Hoe werken AC- en DC-generatoren?

De term "generatie" in de elektrotechniek komt uit het Latijn. Het betekent "geboorte". Wat betreft energie kunnen we zeggen dat generatoren technische apparaten zijn die elektriciteit opwekken.

In dit geval moet worden opgemerkt dat elektrische stroom kan worden geproduceerd door verschillende soorten energie om te zetten, bijvoorbeeld:

• chemisch;

• licht;

• thermisch en anderen.

Historisch gezien zijn generatoren structuren die de kinetische energie van rotatie omzetten in elektriciteit.

Afhankelijk van het type opgewekte elektriciteit zijn de generatoren:

1. gelijkstroom;

2. variabel.

Het werkingsprincipe van de eenvoudigste generator

De natuurkundige wetten die het mogelijk maken om moderne elektrische installaties te creëren voor het opwekken van elektriciteit door mechanische energie om te zetten, werden ontdekt door de wetenschappers Oersted en Faraday.

Elk generatorontwerp is van toepassing principe van elektromagnetische inductiewanneer er een inductie is van een elektrische stroom in een gesloten frame vanwege de kruising met een roterend magnetisch veld dat wordt gecreëerd permanente magneten in vereenvoudigde modellen voor thuisgebruik of excitatiespoelen op industriële producten met verhoogd vermogen.

Wanneer u de ring draait, verandert de grootte van de magnetische flux.

De elektromotorische kracht die in de lus wordt geïnduceerd, hangt af van de veranderingssnelheid van de magnetische flux die de lus binnendringt in een gesloten lus S en is recht evenredig met de waarde ervan. Hoe sneller de rotor draait, hoe hoger de gegenereerde spanning.

Om een ​​gesloten lus te creëren en er elektrische stroom van af te leiden, was het nodig om een ​​collector en een borstel te maken die zorgen voor constant contact tussen het roterende frame en een stationair deel van het circuit.

Door de constructie van veerbelaste borstels die tegen de collectorplaten worden gedrukt, wordt de elektrische stroom overgebracht naar de uitgangsklemmen en van daaruit naar het consumentennetwerk.

Het werkingsprincipe van de eenvoudigste DC-generator

Terwijl het frame rond de as draait, draaien de linker- en rechterhelften rond de zuid- of noordpool van de magneten. Elke keer is er een verandering in de richting van de stromingen in de omgekeerde richting, zodat ze bij elke pool in één richting stromen.

Om een ​​gelijkstroom in het uitgangscircuit te creëren, wordt voor elke helft van de spoel een halve ring gemaakt op het collectorknooppunt. Borstels naast de ring verwijderen alleen de potentiaal van hun teken: positief of negatief.

Omdat de halve ring van het roterende frame open is, worden er momenten in gecreëerd wanneer de stroom zijn maximale waarde bereikt of afwezig is. Om niet alleen de richting, maar ook een constante waarde van de gegenereerde spanning te behouden, is het frame gemaakt volgens een speciaal voorbereide technologie:

• het gebruikt niet één spoel, maar meerdere - afhankelijk van de grootte van de geplande spanning;

• het aantal frames is niet beperkt tot één exemplaar: ze proberen voldoende aantal te maken om de spanningsval optimaal op hetzelfde niveau te houden.

In de DC-generator bevinden de rotorwikkelingen zich in de sleuven magnetisch circuit… Dit maakt het mogelijk om het verlies van het geïnduceerde elektromagnetische veld te verminderen.

Ontwerpkenmerken van DC-generatoren

De belangrijkste elementen van het apparaat zijn:

• extern stroomframe;

• magnetische polen;

• stators;

• roterende rotor;

• schakelblok met borstels.

Frame gemaakt van staallegeringen of gietijzer om mechanische sterkte te geven aan de algehele structuur. Een extra taak van de behuizing is het overbrengen van de magnetische flux tussen de polen.

Polen van magneten die met pinnen of bouten aan het lichaam zijn bevestigd. Er is een spoel op gemonteerd.

Een stator, ook wel juk of skelet genoemd, is gemaakt van ferromagnetische materialen. De spoel van de bekrachtigingsspoel wordt erop geplaatst. Statorkern uitgerust met magnetische polen die het magnetische veld vormen.

Rotor heeft een synoniem: anker. De magnetische kern bestaat uit gelamineerde platen die de vorming van wervelstromen verminderen en de efficiëntie verhogen. De rotor- en/of zelfexciterende wikkelingen zijn in de kernkanalen gelegd.

Een schakelknooppunt met borstels, het kan een verschillend aantal polen hebben, maar is altijd een veelvoud van twee. Het borstelmateriaal is meestal grafiet. De collectorplaten zijn gemaakt van koper, als het meest optimale metaal geschikt voor de elektrische eigenschappen van stroomgeleiding.

Door het gebruik van een schakelaar wordt aan de uitgangsklemmen van de DC-generator een pulserend signaal gegenereerd.

De belangrijkste soorten constructies van DC-generatoren

Afhankelijk van het type voeding van de excitatiespoel worden apparaten onderscheiden:

1. met zelfexcitatie;

2. opereren vanuit onafhankelijke inclusie.

De eerste producten kunnen:

• gebruik permanente magneten;

• of werken op externe bronnen, bv. batterijen, windturbines...

Onafhankelijk geschakelde generatoren werken vanuit hun eigen wikkeling, die kan worden aangesloten:

• opeenvolgend;

• shunts of parallelle excitatie.

Een van de opties voor een dergelijke verbinding wordt weergegeven in het diagram.

Een voorbeeld van een gelijkstroomgenerator is een ontwerp dat in het verleden vaak in de autotechniek werd gebruikt. De structuur is dezelfde als die van een inductiemotor.

Dergelijke collectorstructuren kunnen tegelijkertijd in motor- of generatormodus werken. Hierdoor zijn ze wijdverbreid in bestaande hybride voertuigen.

Ankervormingsproces

Dit gebeurt in de inactieve modus wanneer de borsteldruk verkeerd is afgesteld, waardoor een suboptimale wrijvingsmodus ontstaat. Dit kan leiden tot een vermindering van magnetische velden of brand als gevolg van meer vonken.

De manieren om te verminderen zijn:

• compensatie van magnetische velden door extra polen aan te sluiten;

• aanpassing van de offset van de positie van de collectorborstels.

Voordelen van DC-generatoren

Ze bevatten:

• zonder verliezen door hysteresis en wervelstroomvorming;

• werken in extreme omstandigheden;

• verminderd gewicht en kleine afmetingen.

Het werkingsprincipe van de eenvoudigste dynamo

Binnen dit ontwerp worden dezelfde details gebruikt als in de vorige analoog:

• magnetisch veld;

• roterend frame;

• collectorblok met stroomafvoerborstels.

Het belangrijkste verschil zit in het ontwerp van het collectorsamenstel, dat zo is ontworpen dat wanneer het frame door de borstels draait, er constant contact wordt gemaakt met de helft van het frame zonder cyclisch van positie te veranderen.

Daarom wordt de stroom, die in elke helft verandert volgens de wetten van de harmonischen, volledig ongewijzigd overgebracht naar de borstels en vervolgens via deze naar het consumentencircuit.

Het frame wordt natuurlijk gemaakt door niet uit één slag te draaien, maar uit een berekend aantal om de optimale spanning te bereiken.

Het werkingsprincipe van DC- en AC-generatoren is dus gebruikelijk en de ontwerpverschillen zitten in de productie van:

• roterende rotorcollector;

• configuratie rotorwikkeling.

Ontwerpkenmerken van industriële dynamo's

Overweeg de belangrijkste onderdelen van een industriële inductiegenerator waarin de rotor een roterende beweging ontvangt van een nabijgelegen turbine. De statorconstructie omvat een elektromagneet (hoewel het magnetische veld kan worden gecreëerd door een set permanente magneten) en een rotorwikkeling met een bepaald aantal windingen.

In elke lus wordt een elektromotorische kracht geïnduceerd, die achtereenvolgens in elke lus wordt opgeteld en aan de uitgangsklemmen de totale waarde vormt van de spanning die wordt geleverd aan het voedingscircuit van de aangesloten verbruikers.

Om de amplitude van de EMF aan de uitgang van de generator te vergroten, wordt een speciaal ontwerp van het magnetische systeem gebruikt, gemaakt van twee magnetische circuits door het gebruik van speciale soorten elektrisch staal in de vorm van gelamineerde platen met kanalen. Daarin zijn spoelen geïnstalleerd.

In de generatorbehuizing bevindt zich een statorkern met kanalen voor een spoel die een magnetisch veld creëert.

De rotor die op lagers draait, heeft ook een magnetisch circuit met sleuven waarin een spoel is gemonteerd die een geïnduceerde EMF ontvangt. Meestal wordt de horizontale richting gekozen voor de rotatieas, hoewel er generatoren zijn met een verticale opstelling en het overeenkomstige ontwerp van de lagers.

Er ontstaat altijd een opening tussen de stator en de rotor, die nodig is om rotatie te garanderen en vastlopen te voorkomen. Maar tegelijkertijd zit er een verlies aan magnetische inductie-energie in. Daarom proberen ze het zo klein mogelijk te maken, waarbij ze op een optimale manier rekening houden met beide vereisten.

De exciter bevindt zich op dezelfde as als de rotor en is een gelijkstroomgenerator met een relatief laag vermogen. Het doel: elektriciteit leveren aan de wikkelingen van een stroomgenerator in een staat van onafhankelijke excitatie.

Dergelijke exciters worden meestal gebruikt met turbine- of hydraulische generatorontwerpen bij het creëren van een primaire of back-upmethode van excitatie.

De foto van een industriële generator toont de opstelling van sleepringen en borstels om stromingen van een roterende rotorstructuur op te vangen. Tijdens het gebruik wordt dit apparaat constant mechanisch en elektrisch belast. Om ze te overwinnen, wordt een complexe structuur gecreëerd, die tijdens bedrijf periodieke controles en preventieve maatregelen vereist.

Om de gegenereerde bedrijfskosten te verlagen, wordt een andere, alternatieve technologie gebruikt die ook gebruik maakt van de interactie tussen roterende elektromagnetische velden. Alleen permanente of elektrische magneten worden op de rotor geplaatst en de spanning wordt verwijderd van de stationaire spoel.

Bij het maken van een dergelijk circuit kan een dergelijke structuur de term «alternator» worden genoemd. Het wordt gebruikt in synchrone generatoren: hoogfrequente, automobiel-, diesellocomotieven en schepen, energiecentrale-installaties voor de productie van elektriciteit.

Kenmerken van synchrone generatoren

Operatie principe

De naam en het onderscheidende kenmerk van de actie ligt in het creëren van een starre verbinding tussen de frequentie van de wisselende elektromotorische kracht die wordt geïnduceerd in de statorwikkeling «f» en de rotatie van de rotor.

Een driefasige wikkeling is in de stator gemonteerd en op de rotor bevindt zich een elektromagneet met een kern en een opwindende wikkeling die wordt gevoed door gelijkstroomcircuits via een borstelcollector.

De rotor wordt in rotatie gebracht door een bron van mechanische energie - een aandrijfmotor met dezelfde snelheid. Het magnetische veld maakt dezelfde beweging.

Elektromotorische krachten van dezelfde grootte maar 120 graden verschoven in richting worden geïnduceerd in de statorwikkelingen, waardoor een driefasig symmetrisch systeem ontstaat.

Wanneer ze zijn aangesloten op de uiteinden van de wikkelingen van consumentencircuits, beginnen fasestromen in het circuit te werken, die een magnetisch veld vormen dat op dezelfde manier roteert: synchroon.

De vorm van het uitgangssignaal van de geïnduceerde EMF hangt alleen af ​​van de distributiewet van de magnetische inductievector in de opening tussen de rotorpolen en de statorplaten. Daarom proberen ze een dergelijk ontwerp te creëren wanneer de grootte van de inductie verandert volgens een sinusoïdale wet.

Wanneer de spleet constant is, is de stromingsvector in de spleet trapeziumvormig, zoals weergegeven in lijngrafiek 1.

Als de vorm van de franjes aan de polen echter wordt gecorrigeerd om scheef te worden door de opening te veranderen in de maximale waarde, dan is het mogelijk om een ​​sinusvormige vorm van de verdeling te bereiken, zoals weergegeven in regel 2. Deze techniek wordt in de praktijk gebruikt.

Excitatiecircuits voor synchrone generatoren

De magnetomotorische kracht die ontstaat op de bekrachtigingswikkeling van de rotor «OB» creëert zijn magnetisch veld. Hiervoor zijn er verschillende DC-exciterontwerpen op basis van:

1. wijze van contact;

2. contactloze methode.

In het eerste geval wordt een afzonderlijke generator gebruikt, exciter «B» genaamd. De excitatiespoel wordt aangedreven door een extra generator volgens het principe van parallelle excitatie, een zogenaamde «PV» exciter.

Alle rotoren bevinden zich op een gemeenschappelijke as. Daarom roteren ze op precies dezelfde manier. Reostaten r1 en r2 worden gebruikt om de stromen in de excitatie- en versterkercircuits te regelen.

Bij de contactloze methode zitten er geen sleepringen op de rotor. Een driefasige bekrachtigingswikkeling is er direct op gemonteerd. Hij draait synchroon met de rotor en zendt elektrische gelijkstroom via de meedraaiende gelijkrichter rechtstreeks naar de bekrachtigingswikkeling «B».

De soorten contactloze circuits zijn:

1. zelfexcitatiesysteem door de eigen wikkeling van de stator;

2. geautomatiseerd schema.

Bij de eerste methode wordt de spanning van de statorwikkelingen naar de step-down transformator gevoerd en vervolgens naar de halfgeleidergelijkrichter «PP», die gelijkstroom genereert.

Met deze methode wordt de initiële excitatie gecreëerd vanwege het fenomeen van restmagnetisme.

Het automatische schema voor het creëren van zelfexcitatie omvat het gebruik van:

• spanningstransformator VT;

• geautomatiseerde excitatieregelaar ATS;

• stroomtransformator TT;

• gelijkrichter VT;

• thyristor-omzetter TP;

• beschermingsblok BZ.

Kenmerken van asynchrone generatoren

Het belangrijkste verschil tussen deze ontwerpen is het ontbreken van een starre relatie tussen de rotorsnelheid (nr) en de EMF die wordt geïnduceerd in de spoel (n). Er is altijd een verschil tussen hen, dat "slip" wordt genoemd. Het wordt aangeduid met de Latijnse letter "S" en wordt uitgedrukt door de formule S = (n-nr) / n.

Wanneer de belasting is aangesloten op de generator, wordt een remkoppel gecreëerd om de rotor te laten draaien. Het beïnvloedt de frequentie van de gegenereerde EMF, creëert een negatieve slip.

De constructie van de rotor voor asynchrone generatoren is gemaakt:

• kortsluiting;

• fase;

• hol.

Asynchrone generatoren kunnen hebben:

1. onafhankelijke opwinding;

2. zelfopwinding.

In het eerste geval wordt een externe wisselspanningsbron gebruikt en in het tweede geval worden halfgeleideromzetters of condensatoren gebruikt in de primaire, secundaire of beide soorten circuits.

Dynamo's en gelijkstroomgeneratoren hebben dus veel gemeen in de constructieprincipes, maar verschillen in het ontwerp van bepaalde elementen.