Kako rade AC i DC generatori?

Pojam "generacija" u elektrotehnici dolazi iz latinskog jezika. To znači "rođenje". Što se tiče energetike, možemo reći da su generatori tehnički uređaji koji proizvode električnu energiju.

U ovom slučaju treba napomenuti da se električna struja može proizvesti pretvaranjem različitih vrsta energije, na primjer:

• kemijski;

• svjetlo;

• toplinske i druge.

Povijesno gledano, generatori su strukture koje pretvaraju kinetičku energiju rotacije u električnu energiju.

Prema vrsti proizvedene električne energije generatori su:

1. istosmjerna struja;

2. varijabla.

Princip rada najjednostavnijeg generatora

Fizikalne zakone koji omogućuju stvaranje modernih električnih instalacija za proizvodnju električne energije transformacijom mehaničke energije otkrili su znanstvenici Oersted i Faraday.

Primjenjiv je bilo koji dizajn generatora princip elektromagnetske indukcijekada postoji indukcija električne struje u zatvorenom okviru zbog njezinog presjeka s rotirajućim magnetskim poljem koje se stvara stalni magneti u pojednostavljenim modelima za kućnu uporabu ili uzbudne zavojnice na industrijskim proizvodima s povećanom snagom.

Kada rotirate okvir, mijenja se veličina magnetskog toka.

Elektromotorna sila inducirana u petlji ovisi o brzini promjene magnetskog toka koji prodire kroz petlju u zatvorenoj petlji S i izravno je proporcionalna njegovoj vrijednosti. Što se rotor brže vrti, to je veći napon.

Kako bi se stvorila zatvorena petlja i odvratila električna struja iz nje, bilo je potrebno stvoriti kolektor i četkicu koja osigurava stalni kontakt između rotirajućeg okvira i nepokretnog dijela kruga.

Zbog konstrukcije opružnih četkica pritisnutih na kolektorske ploče, električna struja se prenosi na izlazne stezaljke i sa njih u mrežu potrošača.

Princip rada najjednostavnijeg istosmjernog generatora

Kako se okvir okreće oko osi, njegova lijeva i desna polovica kruže oko južnog ili sjevernog pola magneta. Svaki put u njima dolazi do promjene smjera strujanja u obrnuti, tako da na svakom polu teku u jednom smjeru.

Da bi se stvorila istosmjerna struja u izlaznom krugu, stvara se poluprsten na kolektorskom čvoru za svaku polovicu zavojnice. Četke uz prsten uklanjaju potencijal samo svog predznaka: pozitivnog ili negativnog.

Budući da je poluprsten rotirajućeg okvira otvoren, u njemu se stvaraju trenuci kada struja dosegne svoju maksimalnu vrijednost ili je odsutna. Kako bi se održao ne samo smjer, već i konstantna vrijednost generiranog napona, okvir je izrađen prema posebno pripremljenoj tehnologiji:

• ne koristi jednu zavojnicu, već nekoliko - ovisno o veličini planiranog napona;

• broj okvira nije ograničen na jednu kopiju: pokušavaju napraviti dovoljan broj za optimalno održavanje pada napona na istoj razini.

U istosmjernom generatoru namoti rotora nalaze se u utorima magnetski krug… To omogućuje smanjenje gubitka induciranog elektromagnetskog polja.

Konstruktivne značajke istosmjernih generatora

Glavni elementi uređaja su:

• vanjski okvir napajanja;

• magnetski polovi;

• stator;

• rotirajući rotor;

• blok prekidača s četkama.

Okvir izrađen od čeličnih legura ili lijevanog željeza za davanje mehaničke čvrstoće cjelokupnoj strukturi. Dodatna zadaća kućišta je prijenos magnetskog toka između polova.

Polovi magneta pričvršćeni za tijelo klinovima ili vijcima. Na njih je montirana zavojnica.

Stator, koji se također naziva jaram ili kostur, napravljen je od feromagnetskih materijala. Na njega se postavlja svitak uzbudnog svitka. Jezgra statora opremljena magnetskim polovima koji tvore njegovo magnetsko polje.

Rotor ima sinonim: sidro. Njegova magnetska jezgra sastoji se od laminiranih ploča koje smanjuju stvaranje vrtložnih struja i povećavaju učinkovitost. Namoti rotora i/ili samouzbude položeni su u kanale jezgre.

Preklopni čvor s četkicama, može imati različit broj polova, ali je uvijek višekratnik dva. Materijal četke je obično grafit. Ploče kolektora izrađene su od bakra, kao najoptimalnijeg metala koji odgovara električnim svojstvima provođenja struje.

Zahvaljujući upotrebi sklopke, na izlaznim stezaljkama DC generatora stvara se pulsirajući signal.

Glavni tipovi konstrukcija istosmjernih generatora

Prema vrsti napajanja uzbudnog svitka razlikuju se uređaji:

1. sa samopobudom;

2. koji djeluju na temelju samostalnog uključivanja.

Prvi proizvodi mogu:

• koristiti trajne magnete;

• ili rade iz vanjskih izvora, npr. baterije, vjetroturbine...

Neovisno uključeni generatori rade iz vlastitog namota koji se može spojiti:

• sekvencijalno;

• šantovi ili paralelna pobuda.

Jedna od opcija za takvu vezu prikazana je na dijagramu.

Primjer DC generatora je dizajn koji se često koristio u automobilskoj industriji u prošlosti. Struktura mu je ista kao kod indukcijskog motora.

Takve strukture kolektora mogu raditi istovremeno u načinu rada motora ili generatora. Zbog toga su postali rašireni u postojećim hibridnim vozilima.

Proces formiranja sidra

To se događa u načinu mirovanja kada je pritisak četke netočno podešen, stvarajući način trenja koji nije optimalan. To može dovesti do smanjenja magnetskih polja ili požara zbog povećanog iskrenja.

Načini smanjenja su:

• kompenzacija magnetskih polja spajanjem dodatnih polova;

• podešavanje pomaka položaja četkica kolektora.

Prednosti istosmjernih generatora

Oni uključuju:

• bez gubitaka zbog histereze i stvaranja vrtložnih struja;

• rad u ekstremnim uvjetima;

• smanjena težina i male dimenzije.

Princip rada najjednostavnijeg alternatora

Unutar ovog dizajna koriste se isti detalji kao u prethodnom analogu:

• magnetsko polje;

• rotirajući okvir;

• kolektorski blok s četkama za strujni odvod.

Glavna razlika leži u dizajnu sklopa kolektora, koji je dizajniran tako da kada se okvir okreće kroz četke, stalno se ostvaruje kontakt s polovicom okvira bez cikličke promjene njihovog položaja.

Stoga se struja, koja se mijenja po zakonima harmonika u svakoj polovici, potpuno nepromijenjena prenosi na četkice, a zatim preko njih u krug potrošača.

Naravno, okvir se stvara namotavanjem ne iz jednog zavoja, već izračunatog broja njih kako bi se postigla optimalna napetost.

Dakle, princip rada istosmjernih i izmjeničnih generatora je zajednički, a konstrukcijske razlike su u proizvodnji:

• sklop kolektora rotirajućeg rotora;

• konfiguracija namota rotora.

Konstruktivne značajke industrijskih alternatora

Razmotrite glavne dijelove industrijskog indukcijskog generatora u kojem rotor prima rotacijsko gibanje od obližnje turbine. Konstrukcija statora uključuje elektromagnet (iako se magnetsko polje može stvoriti skupom stalnih magneta) i namot rotora s određenim brojem zavoja.

U svakoj petlji inducira se elektromotorna sila koja se sukcesivno zbraja u svakoj od njih i na izlaznim stezaljkama formira ukupnu vrijednost napona koji se dovodi u krug napajanja priključenih potrošača.

Za povećanje amplitude EMF-a na izlazu generatora koristi se poseban dizajn magnetskog sustava, izrađen od dva magnetska kruga zbog upotrebe posebnih vrsta elektročelika u obliku laminiranih ploča s kanalima. Unutar njih su ugrađene zavojnice.

U kućištu generatora nalazi se jezgra statora s kanalima za smještaj zavojnice koja stvara magnetsko polje.

Rotor koji se okreće na ležajevima također ima magnetski krug s prorezima unutar kojeg je montirana zavojnica koja prima inducirani EMF. Obično se za os rotacije odabire vodoravni smjer, iako postoje generatori s okomitim rasporedom i odgovarajućim dizajnom ležajeva.

Između statora i rotora uvijek se stvara razmak, koji je neophodan kako bi se osigurala rotacija i spriječilo zaglavljivanje. Ali u isto vrijeme, u njemu postoji gubitak energije magnetske indukcije. Stoga ga nastoje učiniti što manjim, uzimajući u obzir oba zahtjeva na optimalan način.

Smješten na istoj osovini kao i rotor, pobudnik je generator istosmjerne struje relativno niske snage. Njegova svrha: opskrba električnom energijom namota generatora struje u stanju neovisne uzbude.

Takvi se pobudnici najčešće koriste s konstrukcijama turbina ili hidrauličkih generatora pri stvaranju primarne ili rezervne metode pobude.

Fotografija industrijskog generatora prikazuje raspored kliznih prstenova i četkica za hvatanje struje iz strukture rotirajućeg rotora. Tijekom rada ovaj je uređaj izložen stalnom mehaničkom i električnom naprezanju. Da bi ih prevladali, stvara se složena struktura, koja tijekom rada zahtijeva periodične provjere i preventivne mjere.

Kako bi se smanjili operativni troškovi, koristi se druga, alternativna tehnologija koja također koristi interakciju između rotirajućih elektromagnetskih polja. Na rotoru se postavljaju samo trajni ili električni magneti, a napon se uklanja iz nepomične zavojnice.

Kada se stvara takav krug, takva se struktura može nazvati izrazom «alternator». Koristi se u sinkronim generatorima: visokofrekventnim, automobilskim, dizel lokomotivama i brodovima, instalacijama elektrana za proizvodnju električne energije.

Karakteristike sinkronih generatora

Princip rada

Naziv i posebnost djelovanja leži u stvaranju krute veze između frekvencije izmjenične elektromotorne sile inducirane u namotu statora «f» i rotacije rotora.

U statoru je montiran trofazni namot, a na rotoru je elektromagnet s jezgrom i uzbudni namot koji se napaja istosmjernim krugovima kroz kolektor četkica.

Rotor pokreće izvor mehaničke energije — pogonski motor istom brzinom. Njegovo magnetsko polje čini isto gibanje.

U namotima statora induciraju se elektromotorne sile iste veličine, ali pomaknute za 120 stupnjeva u smjeru, stvarajući trofazni simetrični sustav.

Kada se spoje na krajeve namota krugova potrošača, u krugu počinju djelovati fazne struje koje tvore magnetsko polje koje se vrti na isti način: sinkrono.

Oblik izlaznog signala induciranog EMF-a ovisi samo o zakonu raspodjele vektora magnetske indukcije u rasporu između polova rotora i ploča statora. Stoga nastoje stvoriti takav dizajn kada se veličina indukcije mijenja prema sinusoidnom zakonu.

Kada je razmak konstantan, vektor protoka unutar razmaka je trapezoidan, kao što je prikazano na linijskom grafikonu 1.

Međutim, ako se oblik rubova na polovima ispravi tako da bude iskrivljen promjenom razmaka na maksimalnu vrijednost, tada je moguće postići sinusoidalni oblik distribucije kao što je prikazano u retku 2. Ova se tehnika koristi u praksi.

Uzbudni krugovi za sinkrone generatore

Magnetomotorna sila koja nastaje na uzbudnom namotu rotora «OB» stvara njegovo magnetsko polje. Za to postoje različiti dizajni istosmjernih pobudnika na temelju:

1. način kontakta;

2. beskontaktna metoda.

U prvom slučaju koristi se poseban generator koji se naziva pobudnik «B». Njegov uzbudni svitak napaja dodatni generator po principu paralelne uzbude, nazvan «PV» pobudnik.

Svi rotori nalaze se na zajedničkoj osovini. Stoga se rotiraju na potpuno isti način. Reostati r1 i r2 služe za regulaciju struja u krugovima pobude i pojačala.

Kod beskontaktne metode nema kliznih prstenova na rotoru. Trofazni namot uzbudnika montiran je izravno na njega. Rotira sinkronizirano s rotorom i prenosi električnu istosmjernu struju kroz ko-rotirajući ispravljač izravno na uzbudni namot «B».

Vrste beskontaktnih sklopova su:

1. sustav samouzbude iz vlastitog namota statora;

2. automatizirana shema.

U prvoj metodi, napon iz namota statora dovodi se do silaznog transformatora, a zatim do poluvodičkog ispravljača «PP» koji stvara istosmjernu struju.

Ovom metodom stvara se početna pobuda zbog fenomena zaostalog magnetizma.

Automatska shema za stvaranje samopobude uključuje korištenje:

• naponski transformator VT;

• automatizirani regulator uzbude ATS;

• strujni transformator TT;

• ispravljač VT;

• tiristorski pretvarač TP;

• zaštitni blok BZ.

Karakteristike asinkronih generatora

Glavna razlika između ovih dizajna je nedostatak krutog odnosa između brzine rotora (nr) i EMF-a induciranog u zavojnici (n). Između njih uvijek postoji razlika, koja se zove "slip". Označava se latiničnim slovom "S" i izražava se formulom S = (n-nr) / n.

Kada je opterećenje spojeno na generator, stvara se moment kočenja za okretanje rotora. Utječe na frekvenciju generiranog EMF-a, stvara negativno klizanje.

Konstrukcija rotora za asinkrone generatore izrađuje se:

• kratki spoj;

• faza;

• šuplje.

Asinkroni generatori mogu imati:

1. samostalno uzbuđenje;

2. samopobuda.

U prvom slučaju koristi se vanjski izvor izmjeničnog napona, au drugom se koriste poluvodički pretvarači ili kondenzatori u primarnom, sekundarnom ili obje vrste krugova.

Dakle, alternatori i istosmjerni generatori imaju mnogo toga zajedničkog u principima konstrukcije, ali se razlikuju u izvedbi pojedinih elemenata.