Generatore di corrente alternata: principio di funzionamento. Generatore di corrente alternata: dispositivo, principio di funzionamento, scopo

Un generatore per auto è una delle unità più importanti di un'auto. La sua funzione è generare e fornire elettricità a tutti i nodi che richiedono un consumo di corrente costante. Inoltre, fornisce una ricarica alla batteria all'avvio dell'auto e mentre il motore è in funzione.

Successivamente, considereremo in cosa consiste il generatore elettrico nelle auto moderne, qual è il principio di funzionamento e quanto sia importante mantenerlo in piena efficienza. Esamineremo anche i diversi tipi di dispositivi utilizzati nelle auto moderne.

Funzioni di base di un alternatore

Il funzionamento del dispositivo consiste nel convertire l'energia meccanica generata dall'albero motore in corrente elettrica. Di conseguenza, l'alimentazione viene fornita a tutti i dispositivi che richiedono elettricità. L'energia elettrica viene immagazzinata nella batteria dell'auto. In modalità normale, fornisce energia ai sistemi che necessitano di corrente.

Ma quando si avvia un'auto, è il motorino di avviamento il principale consumatore di energia. La corrente raggiunge centinaia di ampere e la tensione nella rete diminuisce bruscamente. È il generatore in questo momento che diventa la principale fonte di corrente. La batteria produce una corrente instabile che non può fornire una tensione costante alla rete elettrica del veicolo.

Il generatore di corrente è una sorta di rete di sicurezza, poiché garantisce la generazione e la fornitura di elettricità durante improvvisi sbalzi di tensione. Questo può significare non solo l'avvio del motore, ma anche l'accensione dei fari, il cambio di marcia e anche l'avvio del funzionamento di sistemi aggiuntivi.

Inoltre, il dispositivo fornisce la ricarica della batteria, importante anche per il pieno funzionamento dell'auto.

Principio di funzionamento

Esistono due tipi di generatori: corrente continua e alternata. Il secondo tipo di generatore è installato sulla maggior parte delle auto moderne. Sono caratterizzati dal fatto che il loro circuito magnetico e il loro conduttore sono immobili. Ruota solo il magnete permanente e quando ruota viene generata una corrente. Ciò accade perché il circuito della bobina è attraversato da un flusso magnetico di entità e direzione variabili. Di conseguenza, c'è un aumento e una diminuzione uniforme dell'energia.

Pertanto, quando la punta del circuito magnetico passa oltre i poli del magnete, si forma una corrente di entità e direzione variabili. Cambia anche nella bobina. Ecco perché la corrente si chiama alternata. Il design dell'unità gli consente di generare una quantità sufficiente di elettricità anche con una rotazione relativamente lenta, poiché ha un gran numero di bobine e rotori e al suo interno è installato un magnete convenzionale invece di un magnete convenzionale.

Per tutti i modelli, il principio di funzionamento dei generatori è quasi lo stesso. Solo alcuni componenti del dispositivo possono cambiare, garantendo la generazione di più elettricità.

Come funziona un alternatore?

Per coloro che comprendono almeno un po' i principi della generazione e distribuzione dell'elettricità, tutto è estremamente semplice. In un'auto ci sono due circuiti elettrici: primario e secondario.

Tra il circuito primario e quello secondario è presente un regolatore di tensione. Calcola il livello di tensione nel circuito secondario e, in base a questo, imposta i parametri per il primario. Senza un regolatore di tensione, un’auto sarebbe in grado di controllare il livello di tensione e la quantità di elettricità prodotta.

Se la tensione nella rete diminuisce bruscamente, il regolatore reagisce ai suoi indicatori e la corrente nel circuito dell'avvolgimento di eccitazione aumenta. Di conseguenza, il campo magnetico aumenta e all'interno dell'apparecchio viene generata più elettricità. La tensione all'interno del meccanismo aumenterà finché la sua crescita non verrà interrotta dal regolatore.

Quando il livello di corrente nell'intera rete viene equalizzato, il regolatore fornisce nuovamente un segnale per aumentare la tensione nel generatore al livello desiderato. Pertanto, il funzionamento del generatore dipende direttamente dalla quantità di elettricità consumata da tutti i sistemi del veicolo. E il regolatore di tensione controlla la quantità di energia generata.

Importante! Il funzionamento del generatore non dipende dalla velocità del motore. Se si verificano malfunzionamenti nella rete elettrica dell'auto, ciò è dovuto a problemi nel generatore stesso o a un malfunzionamento del regolatore di tensione, ma non a problemi nel funzionamento del motore. Il design del generatore consente di generare la quantità necessaria di elettricità anche a basse velocità dell'unità.

Di seguito potete guardare un video con una spiegazione accessibile del funzionamento di un alternatore:

Come viene alimentato il generatore

Il generatore di tensione in un'auto svolge la funzione di convertire l'energia meccanica in energia elettrica. L'energia meccanica è prodotta dal motore dell'auto. Il generatore è progettato in modo tale che la puleggia dell'albero motore trasmetta il movimento alla puleggia del generatore. Tra di loro c'è una cinghia di fissaggio che garantisce questa trasmissione.

Tutte le auto moderne sono dotate di cinghie Poly-V, che hanno una buona flessibilità e consentono l'installazione di pulegge di piccolo diametro sui generatori. E quanto più piccolo è il diametro di questa unità, tanto maggiore è l'energia che l'unità può generare. Questa relazione fornisce gli elevati rapporti di trasmissione che contraddistinguono i generatori ad alta velocità.

Da ciò possiamo concludere che l'uso di nuovi materiali e tecnologie nella produzione di generatori di corrente continua e alternata consente di aumentarne la produttività. Questo è molto importante per le auto ad alta tecnologia con il loro maggiore consumo di energia.

Dispositivo generatore

Il design del generatore non è cambiato molto dall'invenzione dei primi meccanismi elettrici di corrente continua e alternata, utilizzati per produrre elettricità nelle automobili. Questa unità è dotata del seguente dispositivo:

• telaio;
• due coperture con fori per l'areazione. Le coperture in alluminio sono serrate insieme con tre o quattro bulloni;
• un rotore rotante su due cuscinetti e azionato da una puleggia;
• la corrente viene fornita all'avvolgimento dell'elettromagnete da due anelli di rame e spazzole di grafite;
• a loro volta sono collegati a un regolatore a relè, che fornisce il controllo sul livello di produzione di elettricità all'interno dell'unità. A seconda della modifica, il relè può essere integrato nell'alloggiamento o posizionato all'esterno.

Tutti i dispositivi moderni sono dotati di ventole di raffreddamento che impediscono il surriscaldamento del dispositivo. I generatori sono fissati direttamente alla parte anteriore del motore mediante staffe speciali.

Lo statore del generatore è costituito da un nucleo, un avvolgimento, un cuneo di fessura, una scanalatura e un cavo per il collegamento ai raddrizzatori. Il rotore è costituito da un sistema di poli. Questi componenti si trovano nell'alloggiamento e il loro funzionamento e interazione costituisce la base per la generazione di elettricità all'interno del dispositivo.

Il gruppo spazzole contiene spazzole o contatti scorrevoli. Possono essere poligrafite o elettrografite. Le unità spazzola trasmettono corrente continua a un'armatura rotante, che agisce come un magnete permanente. Ma proprio queste spazzole rappresentano l'anello debole di questo progetto, poiché richiedono costante manutenzione, pulizia e sostituzione delle parti usurate.

Il dispositivo di un generatore brushless per automobili

Il tipo di dispositivo brushless è oggi il più diffuso, poiché è il più affidabile e non richiede una manutenzione costante. Come qualsiasi altro dispositivo, è costituito da due componenti:

A differenza dei meccanismi a spazzole, qui viene utilizzata la regolazione composta della tensione di uscita. È realizzato grazie al fatto che gli assi degli avvolgimenti sono spostati di 90 gradi. Di conseguenza, all'aumentare del carico, il campo magnetico del rotore si sposta verso l'avvolgimento principale e la FEM generata in esso aumenta. La tensione, a sua volta, si stabilizza.

Questo meccanismo presenta i seguenti vantaggi:

• durante il funzionamento del dispositivo non viene generata polvere di carbone, che è il problema principale per i generatori a spazzole;
• dopo un certo periodo di funzionamento non è necessario sostituire le spazzole;
• un numero ridotto di strutture meccaniche aumenta significativamente l'affidabilità del dispositivo e riduce al minimo i costi di manutenzione;
• il dispositivo non teme le condizioni meteorologiche avverse;
• Tali dispositivi hanno un design semplice, il che significa che sono più economici.

I generatori brushless sono piuttosto popolari, nonostante siano monofase e abbiano una bassa efficienza. Tuttavia questo svantaggio viene eliminato mediante l'utilizzo di sistemi con controllo elettronico ed eccitazione indipendente.

Come funziona un generatore DC?

Un dispositivo a corrente continua ha una struttura simile a un generatore di corrente alternata. Le sue parti principali sono un'armatura a forma di cilindro con un avvolgimento ed elettromagneti che creano tensione nel dispositivo.

Si dividono in due tipologie: autoeccitati e con commutazione indipendente; tali dispositivi possono essere anche a spazzole o senza spazzole.

Dato che i generatori DC richiedono una fonte di energia costante, il loro campo di applicazione è piuttosto ristretto. Sono spesso utilizzati per alimentare il trasporto elettrico pubblico. Questo tipo di dispositivo viene utilizzato nei generatori diesel.

Questo è un tipo di macchina elettrica che aiuta a convertire l'energia meccanica in energia elettrica. Il funzionamento dei generatori di corrente si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica: la forza elettromotrice (EMF) viene indotta in un filo che si muove in un campo magnetico.

Produrre generatore di corrente Può non solo dirigere, ma anche corrente alternata. In latino la parola generatore significa produttore.

I fornitori di generatori più famosi sul mercato mondiale sono le seguenti aziende: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.

Generatori CC.

Per molto tempo l'unico tipo di fonte per la generazione di elettricità è stata generatori elettrici.

La corrente alternata viene indotta nell'avvolgimento dell'indotto di un generatore di corrente continua, quindi viene convertita in corrente continua da un raddrizzatore-collettore elettromeccanico. Soprattutto ad alte velocità di rotazione dell'armatura del generatore, il processo di raddrizzamento della corrente da parte del commutatore è associato ad un'usura molto frequente delle spazzole e del commutatore.

Variare Generatori CC per la natura della loro eccitazione, sono autoeccitati e indipendenti. Nei generatori con eccitazione elettromagnetica, un avvolgimento di eccitazione situato sui poli principali è collegato a una fonte di alimentazione indipendente.

I magneti permanenti, da cui sono realizzati i poli della macchina, eccitano i generatori con eccitazione magnetoelettrica. I generatori DC sono utilizzati principalmente in quei settori in cui la DC è preferibile nelle condizioni di produzione (industrie elettrolitiche e metallurgiche, navi, trasporti, ecc.). I generatori CC sono utilizzati nelle centrali elettriche come fonti di corrente continua ed eccitatori di generatori sincroni.

Può raggiungere fino a 10 Megawatt potenza del generatore di corrente.

Con una tensione sufficientemente elevata si possono ottenere correnti elevate alternatori. Attualmente si distinguono diversi tipi di generatori ad induzione.

Sono costituiti da un magnete permanente o elettromagnete che crea un campo magnetico e da un avvolgimento in cui viene indotta una fem alternata. Poiché la forza elettromagnetica indotta nelle spire collegate in serie viene sommata, l'ampiezza della forza elettromagnetica nel telaio di induzione sarà proporzionale al numero di spire in essa contenute. È anche proporzionale attraverso ogni giro all'ampiezza del flusso magnetico alternato. IN generatori di corrente Per ottenere un grande flusso magnetico, viene utilizzato uno speciale sistema magnetico costituito da due nuclei in acciaio elettrico. Nelle scanalature di uno dei nuclei ci sono degli avvolgimenti che creano un campo magnetico, e nelle scanalature del secondo ci sono degli avvolgimenti in cui viene indotta l'EMF. Uno dei nuclei è chiamato rotore, poiché ruota attorno a un asse verticale o orizzontale insieme al suo avvolgimento.

L'altro nucleo è chiamato statore: è un nucleo stazionario con il suo avvolgimento. Lo spazio tra i nuclei del rotore e dello statore è ridotto al minimo possibile, garantendo così il massimo valore del flusso di induzione magnetica. L'elettromagnete, che è un rotore, ruota in grande generatori industriali e gli avvolgimenti disposti nelle cave dello statore e in cui viene indotta la FEM rimangono immobili.

Utilizzando contatti striscianti, è necessario fornire corrente al rotore in un circuito esterno o rimuoverla dall'avvolgimento del rotore. A tale scopo il rotore è dotato di anelli di contatto fissati alle estremità del suo avvolgimento. Contro gli anelli sono premute piastre spazzole fisse che comunicano con il circuito esterno dell'avvolgimento del rotore. Negli avvolgimenti di un elettromagnete che crea un campo magnetico, l'intensità della corrente è significativamente inferiore all'intensità della corrente che il generatore di corrente fornisce al circuito esterno. Pertanto, è molto più conveniente rimuovere la corrente generata dagli avvolgimenti stazionari e fornire una corrente relativamente debole attraverso contatti striscianti a un elettromagnete rotante. Questa corrente è generata da un separato Generatore di corrente continua(agente causativo). Un magnete rotante crea un campo magnetico nei generatori di corrente a bassa potenza, in questo caso non sono necessari spazzole e anelli.

Esistono due tipi di avvolgimenti di eccitazione dei generatori sincroni: con rotori a poli salienti e non salienti. Gli avvolgimenti portanti di eccitazione sporgono dall'induttore nei generatori con rotori a poli salienti. I generatori di questo tipo sono progettati per velocità di rotazione relativamente basse; sono utilizzati per funzionare con azionamenti di motori a vapore a pistoni, turbine idrauliche e motori diesel. Per guidare generatori sincroni Le turbine a gas e a vapore vengono utilizzate con rotori a poli non salienti. Il rotore di un tale generatore è un pezzo fucinato in acciaio con scanalature longitudinali fresate per le spire dell'avvolgimento di campo, che di solito sono realizzate sotto forma di piastre di rame. Le spire sono fissate nelle scanalature e per ridurre le perdite di potenza e i livelli di rumore associati alla resistenza dell'aria, la superficie del rotore viene rettificata e quindi lucidata.

Per la maggior parte, sono realizzati in trifase avvolgimenti dei generatori di corrente. Una simile combinazione di parti in movimento, capace di produrre energia anche in modo economico e continuo, è rara in meccanica.

Generatore di corrente modernoè un'imponente struttura costituita da fili di rame, strutture in acciaio e materiali isolanti. Le parti più importanti dei generatori, che a loro volta misurano diversi metri, sono prodotte con una precisione di 1 millimetro.



Lo sviluppo dell'industria automobilistica è stato accompagnato da crescenti requisiti di affidabilità e aumento della durata dei veicoli, dal comfort del loro funzionamento, dalla riduzione dei costi operativi per manutenzione e riparazione, nonché dal rispetto dei sempre crescenti requisiti di sicurezza stradale.
A questo proposito, è necessario aumentare significativamente la potenza e la durata dei generatori di automobili come principali fonti di corrente elettrica, migliorare le loro caratteristiche prestazionali e ridurre i costi operativi. Era necessario ridurre le dimensioni complessive e il peso dei generatori, così come molte altre unità e dispositivi, che consentissero di progettare in modo flessibile il layout e il design esterno delle auto, oltre a risparmiare sui metalli costosi.

Soddisfare i requisiti di cui sopra migliorando la progettazione e la tecnologia di produzione dei generatori DC, tenendo conto della bassa affidabilità e della breve durata del gruppo spazzola-commutatore, nonché delle dimensioni complessive e del peso dei generatori DC, è diventato irrealizzabile. Pertanto, è stata scelta una nuova direzione nello sviluppo dei generatori di automobili: la creazione di generatori di corrente alternata.

Il nome "generatore di corrente alternata" è alquanto arbitrario e si riferisce principalmente alle caratteristiche di progettazione del generatore, poiché sono dotati di raddrizzatori a semiconduttore integrati e forniscono ai consumatori corrente continua (rettifica).
Nei generatori CC, tale raddrizzatore è un'unità collettore a spazzole, che rettifica la corrente alternata ricevuta negli avvolgimenti dell'indotto.
Lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ha permesso di utilizzare nei generatori di corrente alternata un raddrizzatore più avanzato e affidabile basato su diodi a semiconduttore, che non conteneva parti meccaniche e componenti soggetti ad usura e guasti.

Vantaggi e svantaggi degli alternatori

I principali vantaggi dei generatori di corrente alternata rispetto ai generatori di corrente continua includono le seguenti proprietà:

• a parità di potenza, la loro massa è 1,8...2,5 volte inferiore e circa tre volte meno preziosa del metallo non ferroso: si consuma rame;
• a parità di dimensioni i generatori di corrente alternata producono più potenza;
• la corrente inizia a essere generata a una velocità del rotore inferiore;
• il circuito e la progettazione del dispositivo di controllo sono più semplici a causa dell'assenza di un elemento limitatore di corrente e di un relè di corrente inversa;
• il design del collettore di corrente è più semplice e affidabile, soprattutto nei generatori di corrente alternata senza contatto;
• costi operativi inferiori grazie all'elevata affidabilità operativa e alla maggiore durata.

Da un punto di vista pratico, i vantaggi di un generatore di corrente alternata si manifestano nel fatto che la corrente da esso generata viene rimossa dagli avvolgimenti stazionari montati sull'alloggiamento dello statore. L'avvolgimento di campo, realizzato su un rotore rotante, è significativamente più leggero degli avvolgimenti dello statore stazionario, quindi il rotore può essere ruotato a una velocità maggiore senza timore di squilibrio delle masse rotanti. E in questo caso è più semplice fornire la corrente di eccitazione, poiché è piccola. Di conseguenza, le spazzole e gli anelli collettori durano più a lungo.

Inoltre, un generatore di corrente continua, a differenza di un generatore di corrente alternata, inizia a produrre corrente con una frequenza di rotazione dell'armatura relativamente elevata. Per questo motivo, per il suo pieno funzionamento, ad esempio, al minimo, è necessario un significativo rapporto di trasmissione, che in futuro (alla frequenza operativa dell'albero motore) può portare a squilibri (a causa della massa significativa dell'albero motore) armatura), usura dei cuscinetti e degli elementi di azionamento del generatore.

Un certo vantaggio dei generatori di corrente alternata si manifesta anche nel fatto che se è necessario ottenere alta tensione (ad esempio per alimentare consumatori ad alta tensione), è sufficiente utilizzare un piccolo trasformatore. Non sarà possibile aumentare la tensione CC in questo modo. Nonostante il fatto che nelle reti di bordo automobilistiche la necessità di alta tensione sia estremamente rara, questa possibilità non può essere esclusa.

I principali svantaggi di un generatore di corrente alternata sono la necessità di rettificare la corrente prodotta, nonché una certa dissipazione di potenza nelle parti metalliche che circondano il rotore e lo statore a causa della presenza di correnti parassite e reattive in un campo elettromagnetico alternato. Tuttavia, i vantaggi dei generatori di corrente alternata più che compensano gli svantaggi rilevati.

I primi alternatori per automobili furono progettati per funzionare con raddrizzatori al selenio separati e regolatori di tensione di vibrazione. I raddrizzatori al selenio erano grandi e dovevano essere posizionati separatamente dal generatore, in luoghi dove fosse garantito un buon raffreddamento. Per collegare un tale raddrizzatore al generatore era necessario un cablaggio aggiuntivo.
Inoltre, i raddrizzatori al selenio non erano sufficientemente resistenti al calore e consentivano una temperatura operativa massima non superiore a +80 ˚C.
Per questi motivi furono successivamente abbandonati i raddrizzatori al selenio e si cominciò ad utilizzare i diodi al silicio, di dimensioni più piccole e con una buona resistenza al calore, che consentivano di inserirli direttamente nel generatore.

I regolatori di tensione vibranti furono sostituiti prima da quelli a transistor a contatto, quindi da quelli senza contatto basati su elementi discreti e regolatori integrali senza contatto.
Le dimensioni complessive dei regolatori integrali consentono loro di essere integrati in un generatore che, insieme al regolatore e al raddrizzatore integrati, viene chiamato gruppo elettrogeno.

Progettazione di base di un alternatore

SU riso. 1 Viene presentato uno schema semplificato di un generatore di corrente alternata, costituito da due parti principali: uno statore con un avvolgimento stazionario in cui viene indotta la corrente alternata e un rotore che crea un campo magnetico.

I poli del rotore passano alternativamente attraverso bobine dello statore fisse situate su scanalature all'interno dell'alloggiamento del generatore. In questo caso, cambia la direzione del flusso magnetico e, di conseguenza, la direzione dell'EMF indotto nella bobina.

Tipicamente, il numero di poli magnetici sul rotore e il numero di bobine nell'alloggiamento consentono una corrente trifase. Nei generatori trifase, gli avvolgimenti hanno un punto comune in cui sono collegate le loro estremità, quindi questo schema di collegamento è chiamato “stella”, e il punto comune dell'avvolgimento è il punto zero.

Le seconde estremità degli avvolgimenti sono collegate a un raddrizzatore a onda intera. Il campo magnetico del rotore può essere creato da un magnete permanente o da un elettromagnete. In quest'ultimo caso, viene fornita una tensione costante all'avvolgimento di eccitazione dell'elettromagnete.

L'uso di elettromagneti nel rotore complica la progettazione del generatore, poiché è necessario fornire tensione alla parte rotante - il rotore, ma in questo caso è possibile regolare la tensione modificando la velocità di rotazione del rotore. Inoltre, le proprietà magnetiche dei magneti permanenti dipendono in modo significativo dalla loro temperatura.

Maggiori dettagli sulla progettazione e sul funzionamento di un alternatore per auto sono forniti nella pagina successiva.



Generatori senza contatto con eccitazione elettromagnetica

Per i generatori di automobili, l'affidabilità e la durata sono determinate da tre fattori:

• qualità dell'isolamento elettrico;
• qualità delle unità cuscinetto;
• affidabilità dei dispositivi di raccolta della corrente (contatti a spazzola).

I primi due fattori dipendono dal livello di sviluppo delle industrie correlate. Il terzo fattore può essere eliminato utilizzando generatori senza contatto, che hanno maggiore affidabilità e durata rispetto ai generatori di contatti che utilizzano collettori di corrente con contatti a spazzola. Ciò ha stimolato la creazione di generatori di corrente alternata senza contatto automobilistici con eccitazione elettromagnetica: generatori di induttori e generatori con poli accorciati.

I generatori senza contatto con eccitazione elettromagnetica includono generatori a induttori e generatori con becchi accorciati. Il generatore funziona come segue. L'avvolgimento di campo, attraverso il quale scorre la corrente continua, crea un flusso nel sistema magnetico che, quando il rotore ruota, cambia di grandezza senza cambiare segno. Questo flusso si chiude, passando attraverso i traferri tra l'albero e gli elementi del rotore, i cui denti sono realizzati a forma di asterisco, il traferro tra il rotore e lo statore, il circuito magnetico dello statore e il coperchio del generatore .

La variazione del flusso magnetico nell'armatura quando il rotore ruota si verifica a causa di una variazione della resistenza magnetica del traferro tra i denti dello statore e del rotore.
Flusso magnetico F per i generatori a induttore è pulsante. Il flusso magnetico nel traferro varia periodicamente da Fmassimo, quando gli assi dei denti del rotore e dello statore coincidono, fino a Ô min quando gli assi dei denti del rotore e dello statore vengono spostati di un angolo 180˚ gradi elettrici. Pertanto, il flusso magnetico ha una componente media costante e variabile con un'ampiezza

Ф per = 0,5 (Ф max - Ф min)

Il polo e la cavità del rotore del generatore (induttore) formano una coppia di poli, pertanto la frequenza della corrente di armatura nell'induttore del generatore può essere determinata dalla formula:

f = zn/60,

dove z è il numero di denti del rotore.

Nei generatori con poli accorciati, il non contatto si ottiene grazie al fissaggio fisso dell'avvolgimento di campo mediante una clip non magnetica. I poli a forma di becco sono lunghi meno della metà della parte attiva del rotore. Mentre il rotore ruota, il flusso di eccitazione magnetica attraversa le spire dell'avvolgimento dello statore, inducendo in esse una forza elettromagnetica.

I generatori con poli accorciati sono semplici nel design e tecnologicamente avanzati. I rotori di tali generatori hanno una bassa dissipazione.
Gli svantaggi includono una massa leggermente maggiore rispetto ai generatori di contatti per la stessa potenza. Va inoltre notato che è difficile fissare l'avvolgimento di campo e garantire la rigidità e la resistenza meccanica del suo fissaggio.

L'uso dei progetti esistenti di generatori a induttore nelle automobili è stato a lungo ostacolato dalle seguenti difficoltà:

• indicatori specifici bassi;
• aumento del livello di ondulazione della tensione raddrizzata;
• aumento del livello di rumore.

Un ulteriore miglioramento della progettazione e l'eliminazione degli svantaggi di cui sopra hanno reso possibile l'uso di generatori di corrente alternata a induttore nelle automobili.

Per la prima volta, sui veicoli UAZ sono stati utilizzati generatori brushless con poli accorciati 45.3701 e 49.3701.

Un breve video ti permetterà di comprendere chiaramente i principi base di funzionamento e struttura di un alternatore per auto.



La corrente alternata di frequenza industriale viene generata nelle centrali elettriche da generatori sincroni di macchine elettriche appositamente progettati per questo scopo. Il principio di funzionamento di queste unità si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. L'energia meccanica prodotta da una turbina a vapore o idraulica viene convertita in energia elettrica a corrente alternata.

La parte rotante dell'azionamento o del rotore è un magnete elettrico che trasmette il campo magnetico generato allo statore. Questa è la parte esterna del dispositivo, composta da tre bobine di fili.

La tensione viene trasmessa attraverso le spazzole e gli anelli del commutatore. Gli anelli del rotore in rame ruotano contemporaneamente all'albero motore e al rotore, provocando la pressione delle spazzole contro di essi. Questi, a loro volta, rimangono al loro posto, consentendo la trasmissione della corrente elettrica dagli elementi stazionari del generatore alla sua parte rotante.

Il campo magnetico così prodotto, ruotando attraverso lo statore, produce correnti elettriche che caricano la batteria.

Modelli popolari di generatori di saldatura corrente alternata:

Generatore corrente alternata

Oggi esistono molti tipi diversi di induzione generatori. Ma sono tutti costituiti dalle stesse parti di base. Si tratta, in primo luogo, di un elettromagnete o magnete permanente che crea un campo magnetico e, in secondo luogo, di un avvolgimento in cui viene indotta una variabile Campo elettromagnetico- forza motrice elettrica (nel modello di generatore considerato si tratta di un telaio rotante). Poiché i campi elettromagnetici indotti nelle spire collegate in serie si sommano, l'ampiezza dei campi elettromagnetici indotti nel telaio è proporzionale al numero di spire in esso contenute. È anche proporzionale all'ampiezza del flusso magnetico alternato (Фm = BS) attraverso ogni giro.

Principio di funzionamento del generatore corrente alternata Prossimo. Per ottenere un grande flusso magnetico, i generatori utilizzano uno speciale sistema magnetico costituito da due nuclei in acciaio elettrico. Gli avvolgimenti che creano il campo magnetico sono posizionati nelle fessure di uno dei nuclei e gli avvolgimenti in cui viene indotta la forza elettromagnetica si trovano nelle fessure dell'altro. Uno dei nuclei (solitamente interno) insieme al suo avvolgimento ruota attorno ad un asse orizzontale o verticale. Ecco perché si chiama rotore. Il nucleo stazionario con il suo avvolgimento è chiamato statore. Lo spazio tra i nuclei dello statore e del rotore è ridotto il più possibile per aumentare il flusso di induzione magnetica.

Nel modello di generatore mostrato in figura, ruota un telaio in filo metallico, che è un rotore (ma senza nucleo di ferro). Il campo magnetico è creato da un magnete permanente stazionario. Naturalmente si potrebbe fare il contrario: ruotare il magnete e lasciare immobile la cornice.

Nei grandi generatori industriali, è l'elettromagnete, che è il rotore, a ruotare, mentre gli avvolgimenti in cui viene indotta la forza elettromagnetica sono posti nelle cave dello statore e rimangono fermi. Il fatto è che la corrente deve essere fornita al rotore o rimossa dall'avvolgimento del rotore al circuito esterno mediante contatti striscianti. Per fare ciò, il rotore è dotato di anelli collettori fissati alle estremità del suo avvolgimento.

Fig. 1. Schema strutturale alternatore attuale

Le piastre fisse - spazzole - vengono premute contro gli anelli e collegano l'avvolgimento del rotore con il circuito esterno. L'intensità della corrente negli avvolgimenti dell'elettromagnete che crea il campo magnetico è significativamente inferiore alla corrente fornita dal generatore al circuito esterno. Pertanto, è più conveniente rimuovere la corrente generata dagli avvolgimenti stazionari e fornire una corrente relativamente debole all'elettromagnete rotante attraverso i contatti striscianti. Questa corrente è generata da un generatore di corrente continua separato (eccitatrice), situato sul lato sinistro dell'albero (Attualmente, la corrente continua viene spesso fornita all'avvolgimento del rotore dall'avvolgimento dello statore dello stesso generatore attraverso un raddrizzatore).

Nei generatori a bassa potenza, il campo magnetico è creato da un magnete permanente rotante. In questo caso non sono necessari anelli e spazzole.

La comparsa di campi elettromagnetici negli avvolgimenti stazionari dello statore è spiegata dalla comparsa in essi di un campo elettrico a vortice, generato da un cambiamento nel flusso magnetico quando il rotore ruota.

Un moderno generatore di corrente elettrica è un'imponente struttura realizzata con fili di rame, materiali isolanti e strutture in acciaio. Con dimensioni di diversi metri, le parti più importanti dei generatori sono realizzate con precisione millimetrica. Da nessuna parte in natura esiste una tale combinazione di parti mobili in grado di generare energia elettrica in modo così continuo ed economico.

CORRENTE ALTERNATA

L'albero del generatore viene messo in rotazione da una puleggia montata sull'albero motore tramite una cinghia trapezoidale. Il rapporto di trasmissione della cinghia trapezoidale è 1,7-2,0. Quando un'auto è in movimento, la velocità di rotazione dell'albero motore al minimo per i motori moderni è di 500-600 giri al minuto, la velocità massima è di 4000-5000 giri al minuto. Pertanto, il fattore di variazione della velocità del motore e, di conseguenza, dell'albero del generatore, può raggiungere 8 - 10. La tensione del generatore dipende dalla velocità di rotazione dell'albero. Maggiore è la frequenza, maggiore è la tensione del generatore. Restano comunque intatte tutte le apparecchiature elettriche dell'auto, in particolar modo luci e strumentazione

i dispositivi sono progettati per essere alimentati da una tensione continua di 12 o 24 V. Il mantenimento di una tensione costante del generatore, indipendentemente dalle variazioni della velocità di rotazione e del carico del generatore (accensione dei consumatori), viene effettuato da un dispositivo speciale chiamato tensione regolatore.

Quando la velocità del motore scende al di sotto di 500-700 giri/min, la tensione del generatore diventa inferiore alla tensione della batteria. Se la batteria non viene scollegata dal generatore, inizierà a scaricarsi verso il generatore, il che può portare al surriscaldamento dell'isolamento degli avvolgimenti del generatore e allo scaricamento della batteria. Quando il regime del motore aumenta è necessario ricollegare il generatore all'impianto elettrico. Il generatore viene inserito nell'impianto elettrico quando la sua tensione è superiore alla tensione della batteria e il generatore viene disconnesso dalla rete quando la sua tensione è inferiore alla tensione della batteria, tramite uno speciale dispositivo chiamato relè di corrente inversa.

Il generatore è progettato per erogare un certo valore massimo di corrente per un dato generatore, tuttavia, in caso di malfunzionamento dell'impianto elettrico (batteria scarica, cortocircuito, ecc.), il generatore può erogare una corrente superiore a quella per cui è progettato. Il funzionamento prolungato del generatore in questa modalità porterà al surriscaldamento e alla combustione dell'isolamento dell'avvolgimento. Per proteggere il generatore dal sovraccarico, viene utilizzato un dispositivo speciale chiamato limitatore di corrente.

Tutti e tre i dispositivi - un regolatore di tensione, un relè di corrente inversa e un limitatore di corrente - sono combinati in un unico dispositivo chiamato regolatore a relè.

In alcuni generatori, ad esempio G-250, potrebbero essere assenti un relè di corrente inversa a corrente alternata e un limitatore di corrente, ma il design del generatore contiene dispositivi che svolgono le funzioni di questi dispositivi.

Nella fig. La Figura 1 mostra il dispositivo del generatore di corrente alternata G-250. Il generatore ha uno statore 6 con un avvolgimento trifase realizzato sotto forma di bobine separate montate sui denti dello statore. Ogni fase ha sei bobine collegate in serie. Gli avvolgimenti di fase dello statore sono collegati da una stella e i loro terminali di uscita sono collegati al raddrizzatore 10.

Dispositivo alternatore attuale G-250

L'alloggiamento dello statore è costituito da singole piastre elettriche in acciaio. L'avvolgimento di eccitazione 4 del generatore è realizzato sotto forma di bobina ed è posizionato su una boccola in acciaio dei poli a becco del rotore 13. La boccola, i poli a becco del rotore e gli anelli collettori 5 sono fissato rigidamente all'albero del rotore 3 (inserimento a pressione sulla zigrinatura). Il campo magnetico creato dall'avvolgimento di eccitazione, passando attraverso le estremità dei poli a forma di becco, forma i poli nord e sud sul rotore (Fig. 2) (E.V. Mikhailovsky, "Car Design", p. 163).

Quando il rotore ruota, il campo magnetico dei poli del rotore attraversa le spire delle bobine dell'avvolgimento dello statore, inducendo una fem variabile in ciascuna fase.

Circuito di rettifica corrente alternata

La corrente nell'avvolgimento di eccitazione viene fornita attraverso le spazzole 8 (Fig. 1) e gli anelli di contatto 5, ai quali sono saldate le estremità dell'avvolgimento di eccitazione. Le spazzole sono fissate nel portaspazzole 9.

Lo statore del generatore è fissato con bulloni di serraggio tra i coperchi 1 e 7, che dispongono di staffe per fissare il generatore al motore. Nella copertura 1 sul lato trasmissione in alto si trova un foro filettato per il fissaggio di una barra di tensione con la quale viene regolata la tensione della cinghia di trasmissione del generatore. Le coperture sono realizzate in lega di alluminio.

Per ridurre l'usura, la sede del cuscinetto a sfere nel coperchio posteriore 7 ed i fori nelle staffe del coperchio sono rinforzati con boccole in acciaio.

I coperchi sono dotati di cuscinetti a sfera 2 e 12 con guarnizioni su entrambi i lati e lubrificante per l'intera durata del cuscinetto.

All'estremità sporgente dell'albero del rotore 3 sono fissate una ventola esterna 14 (figura 1) e una puleggia 15. I coperchi sono dotati di finestre di ventilazione attraverso le quali passa l'aria di raffreddamento. La direzione del movimento dell'aria di raffreddamento va dal coperchio sul lato degli anelli collettori alla ventola.

Un'unità raddrizzatore 10, assemblata da valvole al silicio (diodi) che consentono una temperatura operativa dell'alloggiamento di oltre 150°C, è installata nel coperchio sul lato degli anelli di contatto.

Tipi di unità raddrizzatori

Unità raddrizzatore VBG-1. (Fig. 4) è costituito da tre monoblocchi collegati in un circuito raddrizzatore trifase a onda intera

Ciascuna due valvole raddrizzatrici sono collocate in un monoblocco, che funge contemporaneamente da radiatore e nucleo conduttivo del punto medio del circuito 3. Nel corpo del radiatore monoblocco 4 ci sono due prese in cui sono presenti le giunzioni p-n delle valvole raddrizzatrici assemblato. In uno zoccolo, la giunzione pn ha una zona p sul corpo e nell'altro una zona n. Le zone di transizione opposte hanno conduttori flessibili 9, che collegano il monoblocco ai bus di collegamento 2. Il bus negativo del raddrizzatore è collegato all'alloggiamento del generatore. Nei progetti successivi dei blocchi raddrizzatori BPV-4-45 (Fig. 4, b) per una corrente di 45 A, vengono utilizzate valvole al silicio del tipo VA-20, che vengono pressate nei dissipatori di calore 12 di polarità negativa e positiva, tre valvole ciascuno. I dissipatori di calore sono isolati tra loro tramite boccole isolanti in plastica 13. La corrente inversa delle valvole non supera i 3 mA e quella del blocco assemblato -10 mA. Per generatori con una potenza massima fino a 1200 Vt (G-228), vengono utilizzati blocchi raddrizzatori al silicio VBG-7-G per una corrente di 80 A (Fig. 4, c) o BPV-7-100. I blocchi BPV-7T e BPV-7-100 utilizzano valvole VA-20, due in parallelo su ciascun braccio, sei valvole su ciascun dissipatore di calore. Il blocco BPV-7-100 per una corrente di 100 A e il suo circuito elettrico sono mostrati in Fig. 4, g.

Per ridurre il livello di interferenze radio nei blocchi VBR-7-G e BPV-7-100, un condensatore con una capacità di 4,7 μF è installato parallelamente ai terminali “+” e “-” del generatore. La vista generale della valvola BA -20 è mostrata in Fig. 5. La corrente nominale della valvola è 20 A. Per semplificare il circuito e i collegamenti elettrici, le valvole sono disponibili in due versioni: con polarità diretta e inversa rispetto agli alloggiamenti (Fig. 5, b). Nelle valvole a polarità diretta ci sarà il “+” della corrente raddrizzata sul corpo, nelle valvole a polarità inversa ci sarà il “-” della corrente raddrizzata.

Le valvole a polarità diretta e inversa differiscono per il colore dei contrassegni applicati sul fondo dell'alloggiamento. Valvole con polarità diretta: (“+” sul corpo) sono contrassegnate con vernice rossa, mentre le valvole con polarità inversa (“-” sul corpo) sono contrassegnate con vernice nera.

Valvola in silicone VA-20

Il circuito elettrico per il collegamento degli avvolgimenti e dei raddrizzatori del generatore è mostrato in Fig. 3, a. Quando il rotore del generatore ruota, in ciascuna fase viene indotta una tensione alternata, la cui variazione in un periodo è mostrata in Fig. 3, b. Dopo il raddrizzamento, le curve della tensione di fase assumeranno la forma mostrata in Fig. 3, c. La tensione raddrizzata sarà quasi costante (linea 1 in Fig. 3, c) e la frequenza di ondulazione della tensione raddrizzata sarà sei volte maggiore della frequenza negli avvolgimenti di fase (Yu.I. Borovskikh, "Design of automobiles, ", pag. 183).

All'aumentare della velocità di rotazione aumenta la frequenza della corrente indotta negli avvolgimenti di fase del generatore corrente alternata e aumenta la resistenza induttiva degli avvolgimenti. Pertanto, ad alta frequenza di rotazione del rotore, quando il generatore può fornire la massima potenza, non c'è pericolo di sovraccaricarlo, poiché la corrente del generatore è limitata dalla maggiore reattanza induttiva dei suoi avvolgimenti. Questo è un fenomeno nei generatori corrente alternataè detta proprietà di autolimitazione. I generatori automobilistici G-250, G-270, G-221 e altri sono progettati in modo tale da non richiedere un limitatore di corrente.

La proprietà delle valvole di far passare la corrente solo in una direzione (dal generatore alla batteria) elimina la necessità di installare un relè di corrente inversa nel regolatore del relè. Quindi, un relè-regolatore che funziona con un generatore per auto corrente alternata, è possibile utilizzare solo un regolatore di tensione. Ciò semplifica notevolmente la progettazione e riduce le dimensioni, il peso e il costo del regolatore relè. I percorsi della corrente attraverso le valvole del raddrizzatore mentre gli avvolgimenti della prima fase passano attraverso i poli nord e sud del rotore sono mostrati in Fig. 3 e frecce. Come si può vedere dal diagramma, se c'è una corrente alternata nella direzione degli avvolgimenti della prima fase, la corrente nel circuito di carico (Rн) sarà costante. Il processo avviene in modo simile anche nelle altre fasi.

II. QUELLO. GENERATORE

Guasti e malfunzionamenti del generatore sono: circuito aperto o corto nell'avvolgimento statorico del generatore o nell'avvolgimento di eccitazione, contatto interrotto delle spazzole con gli anelli e scintillio delle spazzole, usura dei cuscinetti del generatore, rottura o indebolimento della molla del portaspazzole, rottura dei diodi nel raddrizzatore, indebolimento della tensione (tensione eccessiva) della cinghia di trasmissione

I malfunzionamenti del generatore vengono rilevati dalle letture di un amperometro o di una spia. Se il generatore è difettoso, l'amperometro indicherà una scarica e la spia si accenderà quando il motore è in funzione. La perdita di contatto tra le spazzole e gli anelli è dovuta a contaminazione, bruciatura o usura, scheggiatura o usura delle spazzole, nonché indebolimento o rottura delle molle di pressione delle spazzole. Gli anelli contaminati devono essere puliti con uno straccio pulito, gli anelli bruciati devono essere puliti con carta vetrata, una spazzola usurata deve essere sostituita con una nuova e strofinata sull'anello.

III. DIAGNOSTICA DEL GENERATORE

La diagnosi dei generatori si riduce al controllo della tensione limite e della funzionalità del generatore. Per eseguire questa operazione è necessario collegare il voltmetro in parallelo alle utenze attuali. La tensione limite viene controllata con gli attuali utilizzatori accesi (luci di posizione e luci di posizione) e un aumento della velocità del motore. Dovrebbe essere compreso tra 13,5 e 14,2 V. Le prestazioni del generatore sono valutate dalla tensione quando tutti i consumatori sono accesi a una velocità di rotazione corrispondente alla potenza completa del generatore, che deve essere almeno di 12 V. Tuttavia , tale tecnica di test non è in grado di identificare malfunzionamenti caratteristici, anche se rari, del generatore, come una rottura o un cortocircuito degli avvolgimenti dello statore a terra, una rottura o un guasto dei diodi raddrizzatori, a causa di significative riserve di prestazioni del generatore.

Questi guasti sono facilmente identificabili dall'aspetto caratteristico degli oscillogrammi, associati principalmente ad un aumento della gamma di fluttuazioni di tensione. Quando il generatore funziona correttamente, l'intervallo di fluttuazioni di tensione nella rete non supera 1-1,2 V, che è determinato dall'inclusione periodica dell'avvolgimento primario della bobina di accensione nel circuito di carico. Questo può essere facilmente letto dall'oscillogramma di un tester per motori (Elkon S-300, Elkon S-100A, K-461, K-488).

Con un diodo rotto (in cortocircuito), a causa delle sue proprietà raddrizzatrici, l'intervallo di fluttuazioni di tensione aumenta a 2,5-3 V con una diminuzione generale della frequenza delle sue oscillazioni. Il livello di tensione medio mostrato dal voltmetro non cambia, tuttavia, i picchi di tensione portano a una diminuzione della durata della batteria e di altri elementi delle apparecchiature elettriche (V.L. Rogovtsev, "Progettazione e funzionamento dei veicoli a motore", p. 391).

Pertanto, l'uso simultaneo di un oscilloscopio e di un voltmetro consente di diagnosticare rapidamente e obiettivamente generatori e regolatori di relè corrente alternata. Aumentando la tensione del generatore del 10-12% in più rispetto alla tensione nominale si riduce la durata della batteria di 2-3 volte.

Un generatore difettoso viene sostituito o riparato in un'officina elettrica, la tensione limite del relè-regolatore viene regolata dalla tensione della molla dell'indotto e, se ciò non è possibile, viene sostituito anche il relè-regolatore. I regolatori a relè a transistor senza contatto regolano solo in condizioni di negozio elettrico.

29 GENERATORI ELETTRICI CORRENTE ALTERNATA

Sono pochi i settori scientifici in cui la ricerca si è rivelata fruttuosa come nel campo delle correnti ad alta frequenza. Le proprietà uniche di queste correnti e la straordinaria natura dei fenomeni che hanno dimostrato hanno immediatamente catturato l'attenzione di tutti. Gli scienziati hanno mostrato interesse per la ricerca in questo settore, gli ingegneri si sono interessati alla prospettiva della loro applicazione industriale e i medici hanno visto in loro un mezzo tanto atteso per curare efficacemente le malattie del corpo. Da quando furono pubblicati i miei primi articoli di ricerca nel 1891, sono stati scritti centinaia di volumi su questo argomento e sono state tratte innumerevoli conclusioni in relazione a questo nuovo fenomeno. Tuttavia, questa direzione scientifica e tecnologica è agli inizi e il futuro nasconde nelle sue profondità qualcosa di incomparabilmente più significativo.

Sono stato consapevole fin dall'inizio dell'urgente bisogno di strumenti efficienti per soddisfare le esigenze in rapida crescita e in otto anni, mantenendo costantemente le promesse fatte in precedenza, ho sviluppato non meno di cinquanta tipi di convertitori di corrente alternata, o generatori elettrici, perfetto sotto ogni aspetto e portato a un punto tale di perfezione che anche adesso nessuno di loro potrebbe apportare miglioramenti significativi. Se fossi stato guidato da considerazioni pratiche, forse avrei aperto un’attività magnifica e redditizia, fornendo lungo il percorso servizi significativi all’umanità. Ma la forza delle circostanze e le prospettive senza precedenti di risultati ancora più grandi hanno indirizzato i miei sforzi in una direzione diversa. E ora tutto sta andando al punto che presto verranno venduti sul mercato dispositivi che, stranamente, sono stati creati vent'anni fa!

Questi generatori sono progettati specificamente per funzionare in reti di illuminazione CC e CA, creando oscillazioni smorzate e non smorzate con frequenza, ampiezza e tensione impostate su un ampio intervallo. Sono compatti, autonomi, non richiedono manutenzione per lungo tempo e saranno considerati molto convenienti e utili in vari campi, ad esempio per il telegrafo e il telefono senza fili; per convertire l'energia elettrica; per la formazione di composti chimici mediante fusione e addizione; per la sintesi del gas; per la produzione di ozono; per l'illuminazione, la saldatura, la prevenzione sanitaria e la disinfezione di locali comunali, medici e residenziali, nonché per molti altri scopi nei laboratori scientifici e nelle imprese industriali. Sebbene questi convertitori non siano mai stati descritti prima, i principi generali della loro costruzione sono pienamente esposti nelle mie pubblicazioni e brevetti, più dettagliatamente datati 22 settembre 1896, e si ritiene pertanto che le numerose fotografie allegate e la breve spiegazione allegata forniranno informazioni complete, se necessarie.

Le parti principali di un tale generatore sono un condensatore, una bobina di autoinduzione per l'accumulo di potenziale elevato, un chopper e un trasformatore alimentato da scariche periodiche del condensatore. Il dispositivo comprende almeno tre, e solitamente quattro, cinque o sei elementi di regolazione; La regolazione dell'efficienza viene effettuata in diversi modi, molto spesso utilizzando una semplice vite di regolazione. In condizioni favorevoli è possibile raggiungere un rendimento fino all'85%, ovvero l'energia fornita dall'alimentatore può essere rigenerata nel circuito secondario del trasformatore. Mentre il vantaggio principale di un apparato di questo tipo è chiaramente dovuto alle notevoli capacità del condensatore, alcune qualità specifiche sono la conseguenza della formazione di un circuito in serie, a condizione che si rispettino precise relazioni armoniche e che le perdite per attrito e di altro tipo siano ridotte al minimo. che è uno degli oggetti principali di questo progetto.

In generale gli strumenti si possono dividere in due classi: una in cui l'interruttore ha contatti solidi, e l'altra in cui l'inserzione e l'interruzione sono effettuate mediante mercurio. Le illustrazioni da 1 a 8 incluse mostrano il primo tipo, mentre le restanti mostrano il secondo. I primi sono in grado di raggiungere un'efficienza più elevata, tenendo conto del fatto che le perdite per apertura e rottura sono ridotte al minimo e la resistenza transitoria che causa lo smorzamento delle oscillazioni è bassa. Questi ultimi sono da preferire nei casi in cui sono richieste elevata potenza di uscita e un elevato numero di aperture al secondo. il motore e l'interruttore consumano, ovviamente, una certa quantità di energia, la cui quota però sarà minore quanto maggiore è la potenza dell'impianto.

L'illustrazione 1 mostra uno dei primi tipi di generatori costruiti per scopi sperimentali. Il condensatore è posto in una scatola rettangolare di mogano, sulla quale è montata una bobina di autoinduzione, le cui spire, sottolineo, sono divise in due sezioni collegate in parallelo o in serie a seconda della tensione di alimentazione di 110 o 220 volt. Dalla scatola fuoriescono quattro aste di rame su cui è fissata una piastra con contatti a molla e viti di regolazione; Sopra la scatola ci sono due massicci terminali collegati all'avvolgimento primario del trasformatore. Due aste sono destinate al collegamento al condensatore e le altre due sono utilizzate per il collegamento ai terminali dell'interruttore davanti alla bobina di autoinduzione e al condensatore. L'avvolgimento primario del trasformatore è costituito da diversi giri di nastro di rame, alle estremità dei quali sono saldati pin corti, esattamente corrispondenti ai terminali a loro destinati. L'avvolgimento secondario è costituito da due parti, avvolte in modo da ridurre il più possibile la propria capacità e allo stesso tempo consentire alla bobina di sopportare una tensione molto elevata tra i suoi terminali centrali, che sono collegati ai terminali su due montanti in gomma sporgenti. L'ordine dei collegamenti nel circuito può variare leggermente, ma generalmente sono quelli mostrati schematicamente nel numero di maggio dell'Electric Experimenter a pagina 89, che tratta del mio trasformatore destinato all'uso in generatori di corrente alternata, una fotografia del quale appare su pagina 16 degli stessi numeri della rivista. Il principio di funzionamento del dispositivo è il seguente. Quando l'interruttore è acceso, la corrente proveniente dalla fonte di alimentazione scorre attraverso la bobina di autoinduzione, magnetizzando il nucleo di ferro al suo interno e scollegando i contatti dell'interruttore. la corrente indotta carica il condensatore ad alta tensione e, dopo la chiusura dei contatti, l'energia accumulata viene scaricata attraverso l'avvolgimento primario, provocando una lunga serie di oscillazioni che eccitano l'avvolgimento secondario sintonizzato.

I l. 1. Generatore creato per scopi sperimentali

Il dispositivo si è rivelato estremamente utile per condurre tutti i tipi di esperimenti di laboratorio. Ad esempio, quando si studiavano i fenomeni di impedenza, il trasformatore veniva rimosso e ai terminali veniva collegata una piastra di rame piegata. La piastra veniva spesso sostituita da una grande bobina anulare per dimostrare i fenomeni di induzione a distanza, cioè la capacità di eccitare circuiti risonanti utilizzati in vari studi e misurazioni. Un trasformatore adatto a qualsiasi applicazione può essere facilmente realizzato e collegato a qualsiasi ingresso, ottenendo così un grande risparmio di tempo e manodopera. Contrariamente alle ipotesi, lo stato dei contatti dell'interruttore non ha causato molti problemi, nonostante il fatto che la forza della corrente che li attraversa fosse grande, cioè in presenza di risonanza, si è verificata una forte corrente solo quando il circuito era chiuso , ed è stata esclusa la possibilità della formazione di un arco distruttivo. Inizialmente ho utilizzato contatti in platino e iridio, successivamente ho sostituito il materiale con materiale meteoritico e infine ho optato per il tungsteno. Quest'ultimo ha portato le maggiori soddisfazioni, poiché ha consentito di lavorare continuativamente per molte ore e giorni.

L'illustrazione 2 mostra un piccolo generatore progettato per alcuni scopi speciali. Lo sviluppo si basava sull'idea di ottenere energie elevate in un periodo di tempo molto breve dopo una pausa relativamente lunga. A tale scopo è stata utilizzata una bobina con elevata autoinduttanza e un interruttore ad azione rapida. Grazie a questa costruzione, il condensatore veniva caricato ad un potenziale elevato. Nell'avvolgimento secondario si ottenevano corrente alternata veloce e grandi scariche a scintilla, adatte alla saldatura di fili sottili, all'illuminazione di lampade ad incandescenza, all'accensione di miscele esplosive e altre applicazioni simili. Questo apparecchio fu adattato anche per essere alimentato da batterie, e questa modifica si rivelò molto efficace come accenditore per motori a gas, per il quale mi fu concesso il brevetto numero 609250, datato 16 agosto 1898. L'illustrazione 3 rappresenta un grande generatore di prima classe progettato per esperimenti di trasmissione wireless, produzione di raggi X e altre ricerche scientifiche. È costituito da una scatola e da due condensatori posti al suo interno, di capacità tale da resistere alla bobina di carica e al trasformatore. L'interruttore automatico, l'interruttore manuale e i terminali di collegamento sono montati sul pannello frontale della bobina di autoinduzione allo stesso modo di una delle molle di contatto. Il corpo del condensatore ha tre terminali, di cui i due estremi servono solo per il collegamento, mentre quello centrale è dotato di una piastra di contatto con vite per la regolazione dell'intervallo durante il quale il circuito è chiuso. La molla vibrante, la cui unica funzione è quella di provocare aperture periodiche, può essere regolata variandone il grado di compressione, nonché la distanza dal nucleo di ferro posto al centro della bobina di carica, mediante quattro viti di regolazione, che sono visibile sul pannello superiore, che garantisce qualsiasi modalità di impostazione meccanica desiderata. L'avvolgimento primario del trasformatore è realizzato in piattina di rame, ed i terminali sono realizzati in punti opportuni per variare arbitrariamente il numero di spire. Come nell'oscillatore mostrato nell'illustrazione 1, la bobina di autoinduzione ha un avvolgimento in due sezioni in modo che il dispositivo possa funzionare con una tensione di rete di 110 e 220 volt; erano inoltre previsti diversi avvolgimenti secondari, corrispondenti ad onde di diversa lunghezza nell'avvolgimento primario. La potenza in uscita era di circa 500 watt con oscillazioni smorzate di circa 50. 000 cicli al secondo. Oscillazioni continue apparivano per brevi periodi di tempo quando la molla vibrante, che era premuta saldamente contro il nucleo di ferro, veniva compressa e quando i contatti venivano scollegati mediante una vite di regolazione, che fungeva anche da chiave. Con l'aiuto di questo generatore ho fatto una serie di osservazioni importanti, ed è stata una di queste macchine ad essere presentata in una conferenza all'Accademia delle Scienze di New York nel 1897.

I l. 2. Piccolo oscillatore Tesla progettato come accenditore per motori a gas

I l. 3. Oscillatore Tesla di grandi dimensioni progettato per esperimenti di trasmissione wireless

I l. 7 . Grande trasformatore Tesla

I l. 8. Convertitore chopper rotativo utilizzato per esperimenti di trasmissione wireless

L'illustrazione 4 mostra un tipo di trasformatore identico in tutto e per tutto a quello presentato nel già citato numero di maggio 1919 dell'Electric Experimenter. È costituito dalle stesse parti di base, posizionate in modo simile, ma è specificamente progettato per fonti di alimentazione da 220 a 500 volt e oltre. La regolazione viene effettuata installando la molla di contatto e spostando il nucleo di ferro su e giù all'interno della bobina di induzione utilizzando due viti di regolazione. Per evitare danni da cortocircuiti, nella linea di alimentazione sono inclusi dei fusibili. Durante la fotografia, il dispositivo funzionava generando oscillazioni continue da una rete di illuminazione a 220 volt.

La Figura 5 rappresenta una successiva modifica del trasformatore, destinata principalmente a sostituire le bobine di Ruhmkorff. In questo caso viene utilizzato un avvolgimento primario con un numero di spire significativamente maggiore e il secondario si trova nelle immediate vicinanze. le correnti generate in quest'ultimo, con una tensione compresa tra 10.000 e 30.000 volt, vengono solitamente utilizzate per caricare condensatori e alimentare una bobina autonoma ad alta frequenza. Il meccanismo di controllo è progettato in modo leggermente diverso, ma entrambe le parti, il nucleo e la molla di contatto, sono regolabili, come prima.

La figura 6 mostra un piccolo dispositivo di una serie di tali dispositivi, destinato in particolare alla produzione di ozono o alla disinfezione. È estremamente efficiente per le sue dimensioni e può essere collegato a 110 o 220 volt DC o corrente alternata, è preferibile la prima.

I l. 9. Trasformatore e interruttore a mercurio

I l. 10. Grande convertitore Tesla con camera sigillata e controller al mercurio

L'illustrazione 7 mostra un trasformatore più grande di questa serie. Il design e la disposizione dei componenti rimangono gli stessi, ma l'alloggiamento contiene due condensatori, uno dei quali è incluso nel circuito della bobina, come nei modelli precedenti, mentre l'altro è collegato in parallelo all'avvolgimento primario. In quest'ultimo si formano così correnti elevate e, di conseguenza, gli effetti nel circuito secondario vengono potenziati. L'introduzione di un circuito risonante aggiuntivo dà anche altri vantaggi, ma la sintonia è più difficoltosa, ed è quindi desiderabile utilizzare un apparato di questo tipo per ottenere correnti di una data frequenza costante.

I l. 11. Generatore Tesla con chiusura ermetica interruttore del mercurio, progettato per generatori a bassa tensione

I l. 13. Un altro tipo di convertitore corrente alternata con chiusura ermetica interruttore del mercurio

I l. 14. Schema e disposizione delle parti del modello mostrato nella figura 13

La Figura 8 mostra un trasformatore con un chopper rotante. La custodia contiene due condensatori della stessa capacità, che possono essere collegati in serie o in parallelo. Gli induttori di carica si presentano sotto forma di due lunghe bobine sulle quali sono posti due terminali del circuito secondario. Per azionare un interruttore appositamente progettato, viene utilizzato un piccolo motore CC, la cui velocità può variare notevolmente. Per altri aspetti questo generatore è simile al modello mostrato nell'illustrazione 3, e da quanto sopra è facile capire come funziona. Questo trasformatore è stato da me utilizzato negli esperimenti sulla trasmissione senza fili e spesso per illuminare il laboratorio con i miei tubi a vuoto, ed è stato anche esposto durante la suddetta conferenza che ho tenuto davanti all'Accademia delle Scienze di New York.

Passiamo ora alla seconda classe di macchine, una delle quali è il convertitore di corrente alternata mostrato nell'Illustrazione 9. Il suo circuito comprende un condensatore e una bobina di induzione di carica, che sono posizionati in una camera, un trasformatore e un chopper di mercurio. Il design di quest'ultimo è stato descritto per la prima volta nel mio brevetto n. 609251 del 16 agosto 1898. è costituito da un tamburo cavo azionato da un motore elettrico con al suo interno una piccola quantità di mercurio, che viene lanciato per forza centrifuga sulle pareti della cavità e porta con sé un disco di contatto che periodicamente chiude e apre il circuito del condensatore. Agendo sulle viti di regolazione poste sopra il tamburo è possibile modificare a piacimento la profondità di immersione delle lame, e quindi la durata di ogni contatto, e regolare così le caratteristiche del demolitore. Questo tipo di interruttore soddisfaceva tutti i requisiti, poiché funzionava correttamente con correnti da 20 a 25 ampere. Il numero di interruzioni al secondo era generalmente compreso tra 500 e 1000, ma erano possibili velocità più elevate. L'intera unità misura 10" x 8" x 10" e ha una potenza di circa 1/2 kW.

Nel convertitore qui descritto, il chopper è esposto all'atmosfera e avviene una graduale ossidazione del mercurio. Non presenta questo inconveniente il dispositivo mostrato nella Figura 10, che ha un involucro metallico forato, all'interno del quale si trovano un condensatore e una bobina di induzione di carica, e sopra di esso si trova un motore chopper e un trasformatore.

I l. 15 e 16. Convertitore Tesla con chiusura ermetica interruttore del mercurio, il cui funzionamento è regolato dalla gravità; gruppi motore e interruttore

Il tipo di ampolla al mercurio che verrà descritto funziona secondo il principio di un getto che, pulsando, entra in contatto con un disco rotante all'interno del tamburo. Le parti fisse sono fissate all'interno della camera mediante un'asta che si estende per tutta la lunghezza del tamburo cavo e un sigillo al mercurio viene utilizzato per sigillare la camera contenente l'interruttore. Il passaggio della corrente nel tamburo avviene attraverso due anelli scorrevoli posti nella parte superiore, collegati in serie al condensatore e all'avvolgimento primario. L'esclusione dell'ossigeno è un miglioramento innegabile che elimina l'ossidazione del metallo e le difficoltà associate e mantiene sempre le condizioni operative.

L'illustrazione 11 mostra un generatore con chiusura ermetica interruttore del mercurio. In questo dispositivo le parti fisse dell'interruttore all'interno del tamburo sono montate su un tubo attraverso il quale passa un filo isolato, collegato ad un terminale dell'interruttore, mentre l'altro terminale è collegato al serbatoio. Ciò ha reso superflui gli anelli scorrevoli e ha semplificato il design. Il dispositivo è progettato per generatori a bassa tensione e frequenza, che richiedono una corrente relativamente piccola nell'avvolgimento primario, ed è stato utilizzato per eccitare circuiti risonanti.

L'illustrazione 12 rappresenta un modello migliorato dell'oscillatore descritto nell'illustrazione 10. In questo modello, l'asta di supporto all'interno del tamburo cavo è stata eliminata e il dispositivo di iniezione del mercurio è mantenuto in posizione per gravità. Una descrizione più dettagliata verrà fornita in relazione ad un'altra illustrazione. Sia la capacità del condensatore che il numero di spire del circuito primario possono essere modificati per poter generare oscillazioni in diverse modalità di frequenza.

La Figura 13 è una rappresentazione fotografica di un altro tipo di generatore. corrente alternata con chiusura ermetica interruttore del mercurio e l'illustrazione 14 è uno schema circuitale e una disposizione delle parti, riprodotto dal mio brevetto n. 609245, datato 16 agosto 1898, che descrive questo particolare dispositivo. Il condensatore, la bobina di induzione, il trasformatore e l'interruttore sono posizionati come prima, ma quest'ultimo presenta differenze strutturali, che risulteranno evidenti dopo aver considerato questo circuito. Tamburo cavo UN collegato all'asse c, che è montato con un cuscinetto verticale e passa attraverso un elettromagnete a campo permanente D motore. Il corpo è rinforzato all'interno del tamburo su cuscinetti volventi H di una sostanza magnetica protetta da una calotta b al centro di un anello di ferro piastriforme, con espansioni polari oo, sul quale sono presenti spirali collegate alla corrente R. L'anello è sostenuto da quattro montanti e, in stato magnetizzato, sostiene il corpo H in una posizione mentre il tamburo ruota. Quest'ultimo è in acciaio e il cappuccio è meglio in alpacca, annerito con acido o nichelato. Corpo H ha un tubo corto K, piegato, come mostrato, per raccogliere il liquido mentre ruota e gettarlo sui denti di un disco fissato al tamburo. Il disco è isolato e il contatto tra esso e il circuito esterno avviene tramite un imbuto di mercurio. Quando il tamburo ruota rapidamente, un flusso di metallo liquido viene lanciato sul disco, chiudendo e aprendo il contatto circa 1.000 volte al secondo. Il dispositivo funziona silenziosamente e, grazie all'assenza di un ambiente ossidante, rimane costantemente pulito e in ottime condizioni. È possibile però realizzare un numero di oscillazioni al secondo molto più elevato per rendere le correnti adatte alla telefonia senza fili e ad altri scopi simili.

Un tipo modificato di oscillatore è mostrato nelle Figure 15 e 16, la prima è una rappresentazione fotografica e la seconda un diagramma che mostra la disposizione delle parti interne del regolatore. In questo caso l'albero B. contenitore cavo portante UN, appoggiato su cuscinetti volventi, collegati al mandrino J. a cui è attaccato il carico K. isolata da quest'ultima, ma ad essa collegata meccanicamente, staffa piegata l funge da supporto per il disco dentato a rotazione libera del martello. Il disco è collegato al circuito esterno mediante un imbuto di mercurio e un tappo isolato sporgente dalla parte superiore dell'albero. Grazie alla posizione inclinata del motore elettrico, il carico K mantiene il disco dell'interruttore in posizione per gravità e, mentre l'albero ruota, il circuito costituito dal condensatore e dalla bobina primaria viene rapidamente chiuso e aperto.

I l. 17. Convertitore Tesla con dispositivo di interruzione sotto forma di getto di mercurio

L'illustrazione 17 mostra un apparecchio identico in cui l'interruttore è un flusso di mercurio che colpisce una ruota dentata isolata, che si trova su un perno isolato al centro del coperchio del tamburo, come mostrato nella fotografia. Il collegamento al condensatore avviene tramite spazzole poste sullo stesso coperchio.

Figura 18 - tipo di convertitore con interruttore del mercurio utilizzando un disco modificato in alcuni dettagli da considerare con attenzione.

Qui vengono presentati solo alcuni dei convertitori AC ultimati, e costituiscono una piccola parte degli apparati ad alta frequenza di cui spero di presentare una descrizione dettagliata più avanti, quando sarò libero da impegni urgenti.

I l. 18. Convertitore Tesla con interruttore del mercurio utilizzando un disco

Alternatore

Descrizione:

Alternatore. Dispositivo e principio di funzionamento.

Generatore di corrente converte l'energia meccanica (cinetica) in elettricità. Nel settore energetico vengono utilizzati solo generatori di macchine elettriche rotanti, basati sulla presenza di forza elettromotrice (EMF) in un conduttore che è in qualche modo influenzato da un campo magnetico variabile. La parte del generatore destinata a creare un campo magnetico è chiamata induttore, mentre la parte in cui viene indotta la forza elettromagnetica è chiamata armatura.

Si chiama la parte rotante della macchina rotore, e la parte stazionaria – statore. Nelle macchine AC sincrone l'induttore è solitamente il rotore, mentre nelle macchine DC l'induttore è solitamente lo statore. In entrambi i casi l'induttore è solitamente un sistema elettromagnetico bipolare o multipolare dotato di un avvolgimento di eccitazione alimentato da corrente continua (corrente di eccitazione), ma esistono anche induttori costituiti da un sistema di magneti permanenti. A induzione (asincrono) generatori di corrente alternata l'induttore e l'armatura non sono chiaramente (strutturalmente) distinti tra loro (possiamo dire che lo statore e il rotore sono contemporaneamente sia un induttore che un'armatura).

Oltre il 95% dell'elettricità nelle centrali elettriche mondiali viene prodotta utilizzando generatori sincroni di corrente alternata. Con l'aiuto di un induttore rotante, in questi generatori viene creato un campo magnetico rotante, che induce una forza elettromotrice alternata nell'avvolgimento dello statore (solitamente trifase), la cui frequenza corrisponde esattamente alla velocità del rotore (è in sincronismo con velocità dell'induttore). Se l'induttore, ad esempio, ha due poli e ruota con una frequenza di 3000 giri/min (50 giri/s), in ciascuna fase dell'avvolgimento dello statore viene indotta una forza elettromagnetica alternata con una frequenza di 50 Hz. Il progetto di un tale generatore è mostrato in modo semplificato in Fig. 1.

Riso. 1. Il principio di progettazione di un generatore sincrono bipolare. 1 statore (armatura), 2 rotore (induttore), 3 albero, 4 alloggiamento. U-X, V-Y, W-Z – parti degli avvolgimenti trifase situati nelle cave dello statore

Il sistema magnetico dello statore è un pacchetto compresso di sottili lamiere di acciaio, nelle cui scanalature si trova l'avvolgimento dello statore. L'avvolgimento è costituito da tre fasi, sfasate nel caso di una macchina bipolare l'una rispetto all'altra di 1/3 del perimetro dello statore; Negli avvolgimenti di fase, quindi, i campi elettromagnetici vengono indotti, spostati l'uno rispetto all'altro di 120°. L'avvolgimento di ciascuna fase, a sua volta, è costituito da bobine multigiro collegate tra loro in serie o parallelo. Una delle opzioni di progettazione più semplici per un tale avvolgimento trifase di un generatore bipolare è presentata in modo semplificato in Fig. 2 (solitamente il numero di bobine in ciascuna fase è maggiore di quello mostrato in questa figura). Quelle parti delle bobine che si trovano all'esterno delle scanalature, sulla superficie frontale dello statore, sono chiamate connessioni terminali.

Riso. 2. Il principio più semplice della progettazione dell'avvolgimento dello statore di un generatore sincrono bipolare trifase nel caso di due bobine in ciascuna fase. 1 scansione della superficie del sistema magnetico statorico, 2 bobine di avvolgimento, inizio avvolgimenti di fase U, V, W, estremità avvolgimenti di fase X, Y, Z

Potrebbero esserci più di due poli dell'induttore e, di conseguenza, divisioni polari dello statore. Più lentamente ruota il rotore, maggiore dovrebbe essere il numero di poli ad una determinata frequenza di corrente. Se, ad esempio, il rotore ruota ad una frequenza di 300 giri/min, il numero di poli del generatore per ottenere una frequenza di corrente alternata di 50 Hz deve essere 20. Ad esempio, in una delle più grandi centrali idroelettriche del mondo , Centrale idroelettrica di Itaipu (vedi Fig. 4) i generatori che funzionano a una frequenza di 50 Hz sono a 66 poli e i generatori che funzionano a una frequenza di 60 Hz sono a 78 poli.

L'avvolgimento di campo di un generatore a due o quattro poli è posizionato come mostrato in Fig. 1, nelle scanalature del massiccio nucleo del rotore in acciaio. Questa configurazione del rotore è necessaria nel caso di generatori ad alta velocità che funzionano ad una velocità di rotazione di 3000 o 1500 giri/min (specialmente per turbogeneratori destinati al collegamento a turbine a vapore), poiché a tali velocità agiscono grandi forze centrifughe sull'avvolgimento del rotore. Con un numero maggiore di poli, ciascun polo ha un avvolgimento di campo separato (Fig. 3.12.3). Questo principio del polo saliente del dispositivo viene utilizzato, in particolare, nel caso di generatori a bassa velocità destinati al collegamento con turbine idrauliche (generatori di idrogeno), normalmente funzionanti ad una velocità di rotazione compresa tra 60 giri/min e 600 giri/min.

Molto spesso tali generatori, secondo il design di potenti turbine idrauliche, sono realizzati con un albero verticale.

Riso. 3. Il principio del design del rotore di un generatore sincrono a bassa velocità. 1 polo, 2 avvolgimenti di eccitazione, 3 ruote di fissaggio, 4 alberi

Avvolgimento di eccitazione generatore sincrono solitamente alimentato con corrente continua da una fonte esterna tramite anelli collettori sull'albero del rotore. In precedenza, per questo veniva fornito uno speciale generatore di corrente continua (eccitatrice), collegato rigidamente all'albero del generatore, ma ora vengono utilizzati raddrizzatori a semiconduttore più semplici ed economici. Esistono anche sistemi di eccitazione integrati nel rotore, in cui la FEM è indotta dall'avvolgimento dello statore. Se per creare un campo magnetico si utilizzano magneti permanenti invece di un sistema elettromagnetico, la sorgente di corrente di eccitazione viene eliminata e il generatore diventa molto più semplice e affidabile, ma allo stesso tempo più costoso. Pertanto, i magneti permanenti vengono solitamente utilizzati in generatori di potenza relativamente bassa (con una potenza fino a diverse centinaia di kilowatt).

Il design dei turbogeneratori, grazie al rotore cilindrico di diametro relativamente piccolo, è molto compatto. Il loro peso specifico è solitamente di 0,5...1 kg/kW e la loro potenza nominale può raggiungere i 1600 MW. La progettazione degli idrogeneratori è un po' più complicata; il diametro del rotore è grande e il loro peso specifico è quindi solitamente di 3,5...6 kg/kW. Finora sono stati prodotti con una potenza nominale fino a 800 MW.

Quando il generatore è in funzione, si verificano perdite di energia causate dalla resistenza attiva degli avvolgimenti (perdite di rame), correnti parassite e isteresi nelle parti attive del sistema magnetico (perdite di acciaio) e attrito nei cuscinetti delle parti rotanti (perdite per attrito ). Nonostante il fatto che le perdite totali di solito non superino l'1...2% della potenza del generatore, rimuovere il calore rilasciato a causa delle perdite può essere difficile. Se assumiamo semplicemente che la massa del generatore sia proporzionale alla sua potenza, allora le sue dimensioni lineari sono proporzionali alla radice cubica della potenza e le sue dimensioni superficiali sono proporzionali alla potenza alla potenza di 2/3. All'aumentare della potenza, quindi, la superficie del dissipatore aumenta più lentamente della potenza nominale del generatore. Se a potenze dell'ordine di diverse centinaia di kilowatt è sufficiente utilizzare il raffreddamento naturale, a potenze superiori è necessario passare alla ventilazione forzata e, a partire da circa 100 MW, utilizzare idrogeno al posto dell'aria. A potenze ancora più elevate (ad esempio, più di 500 MW), è necessario integrare il raffreddamento dell'idrogeno con acqua. Nei generatori di grandi dimensioni, anche i cuscinetti devono essere raffreddati in modo speciale, solitamente utilizzando la circolazione dell'olio.

La generazione di calore del generatore può essere notevolmente ridotta utilizzando avvolgimenti di campo superconduttori. Il primo di questi generatori (con una capacità di 4 MVA), destinato all'uso sulle navi, è stato prodotto nel 2005 dalla società tedesca di ingegneria elettrica Siemens AG. La tensione nominale dei generatori sincroni, a seconda della potenza, è generalmente compresa tra 400 V e 24 kV. Sono state utilizzate anche tensioni nominali più elevate (fino a 150 kV), ma estremamente raramente. Oltre ai generatori sincroni della frequenza di rete (50 Hz o 60 Hz), vengono prodotti anche generatori ad alta frequenza (fino a 30 kHz) e generatori a bassa frequenza (16,67 Hz o 25 Hz), utilizzati sulle ferrovie elettrificate di alcuni paesi europei Paesi. I generatori sincroni includono, in linea di principio, anche un compensatore sincrono, che è un motore sincrono che funziona al minimo e fornisce potenza reattiva alla rete di distribuzione ad alta tensione. Con l'aiuto di una macchina del genere è possibile coprire il consumo di potenza reattiva delle utenze elettriche industriali locali e liberare la rete del sistema elettrico principale dalla trasmissione di potenza reattiva.

Oltre ai generatori sincroni, possono essere utilizzati anche relativamente raramente e con potenze relativamente basse (fino a diversi megawatt). generatori asincroni. Nell'avvolgimento del rotore di un tale generatore, la corrente viene indotta dal campo magnetico dello statore se il rotore ruota più velocemente del campo magnetico rotante dello statore della frequenza di rete. La necessità di tali generatori sorge solitamente quando è impossibile garantire una velocità di rotazione costante del motore primo (ad esempio una turbina eolica, alcune piccole turbine idrauliche, ecc.).

U Generatore di corrente continua I poli magnetici insieme all'avvolgimento di campo si trovano solitamente nello statore e l'avvolgimento dell'indotto si trova nel rotore. Poiché una FEM alternata viene indotta nell'avvolgimento del rotore durante la sua rotazione, l'armatura deve essere dotata di un commutatore (commutatore), con l'aiuto del quale si ottiene una FEM costante all'uscita del generatore (sulle spazzole del commutatore). Attualmente, i generatori di corrente continua vengono utilizzati raramente, poiché la corrente continua è più facile da ottenere utilizzando raddrizzatori a semiconduttore.

I generatori di macchine elettriche includono generatori elettrostatici, sulla cui parte rotante si crea per attrito (triboelettricamente) una carica elettrica ad alta tensione. Il primo di questi generatori (una palla di zolfo ruotata manualmente che veniva elettrizzata dall'attrito contro la mano di una persona) fu realizzato nel 1663 dal sindaco di Magdeburgo (Germania), Otto von Guericke (1602–1686). Durante il loro sviluppo, tali generatori hanno permesso di scoprire molti fenomeni e schemi elettrici. Anche adesso non hanno perso la loro importanza come mezzo per condurre ricerche sperimentali in fisica.

Il primo fu realizzato il 4 novembre 1831 da Michael Faraday, professore alla Royal Institution di Londra (1791–1867). Il generatore era costituito da un magnete permanente a forma di ferro di cavallo e da un disco di rame rotante tra i poli magnetici (Fig. 3.12.4). Quando il disco ruotava tra il suo asse e il bordo, veniva indotta una fem costante. Lo stesso principio si applica ai generatori unipolari più avanzati, che sono ancora in uso (anche se relativamente raramente).

Riso. 4. Principio di progettazione generatore unipolare Michael Faraday. 1 magnete, 2 dischi rotanti in rame, 3 spazzole. Maniglia del disco non mostrata

Michael Faraday nasce in una famiglia povera e dopo la scuola elementare, all'età di 13 anni, diventa apprendista rilegatore. Utilizzando i libri, continuò autonomamente la sua formazione e, utilizzando l'Enciclopedia Britannica, acquisì familiarità con l'elettricità, costruendo un generatore elettrostatico e una bottiglia di Leida. Per ampliare le sue conoscenze, iniziò a frequentare lezioni pubbliche di chimica tenute dal direttore della Royal Institution, Humphrey Davy (1778–1829), e nel 1813 ricevette la posizione di suo assistente. Nel 1821 divenne ispettore capo di questo istituto, nel 1824 membro della Royal Society e nel 1827 professore di chimica alla Royal Institution. Nel 1821 iniziò i suoi famosi esperimenti sull'elettricità, durante i quali propose il principio di funzionamento di un motore elettrico, scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, il principio di un generatore magnetoelettrico, le leggi dell'elettrolisi e molti altri fenomeni fisici fondamentali. Un anno dopo l'esperimento di Faraday sopra descritto, il 3 settembre 1832, il meccanico parigino Hippolyte Pixii (1808–1835) costruì, su ordine e sotto la direzione del fondatore dell'elettrodinamica, Andre Marie Ampere (1775–1836), un generatore con un Faraday ruotato manualmente, con un magnete (Fig. 5). Nell'avvolgimento dell'armatura del generatore Pixie viene indotta una forza elettromagnetica alternata. Per rettificare la corrente risultante, un commutatore aperto a mercurio fu prima collegato al generatore, cambiando la polarità della FEM con ogni mezzo giro del rotore, ma fu presto sostituito da un commutatore a spazzola cilindrica più semplice e sicuro, mostrato in Fig. 5.

Riso. 5. Principio di progettazione generatore magnetoelettrico Hippolyta Pixie (a), grafico dei campi elettromagnetici indotti (b) e grafico dei campi elettromagnetici costanti pulsanti ottenuti utilizzando un collettore (c). Maniglia e ingranaggio conico non mostrati

Un generatore costruito secondo il principio Pixie fu utilizzato per la prima volta nel 1842 nella sua fabbrica di Birmingham per alimentare bagni galvanici dall'industriale inglese John Stephen Woolrich (1790–1843), utilizzando un motore a vapore da 1 hp come motore di azionamento. Con. La tensione del suo generatore era di 3 V, la corrente nominale era di 25 A e l'efficienza era di circa il 10%. Gli stessi generatori, ma più potenti, iniziarono rapidamente ad essere introdotti in altre imprese galvaniche in Europa. Nel 1851, il medico militare tedesco Wilhelm Josef Sinsteden (1803–1891) propose di utilizzare elettromagneti invece di magneti permanenti nell'induttore e di alimentarli con la corrente proveniente da un generatore ausiliario più piccolo; Scoprì anche che l'efficienza del generatore aumenterà se il nucleo d'acciaio dell'elettromagnete non è costituito da fili massicci, ma paralleli. Tuttavia, le idee di Sinsteden iniziarono ad essere effettivamente utilizzate solo nel 1863 dall'ingegnere elettrico inglese autodidatta Henry Wilde (1833-1919), che propose, tra le altre innovazioni, di collegare una macchina eccitatrice (exitatrice inglese) all'albero del generatore. Nel 1865 produsse un generatore dalla potenza senza precedenti di 1 kW, con il quale poté persino dimostrare la fusione e la saldatura dei metalli.

Il miglioramento più importante Generatori CCè diventato loro autostimolazione, il cui principio fu brevettato nel 1854 dall'ingegnere capo delle Ferrovie dello Stato danesi, Soren Hjorth (1801–1870), ma che a quel tempo non trovò applicazione pratica. Nel 1866 questo principio fu riscoperto indipendentemente da diversi ingegneri elettrici, tra cui il già citato G. Wilde, ma divenne ampiamente noto nel dicembre 1866, quando l'industriale tedesco Ernst Werner von Siemens (1816–1892) lo utilizzò nella sua forma compatta ed altamente generatore efficiente. Il 17 gennaio 1867 all'Accademia delle Scienze di Berlino fu letto il suo famoso rapporto sul principio dinamoelettrico (autoeccitazione). Autoeccitazione ha permesso di abbandonare i generatori di eccitazione ausiliaria (dagli eccitatori), che hanno permesso di generare elettricità molto più economica in grandi quantità. Per questo motivo l'anno 1866 è spesso considerato l'anno di nascita dell'ingegneria elettrica ad alta corrente. Nei primi generatori autoeccitati, l'avvolgimento di eccitazione era collegato, come Siemens, in serie (seriale) con l'avvolgimento dell'indotto, ma nel febbraio 1867 l'ingegnere elettrico inglese Charles Wheatstone (1802–1875) propose l'eccitazione parallela, che lo rende possibile regolare meglio la FEM del generatore a cui si arrivava anche prima dei rapporti di eccitazione sequenziale scoperti da Siemens (Fig. 6).

Riso. 6. Sviluppo di sistemi di eccitazione per generatori DC. a eccitazione a magnete permanente (1831), b eccitazione esterna (1851), c autoeccitazione in serie (1866), d autoeccitazione parallela (1867). 1 armatura, 2 avvolgimenti di eccitazione. I reostati che regolano la corrente di eccitazione non sono mostrati

Necessità di generatori di corrente alternata ebbe origine nel 1876, quando l'ingegnere elettrico russo Pavel Yablochkov (1847–1894) che lavorava a Parigi iniziò a illuminare le strade della città utilizzando lampade ad arco a corrente alternata (candele Yablochkov) da lui prodotte. I primi generatori necessari a questo scopo furono creati dall'inventore e industriale parigino Zenobe Theophile Gramme (1826–1901). Con l'inizio della produzione in serie di lampade a incandescenza nel 1879, la corrente alternata perse per un certo periodo la sua importanza, ma la riacquistò a causa dell'aumento delle distanze di trasmissione elettrica a metà degli anni Ottanta dell'Ottocento. Nel 1888–1890 il proprietario del proprio laboratorio di ricerca Tesla-Electric Co., New York, USA, l'ingegnere elettrico serbo Nikola Tesla (1856–1943) emigrato negli USA e l'ingegnere capo della società AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) L'ingegnere elettrico russo Mikhail Dolivo-Dobrovolsky (1862-1919), emigrato in Germania, sviluppò un sistema di corrente alternata trifase. Di conseguenza, la produzione di sempre più potente generatori sincroni per le centrali termoelettriche ed idroelettriche in costruzione.

Una tappa importante nello sviluppo dei turbogeneratori può essere considerata lo sviluppo di un rotore cilindrico nel 1898 da parte del comproprietario della centrale elettrica svizzera Brown, Boveri & Cie., BBC, Charles Eugen Lancelot Brown (1863-1924). Il primo generatore con raffreddamento a idrogeno (potenza 25 MW) fu rilasciato nel 1937 dalla società americana General Electric e con raffreddamento ad acqua in linea - nel 1956 dalla società inglese Metropolitan Vickers.