Hvordan fungerer AC- og DC-generatorer?

Udtrykket "generation" i elektroteknik kommer fra det latinske sprog. Det betyder "fødsel". Med hensyn til energi kan vi sige, at generatorer er tekniske enheder, der genererer elektricitet.

I dette tilfælde skal det bemærkes, at elektrisk strøm kan produceres ved at konvertere forskellige typer energi, for eksempel:

• kemisk;

• lys;

• termisk og andre.

Historisk set er generatorer strukturer, der omdanner den kinetiske rotationsenergi til elektricitet.

Afhængigt af typen af ​​produceret elektricitet er generatorerne:

1. jævnstrøm;

2. variabel.

Princippet om drift af den enkleste generator

De fysiske love, der gør det muligt at skabe moderne elektriske installationer til at generere elektricitet ved at transformere mekanisk energi, blev opdaget af forskerne Oersted og Faraday.

Ethvert generatordesign gælder princippet om elektromagnetisk induktionnår der er en induktion af en elektrisk strøm i en lukket ramme på grund af dens skæring med et roterende magnetfelt, der dannes permanente magneter i forenklede modeller til hjemmebrug eller excitationsspoler på industriprodukter med øget effekt.

Når du drejer rammen, ændres størrelsen af ​​den magnetiske flux.

Den elektromotoriske kraft induceret i sløjfen afhænger af ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux, der penetrerer sløjfen i en lukket sløjfe S og er direkte proportional med dens værdi. Jo hurtigere rotoren drejer, jo højere genereres spændingen.

For at skabe en lukket sløjfe og aflede elektrisk strøm fra den, var det nødvendigt at skabe en samler og en børste, der giver konstant kontakt mellem den roterende ramme og en stationær del af kredsløbet.

På grund af konstruktionen af ​​fjederbelastede børster presset mod kollektorpladerne, overføres den elektriske strøm til udgangsterminalerne og går fra dem til forbrugerens netværk.

Princippet om drift af den enkleste DC-generator

Når rammen roterer rundt om aksen, kredser dens venstre og højre halvdel rundt om magneternes syd- eller nordpoler. Hver gang i dem sker der en ændring i retningen af ​​strømmene omvendt, så de ved hver pol flyder i én retning.

For at skabe en jævnstrøm i udgangskredsløbet oprettes en halvring ved kollektorknudepunktet for hver halvdel af spolen. Børster, der støder op til ringen, fjerner kun potentialet for deres tegn: positivt eller negativt.

Da halvringen af ​​den roterende ramme er åben, skabes der momenter i den, når strømmen når sin maksimale værdi eller er fraværende. For at opretholde ikke kun retningen, men også en konstant værdi af den genererede spænding, er rammen lavet i henhold til en specielt forberedt teknologi:

• den bruger ikke en spole, men flere - afhængigt af størrelsen af ​​den planlagte spænding;

• antallet af frames er ikke begrænset til én kopi: de forsøger at lave et tilstrækkeligt antal til optimalt at opretholde spændingsfaldet på samme niveau.

I DC-generatoren er rotorviklingerne placeret i slidserne magnetisk kredsløb… Dette gør det muligt at reducere tabet af det inducerede elektromagnetiske felt.

Designfunktioner for DC-generatorer

Hovedelementerne i enheden er:

• ekstern magt ramme;

• magnetiske poler;

• stator;

• roterende rotor;

• skifteblok med børster.

Ramme lavet af stållegeringer eller støbejern for at give mekanisk styrke til den overordnede struktur. En yderligere opgave for huset er at overføre den magnetiske flux mellem polerne.

Poler af magneter fastgjort til kroppen med stifter eller bolte. En spole er monteret på dem.

En stator, også kaldet et åg eller skelet, er lavet af ferromagnetiske materialer. Spolen af ​​excitationsspolen er placeret på den. Statorkerne udstyret med magnetiske poler, der danner dets magnetfelt.

Rotor har et synonym: anker. Dens magnetiske kerne består af laminerede plader, der reducerer dannelsen af ​​hvirvelstrømme og øger effektiviteten. Rotoren og/eller selvmagnetiseringsviklingerne lægges i kernekanalerne.

En skiftenode med børster, den kan have et andet antal poler, men er altid et multiplum af to. Børstematerialet er normalt grafit. Samlerpladerne er lavet af kobber, som det mest optimale metal velegnet til strømledningens elektriske egenskaber.

Takket være brugen af ​​en switch genereres et pulserende signal ved DC-generatorens udgangsterminaler.

De vigtigste typer konstruktioner af DC-generatorer

Afhængigt af typen af ​​strømforsyning til excitationsspolen skelnes enheder:

1. med selv-excitation;

2. opererer på grundlag af selvstændig inklusion.

De første produkter kan:

• brug permanente magneter;

• eller drives fra eksterne kilder, f.eks. batterier, vindmøller...

Uafhængigt koblede generatorer fungerer fra deres egen vikling, som kan tilsluttes:

• sekventielt;

• shunts eller parallel excitation.

En af mulighederne for en sådan forbindelse er vist i diagrammet.

Et eksempel på en DC-generator er et design, der ofte blev brugt i bilindustrien tidligere. Dens struktur er den samme som en induktionsmotor.

Sådanne kollektorstrukturer kan fungere samtidigt i motor- eller generatortilstand. På grund af dette er de blevet udbredt i eksisterende hybridbiler.

Ankerdannelsesproces

Dette sker i tomgangstilstand, når børstetrykket er forkert justeret, hvilket skaber en suboptimal friktionstilstand. Dette kan føre til en reduktion af magnetfelter eller en brand på grund af øget gnistdannelse.

Måderne at reducere er:

• kompensation af magnetiske felter ved at forbinde yderligere poler;

• justering af forskydningen af ​​samlebørsternes position.

Fordele ved DC-generatorer

De omfatter:

• uden tab på grund af hysterese og hvirvelstrømsdannelse;

• arbejde under ekstreme forhold;

• reduceret vægt og små dimensioner.

Princippet om drift af den enkleste generator

Inde i dette design bruges de samme detaljer som i den forrige analog:

• magnetfelt;

• roterende ramme;

• samleblok med nuværende afløbsbørster.

Den største forskel ligger i designet af solfangerenheden, som er designet således, at når rammen roterer gennem børsterne, er der konstant kontakt med halvdelen af ​​rammen uden cyklisk at ændre deres position.

Derfor overføres strømmen, som ændres i henhold til lovene for harmoniske i hver halvdel, helt uændret til børsterne og derefter gennem dem til forbrugerkredsløbet.

Naturligvis skabes rammen ved at vikle ikke fra en omgang, men et beregnet antal af dem for at opnå den optimale spænding.

Således er princippet om drift af DC- og AC-generatorer almindeligt, og designforskellene er i produktionen af:

• roterende rotor samler samling;

• rotorviklingskonfiguration.

Designegenskaber af industrielle generatorer

Overvej hoveddelene af en industriel induktionsgenerator, hvor rotoren modtager rotationsbevægelse fra en nærliggende turbine. Statorkonstruktionen omfatter en elektromagnet (selvom magnetfeltet kan skabes af et sæt permanente magneter) og en rotorvikling med et vist antal drejninger.

En elektromotorisk kraft induceres i hver sløjfe, som successivt tilføjes i hver af dem og danner ved udgangsterminalerne den samlede værdi af den spænding, der leveres til de tilsluttede forbrugeres forsyningskredsløb.

For at øge amplituden af ​​EMF ved udgangen af ​​generatoren bruges et specielt design af det magnetiske system, lavet af to magnetiske kredsløb på grund af brugen af ​​specielle kvaliteter af elektrisk stål i form af laminerede plader med kanaler. Spoler er installeret inde i dem.

I generatorhuset er der en statorkerne med kanaler til at rumme en spole, der skaber et magnetfelt.

Rotoren, der roterer på lejer, har også et slidset magnetisk kredsløb indeni, som er monteret en spole, der modtager en induceret EMF. Normalt vælges den vandrette retning for rotationsaksen, selvom der er generatorer med et lodret arrangement og det tilsvarende design af lejerne.

Der skabes altid et mellemrum mellem statoren og rotoren, hvilket er nødvendigt for at sikre rotation og forhindre blokering. Men samtidig er der et tab af magnetisk induktionsenergi i den. Derfor forsøger de at gøre det så lille som muligt under hensyntagen til begge krav på en optimal måde.

Placeret på samme aksel som rotoren, er exciteren en jævnstrømsgenerator med relativt lav effekt. Dens formål: at levere elektricitet til viklingerne af en strømgenerator i en tilstand af uafhængig excitation.

Sådanne excitere bruges oftest med turbine- eller hydrauliske generatordesign, når der oprettes en primær eller backup-metode til excitation.

Billedet af en industriel generator viser arrangementet af slæberinge og børster til at fange strømme fra en roterende rotorstruktur. Under drift udsættes denne enhed for konstant mekanisk og elektrisk belastning. For at overvinde dem skabes en kompleks struktur, som under drift kræver periodiske kontroller og forebyggende foranstaltninger.

For at reducere de genererede driftsomkostninger anvendes en anden, alternativ teknologi, der også bruger samspillet mellem roterende elektromagnetiske felter. Kun permanente eller elektriske magneter er placeret på rotoren, og spændingen fjernes fra den stationære spole.

Når man opretter et sådant kredsløb, kan en sådan struktur kaldes udtrykket «generator». Det bruges i synkrone generatorer: højfrekvente, automotive, diesellokomotiver og skibe, kraftværksinstallationer til produktion af elektricitet.

Karakteristika for synkrone generatorer

Driftsprincip

Navnet og det karakteristiske træk ved handlingen ligger i skabelsen af ​​en stiv forbindelse mellem frekvensen af ​​den vekslende elektromotoriske kraft induceret i statorviklingen «f» og rotorens rotation.

En trefaset vikling er monteret i statoren, og på rotoren er der en elektromagnet med en kerne og en spændende vikling, der forsynes af DC-kredsløb gennem en børsteopsamler.

Rotoren drives i rotation af en kilde til mekanisk energi - en drivmotor med samme hastighed. Dens magnetfelt laver den samme bevægelse.

Elektromotoriske kræfter af samme størrelse, men forskudt med 120 grader i retning, induceres i statorviklingerne, hvilket skaber et trefaset symmetrisk system.

Når de er forbundet til enderne af viklingerne af forbrugerkredsløb, begynder fasestrømme at virke i kredsløbet, som danner et magnetfelt, der roterer på samme måde: synkront.

Formen af ​​udgangssignalet for den inducerede EMF afhænger kun af fordelingsloven for den magnetiske induktionsvektor i mellemrummet mellem rotorpolerne og statorpladerne. Derfor søger de at skabe et sådant design, når størrelsen af ​​induktionen ændres i henhold til en sinusformet lov.

Når spalten er konstant, er flowvektoren inde i spalten trapezformet, som vist på linjegraf 1.

Men hvis formen af ​​frynserne ved polerne korrigeres til at blive skæv ved at ændre mellemrummet til den maksimale værdi, så er det muligt at opnå en sinusformet form af fordelingen som vist i linje 2. Denne teknik bruges i praksis.

Excitationskredsløb til synkrone generatorer

Den magnetomotoriske kraft, der opstår på magnetiseringsviklingen af ​​rotoren «OB», skaber dens magnetfelt. Til dette er der forskellige DC exciter designs baseret på:

1. kontaktmetode;

2. ikke-kontakt metode.

I det første tilfælde bruges en separat generator kaldet exciter «B». Dens excitationsspole drives af en ekstra generator i henhold til princippet om parallel excitation, kaldet en «PV» exciter.

Alle rotorer er placeret på en fælles aksel. Derfor roterer de på nøjagtig samme måde. Reostaterne r1 og r2 bruges til at regulere strømmene i magnetiserings- og forstærkerkredsløbene.

Med berøringsfri metode er der ingen slæberinge på rotoren. En trefaset excitervikling er monteret direkte på den. Den roterer synkront med rotoren og overfører elektrisk jævnstrøm gennem den medroterende ensretter direkte til magnetiseringsviklingen «B».

Typerne af kontaktløse kredsløb er:

1. selvmagnetiseringssystem fra statorens egen vikling;

2. automatiseret ordning.

I den første metode føres spændingen fra statorviklingerne til nedtrapningstransformatoren og derefter til halvlederensretteren «PP», som genererer jævnstrøm.

Med denne metode skabes den indledende excitation på grund af fænomenet resterende magnetisme.

Den automatiske ordning til at skabe selv-excitation involverer brugen af:

• spænding transformer VT;

• automatiseret excitation regulator ATS;

• nuværende transformer TT;

• ensretter VT;

• tyristor konverter TP;

• beskyttelsesblok BZ.

Karakteristika for asynkrone generatorer

Den største forskel mellem disse designs er manglen på et stift forhold mellem rotorhastigheden (nr) og EMF induceret i spolen (n). Der er altid forskel på dem, som kaldes "slip". Det er betegnet med det latinske bogstav "S" og udtrykkes med formlen S = (n-nr) / n.

Når belastningen er forbundet med generatoren, skabes et bremsemoment for at dreje rotoren. Det påvirker frekvensen af ​​den genererede EMF, skaber et negativt slip.

Konstruktionen af ​​rotoren til asynkrone generatorer er lavet:

• kortslutning;

• fase;

• hul.

Asynkrone generatorer kan have:

1. selvstændig spænding;

2. selvophidselse.

I det første tilfælde bruges en ekstern AC-spændingskilde, og i det andet bruges halvlederkonvertere eller kondensatorer i de primære, sekundære eller begge typer kredsløb.

Således har generatorer og jævnstrømsgeneratorer meget til fælles i principperne for konstruktion, men adskiller sig i designet af visse elementer.