vaatii säännöllisiä tarkastuksia ja ehkäiseviä toimenpiteitä.

Syntyvien käyttökustannusten vähentämiseksi käytetään erilaista, vaihtoehtoista tekniikkaa, joka hyödyntää myös pyörivien sähkömagneettisten kenttien välistä vuorovaikutusta. Roottoriin asetetaan vain kesto- tai sähkömagneetit ja jännite poistetaan kiinteästä kelasta.

Tällaista piiriä luotaessa tällaista rakennetta voidaan kutsua termiksi "laturi". Sitä käytetään synkronisissa generaattoreissa: korkeataajuisissa generaattoreissa, autoissa, dieselvetureissa ja laivoissa, voimalaitosasennuksissa sähkön tuotantoon.

Synkronisten generaattoreiden ominaisuudet

Toimintaperiaate

Toiminnan nimi ja erottuva piirre piilee jäykän yhteyden luomisessa staattorikäämiin "f" indusoidun vaihtuvan sähkömoottorin taajuuden ja roottorin pyörimisen välille.

Staattoriin on asennettu kolmivaiheinen käämi, ja roottorissa on sähkömagneetti, jossa on sydän ja jännittävä käämi, jota syötetään tasavirtapiireillä harjakerääjän kautta.

Roottorin pyörittää mekaanisen energian lähde – käyttömoottori samalla nopeudella. Sen magneettikenttä tekee saman liikkeen.

Staattorin käämeissä indusoituu samansuuruisia, mutta 120 astetta suuntaansa siirrettyjä sähkömotorisia voimia, jotka muodostavat kolmivaiheisen symmetrisen järjestelmän.

Kun ne kytketään kuluttajapiirien käämien päihin, piirissä alkavat vaikuttaa vaihevirrat, jotka muodostavat samalla tavalla pyörivän magneettikentän: synkronisesti.

Indusoidun EMF:n lähtösignaalin muoto riippuu vain magneettisen induktiovektorin jakautumislaista roottorin napojen ja staattorilevyjen välisessä raossa. Siksi he pyrkivät luomaan sellaisen mallin, kun induktion suuruus muuttuu sinimuotoisen lain mukaan.

Kun rako on vakio, raon sisällä oleva virtausvektori on puolisuunnikkaan muotoinen, kuten viivakaaviossa 1 näkyy.

Jos kuitenkin napojen hapsujen muoto korjataan vinoon muuttamalla rako maksimiarvoon, on mahdollista saavuttaa jakauman sinimuotoinen muoto, kuten rivillä 2 on esitetty. Tätä tekniikkaa käytetään käytännössä.

Synkronisten generaattoreiden herätepiirit

Roottorin «OB» virityskäämiin muodostuva magnetomotorinen voima luo sen magneettikentän. Tätä varten on olemassa erilaisia ​​DC-herättimiä, jotka perustuvat:

1. yhteydenottotapa;

2. kontaktiton menetelmä.

Ensimmäisessä tapauksessa käytetään erillistä generaattoria, nimeltään exciter «B». Sen virityskela saa virtansa rinnakkaisvirityksen periaatteen mukaisesta lisägeneraattorista, jota kutsutaan «PV»-viritimeksi.

Kaikki roottorit sijaitsevat yhteisellä akselilla. Siksi ne pyörivät täsmälleen samalla tavalla. Reostaatteja r1 ja r2 käytetään virtojen säätämiseen viritys- ja vahvistinpiireissä.

Kosketuksettomalla menetelmällä roottorissa ei ole liukurenkaita. Kolmivaiheinen herätekäämi asennetaan suoraan siihen. Se pyörii synkronisesti roottorin kanssa ja siirtää sähköisen tasavirran samaan aikaan pyörivän tasasuuntaajan kautta suoraan herätekäämiin «B».

Kontaktittomien piirien tyypit ovat:

1. itseherätysjärjestelmä staattorin omasta käämityksestä;

2. automaattinen järjestelmä.

Ensimmäisessä menetelmässä staattorin käämeistä tuleva jännite syötetään alennusmuuntajaan ja sitten puolijohdetasasuuntaajaan «PP», joka tuottaa tasavirtaa.

Tällä menetelmällä alkuherätys syntyy jäännösmagnetismin ilmiöstä johtuen.

Automaattinen järjestelmä itseherätyksen luomiseksi sisältää:

• jännite muuntaja VT;

• automaattinen heräte säädin ATS;

• nykyinen muuntaja TT;

• tasasuuntaaja VT;

• tyristori muunnin TP;

• suojalohko BZ.

Asynkronisten generaattoreiden ominaisuudet

Suurin ero näiden mallien välillä on jäykän suhteen puuttuminen roottorin nopeuden (nr) ja kelaan (n) indusoidun EMF:n välillä. Niiden välillä on aina ero, jota kutsutaan "liukumiseksi". Se on merkitty latinalaisella kirjaimella "S" ja ilmaistaan ​​kaavalla S = (n-nr) / n.

Kun kuorma on kytketty generaattoriin, syntyy jarrutusmomentti roottorin kääntämiseksi. Se vaikuttaa syntyneen EMF:n taajuuteen, luo negatiivisen lipsun.

Asynkronisten generaattoreiden roottorin rakenne on tehty:

• oikosulku;

• vaihe;

• ontto.

Asynkronisilla generaattoreilla voi olla:

1. itsenäinen jännitys;

2. itsekiihottuminen.

Ensimmäisessä tapauksessa käytetään ulkoista AC-jännitelähdettä, ja toisessa käytetään puolijohdemuuntimia tai kondensaattoreita ensiö-, toisio- tai molemmissa piireissä.

Näin ollen vaihtovirtageneraattoreilla ja tasavirtageneraattoreilla on paljon yhteistä rakennusperiaatteissa, mutta eroavat toisistaan ​​tiettyjen elementtien suunnittelussa.