Πώς λειτουργούν οι γεννήτριες AC και DC;

Ο όρος «γενιά» στην ηλεκτρική μηχανική προέρχεται από τη λατινική γλώσσα. Σημαίνει «γέννηση». Όσον αφορά την ενέργεια, μπορούμε να πούμε ότι οι γεννήτριες είναι τεχνικές συσκευές που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να παραχθεί μετατρέποντας διαφορετικούς τύπους ενέργειας, για παράδειγμα:

• χημική ουσία;

• φως;

• θερμική και άλλα.

Ιστορικά, οι γεννήτριες είναι δομές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια της περιστροφής σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ανάλογα με το είδος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, οι γεννήτριες είναι:

1. συνεχές ρεύμα.

2. μεταβλητός.

Η αρχή της λειτουργίας της απλούστερης γεννήτριας

Οι φυσικοί νόμοι που καθιστούν δυνατή τη δημιουργία σύγχρονων ηλεκτρικών εγκαταστάσεων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με μετασχηματισμό της μηχανικής ενέργειας ανακαλύφθηκαν από τους επιστήμονες Oersted και Faraday.

Οποιοσδήποτε σχεδιασμός γεννήτριας ισχύει αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγήςόταν υπάρχει επαγωγή ηλεκτρικού ρεύματος σε κλειστό πλαίσιο λόγω της τομής του με ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται μόνιμοι μαγνήτες σε απλοποιημένα μοντέλα για οικιακή χρήση ή πηνία διέγερσης σε βιομηχανικά προϊόντα με αυξημένη ισχύ.

Όταν περιστρέφετε τη στεφάνη, το μέγεθος της μαγνητικής ροής αλλάζει.

Η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται στον βρόχο εξαρτάται από τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής που διαπερνά τον βρόχο σε έναν κλειστό βρόχο S και είναι ευθέως ανάλογη με την τιμή του. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο ρότορας, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση που παράγεται.

Προκειμένου να δημιουργηθεί ένας κλειστός βρόχος και να εκτραπεί το ηλεκτρικό ρεύμα από αυτόν, ήταν απαραίτητο να δημιουργηθεί ένας συλλέκτης και μια βούρτσα που να παρέχει συνεχή επαφή μεταξύ του περιστρεφόμενου πλαισίου και ενός ακίνητου τμήματος του κυκλώματος.

Λόγω της κατασκευής βουρτσών με ελατήριο που πιέζονται πάνω στις πλάκες συλλέκτη, το ηλεκτρικό ρεύμα μεταδίδεται στους ακροδέκτες εξόδου και από αυτούς περνά στο δίκτυο του καταναλωτή.

Η αρχή λειτουργίας της απλούστερης γεννήτριας DC

Καθώς το πλαίσιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονα, το αριστερό και το δεξί του μισό περιστρέφονται γύρω από τον νότιο ή τον βόρειο πόλο των μαγνητών. Κάθε φορά σε αυτά υπάρχει αλλαγή της φοράς των ρευμάτων αντίστροφα, ώστε σε κάθε πόλο να ρέουν προς μία κατεύθυνση.

Για να δημιουργηθεί ένα συνεχές ρεύμα στο κύκλωμα εξόδου, δημιουργείται ένας μισός δακτύλιος στον κόμβο συλλέκτη για κάθε μισό του πηνίου. Οι βούρτσες δίπλα στον δακτύλιο αφαιρούν το δυναμικό μόνο του σημείου τους: θετικό ή αρνητικό.

Δεδομένου ότι ο ημι-δακτύλιος του περιστρεφόμενου πλαισίου είναι ανοιχτός, δημιουργούνται στιγμές σε αυτό όταν το ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή του ή απουσιάζει. Για να διατηρηθεί όχι μόνο η κατεύθυνση, αλλά και μια σταθερή τιμή της παραγόμενης τάσης, το πλαίσιο κατασκευάζεται σύμφωνα με μια ειδικά προετοιμασμένη τεχνολογία:

• δεν χρησιμοποιεί ένα πηνίο, αλλά πολλά — ανάλογα με το μέγεθος της προγραμματισμένης τάσης.

• ο αριθμός των πλαισίων δεν περιορίζεται σε ένα αντίγραφο: προσπαθούν να δημιουργήσουν επαρκή αριθμό για να διατηρήσουν βέλτιστα την πτώση τάσης στο ίδιο επίπεδο.

Στη γεννήτρια DC, οι περιελίξεις του ρότορα βρίσκονται στις υποδοχές μαγνητικό κύκλωμα… Αυτό επιτρέπει τη μείωση της απώλειας του επαγόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά γεννητριών συνεχούς ρεύματος

Τα κύρια στοιχεία της συσκευής είναι:

• εξωτερικό πλαίσιο ισχύος?

• μαγνητικοί πόλοι?

• στάτωρ;

• περιστρεφόμενος ρότορας?

• μπλοκ διακόπτη με βούρτσες.

Σκελετός από κράματα χάλυβα ή χυτοσίδηρο για να προσδώσει μηχανική αντοχή στη συνολική δομή. Ένα επιπλέον καθήκον του περιβλήματος είναι η μεταφορά της μαγνητικής ροής μεταξύ των πόλων.

Πόλος μαγνητών που συνδέονται στο σώμα με καρφίτσες ή μπουλόνια. Πάνω τους είναι τοποθετημένο ένα πηνίο.

Ένας στάτορας, που ονομάζεται επίσης ζυγός ή σκελετός, είναι κατασκευασμένος από σιδηρομαγνητικά υλικά. Το πηνίο του πηνίου διέγερσης τοποθετείται πάνω του. Πυρήνας στάτορα εξοπλισμένος με μαγνητικούς πόλους που σχηματίζουν το μαγνητικό του πεδίο.

Ο ρότορας έχει ένα συνώνυμο: άγκυρα. Ο μαγνητικός πυρήνας του αποτελείται από πλαστικοποιημένες πλάκες που μειώνουν το σχηματισμό δινορευμάτων και αυξάνουν την απόδοση. Οι περιελίξεις του ρότορα και/ή της αυτοδιέγερσης τοποθετούνται στα κανάλια πυρήνα.

Ένας κόμβος μεταγωγής με βούρτσες, μπορεί να έχει διαφορετικό αριθμό πόλων, αλλά είναι πάντα πολλαπλάσιο των δύο. Το υλικό της βούρτσας είναι συνήθως γραφίτης. Οι πλάκες συλλέκτη είναι κατασκευασμένες από χαλκό, ως το βέλτιστο μέταλλο κατάλληλο για τις ηλεκτρικές ιδιότητες της αγωγιμότητας του ρεύματος.

Χάρη στη χρήση ενός διακόπτη, παράγεται ένα παλμικό σήμα στους ακροδέκτες εξόδου της γεννήτριας DC.

Οι κύριοι τύποι κατασκευών γεννητριών συνεχούς ρεύματος

Σύμφωνα με τον τύπο τροφοδοσίας του πηνίου διέγερσης, οι συσκευές διακρίνονται:

1. με αυτοδιέγερση.

2. λειτουργούν με βάση την ανεξάρτητη ένταξη.

Τα πρώτα προϊόντα μπορούν:

• Χρησιμοποιήστε μόνιμους μαγνήτες.

• ή λειτουργούν από εξωτερικές πηγές, π.χ. μπαταρίες, ανεμογεννήτριες...

Οι γεννήτριες με ανεξάρτητη μεταγωγή λειτουργούν από τη δική τους περιέλιξη, η οποία μπορεί να συνδεθεί:

• διαδοχικά?

• παρακάμψεις ή παράλληλη διέγερση.

Μία από τις επιλογές για μια τέτοια σύνδεση φαίνεται στο διάγραμμα.

Ένα παράδειγμα γεννήτριας συνεχούς ρεύματος είναι ένα σχέδιο που χρησιμοποιούνταν συχνά στη μηχανική αυτοκινήτων στο παρελθόν. Η δομή του είναι ίδια με αυτή ενός επαγωγικού κινητήρα.

Τέτοιες δομές συλλεκτών μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα σε λειτουργία κινητήρα ή γεννήτριας. Εξαιτίας αυτού, έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα στα υπάρχοντα υβριδικά οχήματα.

Διαδικασία σχηματισμού άγκυρας

Αυτό συμβαίνει στη λειτουργία αδράνειας όταν η πίεση της βούρτσας δεν ρυθμίζεται σωστά, δημιουργώντας μια μη βέλτιστη λειτουργία τριβής. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των μαγνητικών πεδίων ή σε πυρκαγιά λόγω αυξημένου σπινθήρα.

Οι τρόποι μείωσης είναι:

• αντιστάθμιση μαγνητικών πεδίων με σύνδεση πρόσθετων πόλων.

• ρύθμιση της μετατόπισης της θέσης των βουρτσών συλλογής.

Πλεονεκτήματα των γεννητριών DC

Περιλαμβάνουν:

• χωρίς απώλειες λόγω υστέρησης και σχηματισμού δινορρευμάτων.

• εργασία σε ακραίες συνθήκες?

• μειωμένο βάρος και μικρές διαστάσεις.

Η αρχή λειτουργίας του απλούστερου εναλλάκτη

Μέσα σε αυτό το σχέδιο, χρησιμοποιούνται οι ίδιες λεπτομέρειες όπως στο προηγούμενο ανάλογο:

• μαγνητικό πεδίο;

• περιστρεφόμενο πλαίσιο?

• μπλοκ συλλέκτη με τρέχουσες βούρτσες αποστράγγισης.

Η κύρια διαφορά έγκειται στον σχεδιασμό του συγκροτήματος συλλέκτη, το οποίο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε όταν το πλαίσιο περιστρέφεται μέσα από τις βούρτσες, να γίνεται συνεχώς επαφή με το μισό πλαίσιο χωρίς να αλλάζει κυκλικά η θέση τους.

Επομένως, το ρεύμα, το οποίο αλλάζει σύμφωνα με τους νόμους των αρμονικών σε κάθε μισό, μεταφέρεται εντελώς αμετάβλητο στις βούρτσες και στη συνέχεια μέσω αυτών στο κύκλωμα καταναλωτή.

Φυσικά, το πλαίσιο δημιουργείται με περιέλιξη όχι από μια στροφή, αλλά έναν υπολογισμένο αριθμό από αυτά για να επιτευχθεί η βέλτιστη τάση.

Έτσι, η αρχή λειτουργίας των γεννητριών DC και AC είναι κοινή και οι διαφορές σχεδιασμού είναι στην παραγωγή:

• Συλλέκτης περιστρεφόμενου ρότορα.

• διαμόρφωση περιέλιξης ρότορα.

Χαρακτηριστικά σχεδιασμού βιομηχανικών εναλλάκτη

Εξετάστε τα κύρια μέρη μιας βιομηχανικής γεννήτριας επαγωγής στην οποία ο ρότορας δέχεται περιστροφική κίνηση από έναν κοντινό στρόβιλο. Η κατασκευή του στάτορα περιλαμβάνει έναν ηλεκτρομαγνήτη (αν και το μαγνητικό πεδίο μπορεί να δημιουργηθεί από ένα σύνολο μόνιμων μαγνητών) και μια περιέλιξη ρότορα με ορισμένο αριθμό στροφών.

Σε κάθε βρόχο προκαλείται ηλεκτροκινητική δύναμη, η οποία προστίθεται διαδοχικά σε καθέναν από αυτούς και σχηματίζει στους ακροδέκτες εξόδου τη συνολική τιμή της τάσης που παρέχεται στο κύκλωμα τροφοδοσίας των συνδεδεμένων καταναλωτών.

Για να αυξηθεί το εύρος του EMF στην έξοδο της γεννήτριας, χρησιμοποιείται ένας ειδικός σχεδιασμός του μαγνητικού συστήματος, κατασκευασμένος από δύο μαγνητικά κυκλώματα λόγω της χρήσης ειδικών ποιοτήτων ηλεκτρικού χάλυβα με τη μορφή ελασματοποιημένων πλακών με κανάλια. Στο εσωτερικό τους τοποθετούνται πηνία.

Στο περίβλημα της γεννήτριας, υπάρχει ένας πυρήνας στάτορα με κανάλια για την υποδοχή ενός πηνίου που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.

Ο ρότορας που περιστρέφεται στα ρουλεμάν έχει επίσης ένα μαγνητικό κύκλωμα με σχισμή μέσα στο οποίο είναι τοποθετημένο ένα πηνίο που δέχεται ένα επαγόμενο EMF. Συνήθως, για τον άξονα περιστροφής επιλέγεται η οριζόντια κατεύθυνση, αν και υπάρχουν γεννήτριες με κάθετη διάταξη και την αντίστοιχη σχεδίαση των ρουλεμάν.

Δημιουργείται πάντα ένα κενό μεταξύ του στάτορα και του ρότορα, το οποίο είναι απαραίτητο για τη διασφάλιση της περιστροφής και την αποφυγή εμπλοκής. Αλλά ταυτόχρονα, υπάρχει απώλεια ενέργειας μαγνητικής επαγωγής σε αυτό. Ως εκ τούτου, προσπαθούν να το κάνουν όσο το δυνατόν μικρότερο, λαμβάνοντας υπόψη και τις δύο απαιτήσεις με τον βέλτιστο τρόπο.

Βρίσκεται στον ίδιο άξονα με τον ρότορα, ο διεγέρτης είναι μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος σχετικά χαμηλής ισχύος. Σκοπός του: να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στις περιελίξεις μιας γεννήτριας ισχύος σε κατάσταση ανεξάρτητης διέγερσης.

Τέτοιοι διεγέρτες χρησιμοποιούνται συχνότερα με σχέδια τουρμπίνας ή υδραυλικής γεννήτριας κατά τη δημιουργία μιας κύριας ή εφεδρικής μεθόδου διέγερσης.

Η φωτογραφία μιας βιομηχανικής γεννήτριας δείχνει τη διάταξη των δακτυλίων ολίσθησης και των βουρτσών για τη λήψη ρευμάτων από μια περιστρεφόμενη δομή ρότορα. Κατά τη λειτουργία, αυτή η συσκευή υπόκειται σε συνεχή μηχανική και ηλεκτρική καταπόνηση. Για να ξεπεραστούν, δημιουργείται μια πολύπλοκη δομή, η οποία κατά τη λειτουργία απαιτεί περιοδικούς ελέγχους και προληπτικά μέτρα.

Για τη μείωση του κόστους λειτουργίας που δημιουργείται, χρησιμοποιείται μια διαφορετική, εναλλακτική τεχνολογία που χρησιμοποιεί επίσης την αλληλεπίδραση μεταξύ περιστρεφόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Μόνο μόνιμοι ή ηλεκτρικοί μαγνήτες τοποθετούνται στον ρότορα και η τάση αφαιρείται από το ακίνητο πηνίο.

Κατά τη δημιουργία ενός τέτοιου κυκλώματος, μια τέτοια δομή μπορεί να ονομαστεί ο όρος «εναλλάκτης». Χρησιμοποιείται σε σύγχρονες γεννήτριες: υψηλής συχνότητας, αυτοκίνητα, ντίζελ ατμομηχανές και πλοία, εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Χαρακτηριστικά σύγχρονων γεννητριών

Λειτουργική αρχή

Το όνομα και το χαρακτηριστικό γνώρισμα της δράσης έγκειται στη δημιουργία μιας άκαμπτης σύνδεσης μεταξύ της συχνότητας της εναλλασσόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης που προκαλείται στην περιέλιξη του στάτορα «f» και της περιστροφής του ρότορα.

Μια τριφασική περιέλιξη είναι τοποθετημένη στον στάτορα και στον ρότορα υπάρχει ένας ηλεκτρομαγνήτης με έναν πυρήνα και μια συναρπαστική περιέλιξη που τροφοδοτείται από κυκλώματα συνεχούς ρεύματος μέσω ενός συλλέκτη βούρτσας.

Ο ρότορας οδηγείται σε περιστροφή από μια πηγή μηχανικής ενέργειας - έναν κινητήρα κίνησης με την ίδια ταχύτητα. Το μαγνητικό του πεδίο κάνει την ίδια κίνηση.

Ηλεκτροκινητικές δυνάμεις του ίδιου μεγέθους αλλά μετατοπισμένες κατά 120 μοίρες στην κατεύθυνση προκαλούνται στις περιελίξεις του στάτη, δημιουργώντας ένα τριφασικό συμμετρικό σύστημα.

Όταν συνδέονται με τα άκρα των περιελίξεων των κυκλωμάτων καταναλωτή, τα ρεύματα φάσης αρχίζουν να ενεργούν στο κύκλωμα, τα οποία σχηματίζουν ένα μαγνητικό πεδίο που περιστρέφεται με τον ίδιο τρόπο: συγχρονισμένα.

Η μορφή του σήματος εξόδου του επαγόμενου EMF εξαρτάται μόνο από τον νόμο κατανομής του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής στο διάκενο μεταξύ των πόλων του ρότορα και των πλακών του στάτη. Επομένως, επιδιώκουν να δημιουργήσουν ένα τέτοιο σχέδιο όταν το μέγεθος της επαγωγής αλλάζει σύμφωνα με έναν ημιτονοειδές νόμο.

Όταν το διάκενο είναι σταθερό, το διάνυσμα ροής μέσα στο διάκενο είναι τραπεζοειδές, όπως φαίνεται στο γραμμικό γράφημα 1.

Ωστόσο, εάν το σχήμα των κροσσών στους πόλους διορθωθεί ώστε να είναι λοξό αλλάζοντας το διάκενο στη μέγιστη τιμή, τότε είναι δυνατό να επιτευχθεί ένα ημιτονοειδές σχήμα της κατανομής όπως φαίνεται στη γραμμή 2. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται στην πράξη.

Κυκλώματα διέγερσης για σύγχρονες γεννήτριες

Η μαγνητοκινητική δύναμη που προκύπτει από την περιέλιξη διέγερσης του ρότορα «OB» δημιουργεί το μαγνητικό του πεδίο. Για αυτό υπάρχουν διαφορετικά σχέδια διεγέρτη DC με βάση:

1. μέθοδος επαφής.

2. μέθοδος χωρίς επαφή.

Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιείται μια ξεχωριστή γεννήτρια που ονομάζεται διεγέρτης «Β». Το πηνίο διέγερσής του τροφοδοτείται από μια πρόσθετη γεννήτρια σύμφωνα με την αρχή της παράλληλης διέγερσης, που ονομάζεται διεγέρτης «PV».

Όλοι οι ρότορες βρίσκονται σε έναν κοινό άξονα. Επομένως, περιστρέφονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Οι ρεοστάτες r1 και r2 χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση των ρευμάτων στα κυκλώματα διέγερσης και ενισχυτή.

Με τη μέθοδο χωρίς επαφή, δεν υπάρχουν δακτύλιοι ολίσθησης στον ρότορα. Μια τριφασική περιέλιξη διεγέρτη είναι τοποθετημένη απευθείας σε αυτό. Περιστρέφεται ταυτόχρονα με τον ρότορα και μεταδίδει ηλεκτρικό συνεχές ρεύμα μέσω του συν-περιστρεφόμενου ανορθωτή απευθείας στην περιέλιξη του διεγέρτη «Β».

Οι τύποι κυκλωμάτων χωρίς επαφή είναι:

1. Σύστημα αυτοδιέγερσης από την περιέλιξη του ίδιου του στάτορα.

2. αυτοματοποιημένο σύστημα.

Στην πρώτη μέθοδο, η τάση από τις περιελίξεις του στάτορα τροφοδοτείται στον μετασχηματιστή υποβάθμισης και στη συνέχεια στον ανορθωτή ημιαγωγών «PP», ο οποίος παράγει συνεχές ρεύμα.

Με τη μέθοδο αυτή δημιουργείται η αρχική διέγερση λόγω του φαινομένου του υπολειπόμενου μαγνητισμού.

Το αυτόματο σχέδιο για τη δημιουργία αυτοδιέγερσης περιλαμβάνει τη χρήση:

• μετασχηματιστής τάσης VT;

• αυτοματοποιημένος ρυθμιστής διέγερσης ATS.

• μετασχηματιστής ρεύματος TT;

• ανορθωτής VT;

• μετατροπέας θυρίστορ TP;

• προστατευτικό μπλοκ BZ.

Χαρακτηριστικά ασύγχρονων γεννητριών

Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των σχεδίων είναι η έλλειψη άκαμπτης σχέσης μεταξύ της ταχύτητας του δρομέα (nr) και του EMF που προκαλείται στο πηνίο (n). Υπάρχει πάντα μια διαφορά μεταξύ τους, η οποία ονομάζεται «γλίστρημα». Συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα "S" και εκφράζεται με τον τύπο S = (n-nr) / n.

Όταν το φορτίο είναι συνδεδεμένο στη γεννήτρια, δημιουργείται μια ροπή πέδησης για την περιστροφή του ρότορα. Επηρεάζει τη συχνότητα του παραγόμενου EMF, δημιουργεί αρνητική ολίσθηση.

Η κατασκευή του ρότορα για ασύγχρονες γεννήτριες γίνεται:

• βραχυκύκλωμα?

• φάση;

• κοίλος.

Οι ασύγχρονες γεννήτριες μπορούν να έχουν:

1. ανεξάρτητος ενθουσιασμός.

2. αυτοδιέγερση.

Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιείται μια εξωτερική πηγή τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος και στη δεύτερη, χρησιμοποιούνται μετατροπείς ή πυκνωτές ημιαγωγών στο πρωτεύον, δευτερεύον ή και στους δύο τύπους κυκλωμάτων.

Έτσι, οι εναλλάκτες και οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος έχουν πολλά κοινά στις αρχές κατασκευής, αλλά διαφέρουν στο σχεδιασμό ορισμένων στοιχείων.