Kaip veikia AC ir DC generatoriai?

Terminas „karta“ elektros inžinerijoje kilęs iš lotynų kalbos. Tai reiškia „gimimas“. Kalbant apie energiją, galime pasakyti, kad generatoriai yra techniniai įrenginiai, gaminantys elektros energiją.

Šiuo atveju reikia pažymėti, kad elektros srovė gali būti gaminama konvertuojant įvairių rūšių energiją, pavyzdžiui:

• cheminė medžiaga;

• šviesa;

• terminis ir kt.

Istoriškai generatoriai yra konstrukcijos, kurios sukimosi kinetinę energiją paverčia elektra.

Pagal gaminamos elektros rūšį generatoriai yra:

1. nuolatinė srovė;

2. kintamasis.

Paprasčiausio generatoriaus veikimo principas

Fizikinius dėsnius, leidžiančius sukurti modernią elektros instaliaciją, skirtą elektrai gaminti transformuojant mechaninę energiją, atrado mokslininkai Oerstedas ir Faradėjus.

Taikoma bet kokia generatoriaus konstrukcija elektromagnetinės indukcijos principaskai uždarame rėme vyksta elektros srovės indukcija dėl jos susikirtimo su besikuriančiu magnetiniu lauku nuolatiniai magnetai supaprastintuose modeliuose, skirtuose naudoti namuose arba padidintos galios pramoninių gaminių sužadinimo ritėse.

Kai pasukate rėmelį, pasikeičia magnetinio srauto dydis.

Kilpoje sukelta elektrovaros jėga priklauso nuo magnetinio srauto, prasiskverbiančio į kilpą uždaroje kilpoje S, kitimo greičio ir yra tiesiogiai proporcinga jo vertei. Kuo greičiau sukasi rotorius, tuo didesnė generuojama įtampa.

Norint sukurti uždarą kilpą ir nukreipti nuo jos elektros srovę, reikėjo sukurti kolektorių ir šepetį, užtikrinantį nuolatinį ryšį tarp besisukančio rėmo ir stacionarios grandinės dalies.

Dėl kolektoriaus plokščių prispaustų spyruoklinių šepečių konstrukcijos elektros srovė perduodama į išėjimo gnybtus ir iš jų patenka į vartotojo tinklą.

Paprasčiausio nuolatinės srovės generatoriaus veikimo principas

Kai rėmas sukasi aplink ašį, jo kairioji ir dešinioji pusės sukasi aplink pietų arba šiaurės magnetų polius. Kiekvieną kartą juose srovių kryptis keičiasi atvirkščiai, kad kiekviename poliuje jos teka viena kryptimi.

Norint sukurti nuolatinę srovę išėjimo grandinėje, kiekvienai ritės pusei kolektoriaus mazge sukuriamas pusžiedis. Šalia žiedo esantys šepečiai pašalina tik savo ženklo potencialą: teigiamą ar neigiamą.

Kadangi besisukančio rėmo pusžiedis yra atviras, jame susidaro momentai, kai srovė pasiekia didžiausią vertę arba jos nėra. Siekiant išlaikyti ne tik kryptį, bet ir pastovią generuojamos įtampos vertę, rėmas gaminamas pagal specialiai paruoštą technologiją:

• ji naudoja ne vieną ritę, o kelias - priklausomai nuo planuojamos įtampos dydžio;

• kadrų skaičius neapsiriboja viena kopija: jie stengiasi padaryti pakankamai daug, kad optimaliai išlaikytų įtampos kritimą tame pačiame lygyje.

DC generatoriuje rotoriaus apvijos yra lizduose magnetinė grandinė… Tai leidžia sumažinti indukuoto elektromagnetinio lauko praradimą.

Nuolatinės srovės generatorių dizaino ypatybės

Pagrindiniai įrenginio elementai yra šie:

• išorinis maitinimo rėmas;

• magnetiniai poliai;

• statorius;

• besisukantis rotorius;

• jungiklio blokas su šepečiais.

Rėmas pagamintas iš plieno lydinių arba ketaus, kad suteiktų mechaninį stiprumą visai konstrukcijai. Papildoma korpuso užduotis – magnetinio srauto perkėlimas tarp polių.

Magnetų poliai, pritvirtinti prie korpuso kaiščiais arba varžtais. Ant jų sumontuota ritė.

Statorius, dar vadinamas jungu arba skeletu, yra pagamintas iš feromagnetinių medžiagų. Ant jo uždedama sužadinimo ritės ritė. Statoriaus šerdyje yra magnetiniai poliai, sudarantys jo magnetinį lauką.

Rotorius turi sinonimą: inkaras. Jo magnetinė šerdis susideda iš laminuotų plokščių, kurios sumažina sūkurinių srovių susidarymą ir padidina efektyvumą. Rotoriaus ir (arba) savaiminio sužadinimo apvijos klojamos šerdies kanaluose.

Perjungimo mazgas su šepečiais, jis gali turėti skirtingą polių skaičių, bet visada yra dviejų kartotinis. Šepečio medžiaga dažniausiai yra grafitas. Kolektoriaus plokštės pagamintos iš vario, kaip optimaliausio metalo, tinkamo srovės laidumo elektrinėms savybėms.

Dėl jungiklio naudojimo nuolatinės srovės generatoriaus išėjimo gnybtuose sukuriamas pulsuojantis signalas.

Pagrindinės nuolatinės srovės generatorių konstrukcijų rūšys

Pagal sužadinimo ritės maitinimo tipą išskiriami įtaisai:

1. su savęs sužadinimu;

2. veikiantis nepriklausomo įtraukimo pagrindu.

Pirmieji produktai gali:

• naudoti nuolatinius magnetus;

• arba veikti iš išorinių šaltinių, pvz., akumuliatorių, vėjo turbinų...

Nepriklausomai įjungiami generatoriai veikia iš savo apvijos, kurią galima prijungti:

• nuosekliai;

• šuntai arba lygiagretusis sužadinimas.

Viena iš tokio ryšio parinkčių parodyta diagramoje.

Nuolatinės srovės generatoriaus pavyzdys yra konstrukcija, kuri praeityje dažnai buvo naudojama automobilių inžinerijoje. Jo struktūra yra tokia pati kaip indukcinio variklio.

Tokios kolektoriaus konstrukcijos vienu metu gali veikti variklio arba generatoriaus režimu. Dėl šios priežasties jie tapo plačiai paplitę esamose hibridinėse transporto priemonėse.

Inkaro formavimo procesas

Tai įvyksta tuščiosios eigos režimu, kai neteisingai sureguliuojamas šepečio slėgis, todėl susidaro neoptimalus trinties režimas. Dėl to gali sumažėti magnetiniai laukai arba gali kilti gaisras dėl padidėjusio kibirkščiavimo.

Sumažinimo būdai yra šie:

• magnetinių laukų kompensavimas sujungiant papildomus polius;

• kolektoriaus šepečių padėties poslinkio reguliavimas.

Nuolatinės srovės generatorių privalumai

Jie įtraukia:

• be nuostolių dėl histerezės ir sūkurinių srovių susidarymo;

• dirbti ekstremaliomis sąlygomis;

• sumažintas svoris ir maži matmenys.

Paprasčiausio generatoriaus veikimo principas

Šio dizaino viduje naudojamos tos pačios detalės kaip ir ankstesniame analoge:

• magnetinis laukas;

• besisukantis rėmas;

• kolektoriaus blokas su srovės nutekėjimo šepečiais.

Pagrindinis skirtumas slypi kolektoriaus mazgo konstrukcijoje, kuri suprojektuota taip, kad rėmui besisukant per šepečius, nuolat kontaktuojama su puse rėmo, cikliškai nekeičiant jų padėties.

Todėl srovė, kuri kinta pagal harmonikų dėsnius kiekvienoje pusėje, visiškai nepakitusi perduodama į šepečius, o vėliau per juos į vartotojų grandinę.

Natūralu, kad rėmas kuriamas vyniojant ne iš vieno apsisukimo, o suskaičiuoto jų skaičiaus, kad būtų pasiektas optimalus įtempimas.

Taigi, nuolatinės ir kintamosios srovės generatorių veikimo principas yra bendras, o projektavimo skirtumai yra gaminant:

• besisukančio rotoriaus kolektoriaus mazgas;

• rotoriaus apvijos konfigūracija.

Pramoninių generatorių dizaino ypatybės

Apsvarstykite pagrindines pramoninio indukcinio generatoriaus dalis, kuriose rotorius gauna sukimosi judesį iš netoliese esančios turbinos. Statoriaus konstrukcijoje yra elektromagnetas (nors magnetinį lauką gali sukurti nuolatinių magnetų rinkinys) ir rotoriaus apvija su tam tikru apsisukimų skaičiumi.

Kiekvienoje kilpoje indukuojama elektrovaros jėga, kuri paeiliui pridedama kiekvienoje iš jų ir išėjimo gnybtuose sudaro bendrą į prijungtų vartotojų maitinimo grandinę tiekiamos įtampos vertę.

Norint padidinti EMF amplitudę generatoriaus išvestyje, naudojama speciali magnetinės sistemos konstrukcija, pagaminta iš dviejų magnetinių grandinių, nes naudojamas specialių rūšių elektrinis plienas laminuotų plokščių su kanalais pavidalu. Jų viduje sumontuotos ritės.

Generatoriaus korpuse yra statoriaus šerdis su kanalais, kad tilptų ritė, kuri sukuria magnetinį lauką.

Ant guolių besisukantis rotorius taip pat turi įpjovą magnetinę grandinę, kurios viduje sumontuota ritė, kuri priima indukuotą EML. Dažniausiai sukimosi ašiai pasirenkama horizontali kryptis, nors yra generatorių su vertikaliu išdėstymu ir atitinkama guolių konstrukcija.

Tarp statoriaus ir rotoriaus visada susidaro tarpas, būtinas norint užtikrinti sukimąsi ir išvengti užstrigimo. Tačiau tuo pat metu jame prarandama magnetinės indukcijos energija. Todėl jie stengiasi jį padaryti kuo mažesnį, optimaliai atsižvelgdami į abu reikalavimus.

Ant to paties veleno kaip ir rotorius esantis žadintuvas yra santykinai mažos galios nuolatinės srovės generatorius. Jo paskirtis: tiekti elektros energiją į elektros generatoriaus apvijas nepriklausomo sužadinimo būsenoje.

Tokie žadintuvai dažniausiai naudojami su turbinų arba hidraulinių generatorių konstrukcijomis, kuriant pirminį arba atsarginį sužadinimo būdą.

Pramoninio generatoriaus nuotraukoje parodytas slydimo žiedų ir šepečių išdėstymas, kad būtų užfiksuotos besisukančios rotoriaus konstrukcijos srovės. Veikimo metu šis prietaisas yra nuolat veikiamas mechaninio ir elektrinio įtempimo. Norint juos įveikti, sukuriama sudėtinga struktūra, kuriai eksploatacijos metu reikia periodinių patikrinimų ir prevencinių priemonių.

Siekiant sumažinti susidarančias veiklos sąnaudas, naudojama kitokia, alternatyvi technologija, kuri taip pat naudoja besisukančių elektromagnetinių laukų sąveiką. Ant rotoriaus dedami tik nuolatiniai arba elektriniai magnetai, o įtampa pašalinama iš stacionarios ritės.

Kuriant tokią grandinę tokią struktūrą galima pavadinti terminu „kintamosios srovės generatorius“. Jis naudojamas sinchroniniuose generatoriuose: aukšto dažnio, automobilių, dyzeliniuose lokomotyvuose ir laivuose, elektrinių įrenginiuose elektrai gaminti.

Sinchroninių generatorių charakteristikos

Veikimo principas

Veiksmo pavadinimas ir išskirtinis bruožas slypi tvirto ryšio tarp statoriaus apvijoje „f“ sukeltos kintamos elektrovaros dažnio ir rotoriaus sukimosi sukūrime.

Statoriuje sumontuota trifazė apvija, o ant rotoriaus yra elektromagnetas su šerdimi ir jaudinančia apvija, maitinama nuolatinės srovės grandinėmis per šepetinį kolektorių.

Rotorių į sukimąsi varo mechaninės energijos šaltinis – varomasis variklis tuo pačiu greičiu. Jo magnetinis laukas atlieka tą patį judesį.

Statoriaus apvijose indukuojamos tokio paties dydžio, bet 120 laipsnių kryptimi nukreiptos elektrovaros jėgos, sukuriančios trifazę simetrišką sistemą.

Jas prijungus prie vartotojų grandinių apvijų galų, grandinėje pradeda veikti fazinės srovės, kurios formuoja magnetinį lauką, besisukantį taip pat: sinchroniškai.

Indukuoto EML išėjimo signalo forma priklauso tik nuo magnetinės indukcijos vektoriaus pasiskirstymo dėsnio tarpe tarp rotoriaus polių ir statoriaus plokščių. Todėl jie siekia sukurti tokį dizainą, kai indukcijos dydis kinta pagal sinusoidinį dėsnį.

Kai tarpas yra pastovus, srauto vektorius tarpo viduje yra trapecijos formos, kaip parodyta 1 linijinėje diagramoje.

Tačiau, jei pakraščių forma ties ašigaliai pataisoma į iškreiptą, pakeičiant tarpą iki didžiausios vertės, tada galima pasiekti sinusoidinę pasiskirstymo formą, kaip parodyta 2 eilutėje. Šis metodas naudojamas praktikoje.

Sinchroninių generatorių žadinimo grandinės

Magnetovaros jėga, atsirandanti ant rotoriaus „OB“ sužadinimo apvijos, sukuria jo magnetinį lauką. Tam yra įvairių DC žadintuvų konstrukcijų, pagrįstų:

1. kontakto būdas;

2. nekontaktinis metodas.

Pirmuoju atveju naudojamas atskiras generatorius, vadinamas žadintuvu "B". Jo žadinimo ritė maitinama papildomu generatoriumi pagal lygiagrečiojo žadinimo principą, vadinamą „PV“ žadintuvu.

Visi rotoriai yra ant bendro veleno. Todėl jie sukasi lygiai taip pat. Reostatai r1 ir r2 skirti reguliuoti sroves žadinimo ir stiprintuvo grandinėse.

Naudojant nekontaktinį metodą, ant rotoriaus nėra slydimo žiedų. Tiesiogiai ant jo sumontuota trifazė žadintuvo apvija. Jis sukasi sinchroniškai su rotoriumi ir perduoda nuolatinę elektros srovę per kartu besisukantį lygintuvą tiesiai į žadintuvo apviją «B».

Bekontakčių grandinių tipai yra šie:

1. savaiminio sužadinimo sistema iš paties statoriaus apvijos;

2. automatizuota schema.

Pirmuoju būdu įtampa iš statoriaus apvijų tiekiama į žeminamąjį transformatorių, o po to į puslaidininkinį lygintuvą «PP», kuris generuoja nuolatinę srovę.

Taikant šį metodą, pradinis sužadinimas sukuriamas dėl liekamojo magnetizmo reiškinio.

Automatinė savaiminio sužadinimo kūrimo schema apima:

• įtampos transformatorius VT;

• automatizuotas sužadinimo reguliatorius ATS;

• srovės transformatorius TT;

• lygintuvas VT;

• tiristoriaus keitiklis TP;

• apsaugos blokas BZ.

Asinchroninių generatorių charakteristikos

Pagrindinis skirtumas tarp šių konstrukcijų yra tai, kad nėra tvirto ryšio tarp rotoriaus greičio (nr) ir ritėje sukelto EML (n). Tarp jų visada yra skirtumas, kuris vadinamas „paslydimu“. Jis žymimas lotyniška raide "S" ir išreiškiamas formule S = (n-nr) / n.

Kai apkrova prijungiama prie generatoriaus, sukuriamas stabdymo momentas, skirtas sukti rotorių. Tai veikia generuojamo EML dažnį, sukuria neigiamą slydimą.

Asinchroninių generatorių rotoriaus konstrukcija pagaminta:

• trumpas sujungimas;

• fazė;

• tuščiaviduriai.

Asinchroniniai generatoriai gali turėti:

1. savarankiškas susijaudinimas;

2. savęs sužadinimas.

Pirmuoju atveju naudojamas išorinis kintamosios srovės įtampos šaltinis, o antruoju – puslaidininkiniai keitikliai arba kondensatoriai pirminėje, antrinėje arba abiejų tipų grandinėse.

Taigi kintamosios srovės generatoriai ir nuolatinės srovės generatoriai turi daug bendro konstrukcijos principų, tačiau skiriasi tam tikrų elementų konstrukcija.