Il principio di funzionamento di vari generatori di corrente. Le principali tipologie di alternatori

La corrente alternata è la forza trainante di molte industrie e dei trasporti, in particolare delle automobili. Ci sono sia modelli piccoli delle dimensioni di un pugno che dispositivi giganti alti diversi metri.

Un generatore è lo stesso sistema tecnico che converte l'energia meccanica (cinetica) in energia elettrica. Come funziona il generatore?

Non importa come è organizzato il generatore, la sua azione si basa sul processo induzione elettromagnetica- la comparsa in un circuito chiuso di una corrente elettrica sotto l'influenza di un flusso magnetico modificato.

Il generatore è convenzionalmente diviso in 2 parti: un induttore e un'armatura.

L'induttore è la parte del dispositivo in cui viene creato il campo magnetico e l'armatura è la metà in cui viene generata la forza o corrente elettromotrice.

La sua struttura tecnica rimane costante: un avvolgimento del filo e un magnete.

Una forza elettromotrice viene generata nell'avvolgimento sotto l'influenza di un campo magnetico. Questa è la base per il generatore. Ma una potente corrente alternata non può essere ottenuta da un design così primitivo. La conversione richiede un forte flusso magnetico.

Per questo, all'avvolgimento del filo vengono aggiunti 2 nuclei di acciaio, che determinano lo scopo e la struttura dell'alternatore. Questi sono lo statore e il rotore. L'avvolgimento che crea il campo magnetico è posizionato nella scanalatura di un nucleo: questo è lo statore o l'induttore. Rimane fermo, a differenza del rotore. Lo statore è alimentato in corrente continua. Sono bipolari o multipolari.

Il rotore, o anche l'armatura, ruota attivamente con l'aiuto di cuscinetti e produce una forza elettromotrice o corrente alternata. Ha un'anima interna con filo di rame avvolto.

Il generatore ha un robusto alloggiamento in metallo con più uscite, a seconda della destinazione d'uso del dispositivo. Il numero di bobine di filo avvolto è modificabile.

Comprendiamo le caratteristiche del funzionamento dell'unità

Scopriamo ora su quale principio si basa il funzionamento degli alternatori. Lo schema operativo è abbastanza semplice e immediato. Data una velocità del rotore costante, la corrente elettrica sarà prodotta in un unico flusso.

La rotazione del rotore provoca una variazione del flusso magnetico. A sua volta, il campo elettrico genera l'aspetto di una corrente elettrica. Attraverso i contatti con anelli all'estremità, la corrente dal rotore passa nel circuito elettrico del dispositivo. Gli anelli hanno buone proprietà di scorrimento. Sono saldamente in contatto con le spazzole, che sono conduttori fissi e permanenti tra il circuito elettrico e l'avvolgimento del filo di rame del rotore.

C'è una corrente nell'avvolgimento di rame attorno al magnete, ma è molto debole rispetto alla forza della corrente elettrica che scorre dal rotore attraverso il circuito al dispositivo.

Per questo motivo, per ruotare il rotore viene utilizzata solo una debole corrente applicata ai contatti striscianti.

Quando si assembla un alternatore, è molto importante mantenere le proporzioni delle parti, la dimensione, la dimensione degli spazi vuoti, lo spessore dei trefoli.
Puoi assemblare un alternatore se hai tutte le parti necessarie e una quantità sufficiente di filo di rame nella tua casa. È abbastanza possibile creare una piccola unità. Oppure ci sono istruzioni dettagliate per l'uso.

Il dispositivo e il principio di funzionamento dell'alternatore nel video

Generatore di corrente converte l'energia meccanica (cinetica) in energia elettrica. Nell'industria energetica vengono utilizzati solo generatori di macchine elettriche rotanti, basati sul verificarsi di una forza elettromotrice (EMF) in un conduttore, che è in qualche modo agito da un campo magnetico variabile. La parte del generatore, progettata per creare un campo magnetico, è chiamata induttore e la parte in cui viene indotto l'EMF è chiamata armatura.

La parte rotante della macchina si chiama rotore, e la parte stazionaria - statore... Nelle macchine sincrone AC, l'induttore è solitamente il rotore e nelle macchine DC, lo statore. In entrambi i casi l'induttore è solitamente un sistema elettromagnetico bipolare o multipolare dotato di un avvolgimento di eccitazione alimentato in corrente continua (corrente di eccitazione), ma esistono anche induttanze costituite da un sistema di magneti permanenti. In induzione (asincrono) alternatori l'induttore e l'armatura non possono differire chiaramente (strutturalmente) tra loro (si può dire che lo statore e il rotore sono allo stesso tempo un'induttanza e un'armatura).

Più del 95% dell'elettricità nelle centrali elettriche del mondo è prodotta utilizzando alternatori sincroni... Con l'aiuto di un induttore rotante, in questi generatori viene creato un campo magnetico rotante, che induce un EMF variabile nell'avvolgimento dello statore (solitamente trifase), la cui frequenza corrisponde esattamente alla velocità del rotore (in sincronismo con la velocità dell'induttore) . Se l'induttore, ad esempio, ha due poli e ruota a una frequenza di 3000 giri / min (50 giri / s), viene indotta un EMF alternato con una frequenza di 50 Hz in ciascuna fase dell'avvolgimento dello statore. Il progetto di un tale generatore è semplificato in Fig. uno.

Riso. 1. Il principio di un generatore sincrono a due poli. 1 statore (armatura), 2 rotore (induttore), 3 albero, 4 alloggiamento. U-X, V-Y, W-Z - parti degli avvolgimenti di tre fasi situate nelle fessure 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, vengono indotti EMF, spostati l'uno rispetto all'altro di 120o. L'avvolgimento di ciascuna fase, a sua volta, è costituito da bobine multigiro collegate in serie o in parallelo. Una delle opzioni di progettazione più semplici per un tale avvolgimento trifase di un generatore a due poli è semplificata in Fig. 2 (di solito 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 anteriore dello statore sono chiamate connessioni terminali.

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

I poli dell'induttore e, in accordo con questo, le divisioni polari dello statore, possono essere più di due. Più lenta ruota il rotore, maggiore è il numero di poli dovrebbe essere a una data frequenza di corrente. Se, ad esempio, il rotore ruota a una frequenza di 300 giri / min, il numero di poli del generatore, per ottenere una frequenza di corrente alternata di 50 Hz, dovrebbe essere 20. Ad esempio, in una delle più grandi centrali idroelettriche in mondo, i generatori Itaipu HPP (Itaipu, vedi Fig. 4) che funzionano a 50 Hz sono a 66 poli e i generatori che funzionano a 60 Hz sono a 78 poli.

L'avvolgimento di eccitazione di un generatore a due o quattro poli è posizionato come mostrato in fig. 1, nelle scanalature del massiccio nucleo del rotore in acciaio. Tale progettazione del rotore è necessaria nel caso di generatori ad alta velocità che funzionano a una velocità di 3000 o 1500 giri / min (soprattutto per generatori di turbine progettati per essere collegati a turbine a vapore), poiché a questa velocità agiscono grandi forze centrifughe sul rotore avvolgimento. Con un numero maggiore di poli, ogni polo ha un avvolgimento di campo separato (Fig. 3.12.3). Questo principio dei poli salienti del dispositivo viene utilizzato, in particolare, nel caso di generatori a bassa velocità destinati al collegamento con turbine idrauliche (idrogeneratori), normalmente funzionanti ad una velocità da 60 r/min a 600 r/min.

Molto spesso, tali generatori, secondo la progettazione 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 normalmente alimentato con corrente continua da una sorgente esterna tramite collettori ad anello sull'albero del rotore. In precedenza, per questo era previsto uno speciale generatore DC (eccitatore), collegato rigidamente all'albero del generatore, e ora vengono utilizzati raddrizzatori a semiconduttore più semplici ed economici. Esistono anche sistemi di eccitazione integrati nel rotore, in cui l'EMF è indotto dall'avvolgimento dello statore. Se vengono utilizzati magneti permanenti per creare un campo magnetico anziché un sistema elettromagnetico, la sorgente di corrente di eccitazione scompare e il generatore diventa molto più semplice e affidabile, ma allo stesso tempo e più costoso. Pertanto, i magneti permanenti vengono solitamente utilizzati in generatori di potenza relativamente bassa (fino a diverse centinaia di kilowatt).

Il design dei generatori a turbina, grazie al rotore cilindrico di diametro relativamente piccolo, è molto compatto. Il loro peso specifico è solitamente 0,5 ... 1 kg / kW e la loro potenza nominale può raggiungere i 1600 MW. Il dispositivo degli idrogeneratori è un po' più complicato, 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 in esso perdite di energia, causate dalla resistenza attiva degli avvolgimenti (perdite nel rame), correnti parassite e isteresi nelle parti attive del sistema magnetico (perdite nell'acciaio) e attrito nei cuscinetti di rotazione parti (perdite per attrito). Nonostante il fatto che le perdite totali di solito non superino l'1 ... 2% della potenza del generatore, la rimozione del calore rilasciato a causa delle perdite può essere difficile. Se assumiamo in modo semplificato che la massa del generatore sia proporzionale alla sua potenza, allora le sue dimensioni lineari sono proporzionali alla radice cubica della potenza, e le dimensioni della superficie sono proporzionali alla potenza alla potenza di 2/3. All'aumentare della potenza, quindi, la superficie del dissipatore cresce più lentamente della potenza nominale del generatore. Se a potenze dell'ordine di alcune centinaia di kilowatt è sufficiente utilizzare il raffrescamento naturale, allora a potenze superiori è necessario passare alla ventilazione forzata e, a partire da circa 100 MW, utilizzare l'idrogeno al posto dell'aria. A capacità ancora più elevate (ad esempio, più di 500 MW), è necessario integrare il raffreddamento a idrogeno con il raffreddamento ad acqua. Nei grandi generatori, anche i cuscinetti devono essere raffreddati in modo speciale, solitamente utilizzando la circolazione dell'olio.

La dissipazione del calore del generatore può essere notevolmente ridotta utilizzando avvolgimenti di eccitazione superconduttori. Il primo generatore di questo tipo (4 MVA), destinato all'uso su navi, è stato prodotto nel 2005 dalla società di ingegneria elettrica tedesca Siemens (Siemens AG). La tensione nominale dei generatori sincroni, a seconda della potenza, è solitamente nell'intervallo da 400 V a 24 kV. Sono state utilizzate anche tensioni nominali più elevate (fino a 150 kV), ma estremamente raramente. Oltre ai generatori sincroni a frequenza di rete (50 Hz o 60 Hz), vengono prodotti generatori ad alta frequenza (fino a 30 kHz) e generatori a frequenza ridotta (16,67 Hz o 25 Hz), che vengono utilizzati sulle ferrovie elettrificate di alcuni Paesi europei. I generatori sincroni, in linea di principio, includono anche un compensatore sincrono, che è un motore sincrono al minimo e che fornisce potenza reattiva alla rete di distribuzione dell'alta tensione. Con l'aiuto di una tale macchina, è possibile coprire il consumo di potenza reattiva dei consumatori elettrici industriali locali e liberare la rete principale del sistema di alimentazione dal trasferimento di potenza reattiva.

Oltre ai generatori sincroni, è relativamente raro e a potenze relativamente basse (fino a diversi megawatt) che 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.).

Ho Generatore CC i poli magnetici insieme all'avvolgimento di campo si trovano solitamente nello statore e l'avvolgimento dell'indotto si trova nel rotore. Poiché un EMF variabile viene indotto nell'avvolgimento del rotore durante la sua rotazione, l'armatura deve essere fornita con un collettore (commutatore), con l'aiuto del quale si ottiene un EMF costante all'uscita del generatore (sulle spazzole del collettore). Attualmente, i generatori CC sono usati 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, elettrificata per attrito contro una mano umana) fu realizzato nel 1663 dal sindaco della città di Magdeburgo (Magdeburgo, Germania) Otto von Guericke (1602-1686). Nel corso del loro sviluppo, tali generatori hanno permesso di scoprire molti fenomeni e schemi elettrici. Anche ora non hanno perso la loro importanza come mezzo per condurre ricerche sperimentali in fisica.

Il primo fu realizzato il 4 novembre 1831 dal professore della Royal Institution (Royal Institution) Michael Faraday (Michael Faraday, 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 (Figura 3.12.4). Quando il disco ruotava tra il suo asse e il bordo, veniva indotta una EMF costante. I generatori unipolari più avanzati sono disposti secondo lo stesso principio, che sono ancora utilizzati (sebbene relativamente raramente) al momento attuale.

Riso. 4. Il principio del dispositivo generatore unipolare Michele Faraday. 1 magnete, 2 dischi rotanti in rame, 3 spazzole. Impugnatura del disco non mostrata

Michael Faraday nasce in una famiglia povera e dopo la scuola elementare, all'età di 13 anni, diventa apprendista rilegatore. Dai libri, ha continuato indipendentemente la sua educazione e dall'Enciclopedia britannica ha familiarizzato con l'elettricità, ha realizzato un generatore elettrostatico e un barattolo di Leida. Per ampliare le sue conoscenze, iniziò a frequentare lezioni pubbliche di chimica tenute dal direttore del Royal Institute, Humphrey Davy (1778-1829), e nel 1813 fu promosso suo assistente. Nel 1821 divenne ispettore capo di questo istituto, nel 1824 - membro della Royal Society (Royal Society) e nel 1827 - professore di chimica presso il Royal Institute. 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 il sopra descritto esperimento di Faraday, il 3 settembre 1832, il meccanico parigino Hippolyte Pixii (1808-1835) costruì, per ordine e sotto la guida del fondatore dell'elettrodinamica, Andre Marie Ampere (1775-1836), un generatore con un magnete ruotato manualmente a Faraday (Fig. 5). Un EMF variabile viene indotto nell'avvolgimento dell'indotto del generatore Pixie. Per rettificare la corrente risultante, un interruttore a mercurio aperto è stato prima collegato al generatore, cambiando la polarità dell'EMF ad ogni mezzo giro del rotore, ma è stato presto sostituito da un collettore a spazzola cilindrica più semplice e sicuro, mostrato in Fig. 5.

Riso. 5. Il principio del dispositivo generatore magnetoelettrico Ippolita Pixie (a), il grafico dell'EMF indotto (b) e il grafico dell'EMF costante pulsante ottenuto con l'ausilio del collettore (c). Maniglia e ingranaggio conico non mostrati

Il generatore, costruito secondo il principio Pixie, fu utilizzato per la prima volta nel 1842 nel suo stabilimento di Birmingham per alimentare i bagni galvanici dall'industriale inglese John Stephen Woolrich (1790–1843), utilizzando un motore a vapore da 1 litro come motore di azionamento. Con. La sua tensione del 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 di galvanica 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 fornire loro corrente da un generatore ausiliario più piccolo; scoprì anche che l'efficienza del generatore aumenterebbe se il nucleo d'acciaio dell'elettromagnete fosse realizzato non massiccio, ma da fili paralleli. Tuttavia, le idee di Sinsteden iniziarono ad essere effettivamente utilizzate solo nel 1863 dall'ingegnere elettrico autodidatta inglese Henry Wilde (1833-1919), che propose, tra le altre innovazioni, di piantare una macchina eccitatrice (excitrice inglese) sull'albero del generatore. Nel 1865, realizzò un generatore di una potenza senza precedenti di 1 kW, con il quale riuscì persino a dimostrare la fusione e la saldatura dei metalli.

Il miglioramento più importante Generatori CCè diventato il loro autoeccitazione, il cui principio fu brevettato nel 1854 dall'ingegnere capo delle ferrovie statali danesi Soren Hjorth (Soren Hjorth, 1801-1870), ma a quel tempo non trovò applicazione pratica. Nel 1866 questo principio fu nuovamente scoperto 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 applicò nel mio compatto e generatore ad alta efficienza. Il 17 gennaio 1867, all'Accademia delle scienze di Berlino, fu letta la sua famosa conferenza sul principio dinamo-elettrico (autoeccitazione). Autoeccitazione ha permesso di rifiutare i generatori di eccitazione ausiliari (dagli eccitatori), il che ha permesso di generare elettricità molto più economica in grandi quantità. Per questo motivo, l'anno 1866 è spesso considerato l'anno della nascita dell'ingegneria elettrica ad alta corrente. Nei primi generatori autoeccitati, l'avvolgimento di eccitazione era incluso, come in 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 consente una migliore regolazione dell'EMF del generatore, a cui è arrivato 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 sequenziale (1866), d autoeccitazione parallela (1867). 1 armatura, 2 avvolgimenti di eccitazione. I reostati di regolazione della corrente di eccitazione non sono mostrati.

Il bisogno di alternatori ha avuto origine nel 1876, quando l'ingegnere elettrico russo Pavel Yablochkov (1847-1894), che lavorava a Parigi, iniziò ad illuminare le strade della città con l'aiuto di lampade ad arco a corrente alternata (candele Yablochkov) da lui stesso fabbricate. I primi generatori necessari per questo sono stati creati dall'inventore e industriale parigino Zenobe Theophile Gramme (1826-1901). Con l'inizio della produzione in serie di lampade ad incandescenza nel 1879, la corrente alternata perse per un po' il suo valore, ma acquistò nuovamente importanza a causa dell'aumento della distanza di trasmissione dell'elettricità a metà degli anni '80. Nel 1888-1890, il proprietario del proprio laboratorio di ricerca Tesla-Electric (Tesla-Electric Co., New York, USA), un ingegnere elettrico serbo emigrato negli Stati Uniti, Nikola Tesla (Nikola Tesla, 1856-1943) e 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 potenti generatori sincroni per centrali termiche e idroelettriche in costruzione.

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

Attualmente, i generatori sincroni vengono utilizzati principalmente per generare energia elettrica. Le macchine asincrone vengono utilizzate più spesso come motori.

I generatori di corrente alternata sono generalmente costituiti da un avvolgimento fisso - uno statore e uno mobile - un rotore.

La differenza tra una macchina sincrona e una macchina asincrona è che nella prima il campo magnetico dello statore ruota contemporaneamente al movimento del rotore e nelle macchine asincrone avanza o è in ritardo rispetto al campo nel rotore.

L'uso diffuso di macchine sincrone è dovuto ai loro parametri di qualità. I generatori sincroni producono una tensione altamente stabile adatta per il collegamento di un'ampia gamma di apparecchi elettrici.

Con un cortocircuito nel carico o un elevato consumo di energia, una corrente significativa scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore, che può portare al guasto del generatore. Per tali macchine è necessario il raffreddamento: una turbina è posizionata sull'albero del rotore, raffreddando l'intera struttura.

In considerazione di ciò, i generatori sincroni sono sensibili alle condizioni ambientali.

I generatori asincroni nella maggior parte dei casi hanno un involucro chiuso e sono insensibili all'elevata corrente di avviamento dei consumatori di energia.

Tuttavia, per il loro funzionamento è necessaria una potente corrente di polarizzazione esterna. In generale, i generatori di induzione producono tensioni instabili. Tali generatori sono ampiamente utilizzati come fonti di energia per le saldatrici.

I generatori sincroni sono molto diffusi come convertitori di energia meccanica in energia elettrica nelle centrali idroelettriche, nelle centrali termiche, come generatori domestici a benzina e diesel, come fonti di energia a bordo nei trasporti.

Gli statori di un generatore sincrono e asincrono non differiscono l'uno dall'altro nel design.

Il nucleo dello statore è costituito da più piastre di acciaio elettrico, isolate l'una dall'altra e assemblate in un'unica struttura (Fig. 1). Le bobine di avvolgimento sono installate sulle scanalature all'interno dello statore.

Per ogni fase, l'avvolgimento comprende due bobine installate l'una di fronte all'altra e collegate in serie. Un tale schema di avvolgimento è chiamato bipolare.

In totale, sullo statore sono installati tre gruppi di bobine (Fig. 2), con uno spostamento di 120 gradi. I gruppi di fase sono interconnessi in una "stella" o "triangolo". Esistono gruppi di bobine con un numero elevato di poli. Iniezione

lo spostamento della bobina l'uno rispetto all'altro è generalmente calcolato dalla formula (2π / 3) / n, dove n è il numero di poli dell'avvolgimento.

Il rotore del generatore è un elettromagnete che eccita un campo magnetico alternato nello statore. Per piccoli generatori di bassa potenza, i normali magneti si trovano spesso sul rotore.
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Il rotore di un generatore sincrono necessita di un eccitatore esterno - un generatore DC, nel caso più semplice, montato sullo stesso albero del rotore.

L'eccitatore deve fornire una variazione della corrente nel rotore per regolare la modalità operativa e la capacità di estinguere rapidamente il campo magnetico in caso di arresto di emergenza.

I rotori sono classificati come salienti e non salienti. Il design dei rotori a poli salienti (Fig. 3) è costituito dai poli degli elettromagneti 1 formati da bobine polari 2 collegate al nucleo 3. L'eccitazione viene fornita all'avvolgimento tramite contatti ad anello 4.

Tali rotori vengono utilizzati a basse velocità di rotazione, ad esempio nelle turbine idrauliche. Con una rotazione più rapida dell'albero, sorgono forze centrifughe significative che possono distruggere il rotore.

In questo caso vengono utilizzati rotori a poli non salienti (Fig. 4). Il rotore non saliente contiene scanalature 1 formate nel nucleo 2. Gli avvolgimenti del rotore sono fissati nelle scanalature (non mostrate in Fig. 4). L'eccitazione esterna viene trasmessa anche attraverso i contatti 3. Pertanto, il rotore con poli impliciti è lo statore "dentro e fuori".

Il campo magnetico bipolare di un rotore rotante può essere sostituito da un campo simile di un magnete permanente rotante con la velocità angolare del rotore. La direzione della corrente in ciascun avvolgimento è determinata dalla regola del gimbal.

Se la corrente, ad esempio, è diretta dall'inizio dell'avvolgimento A al punto X, tale corrente sarà convenzionalmente considerata positiva (Fig. 5). Quando il rotore ruota, si verifica una corrente alternata nell'avvolgimento dello statore, con uno sfasamento di 2 π / 3.

Per collegare al grafico la variazione della corrente della fase A, si consideri la rotazione in senso orario. All'istante iniziale, il campo magnetico del rotore non crea corrente nel gruppo di bobine della fase A, (Fig. 6, posizione a).

Nell'avvolgimento della fase B agiscono correnti negative (dalla fine dell'avvolgimento all'inizio) e nell'avvolgimento della fase C, correnti positive. Con un'ulteriore rotazione, il rotore si sposta di 90 gradi a destra (Fig. 6, b). La corrente nell'avvolgimento A assume il valore positivo massimo e negli avvolgimenti di fase B e C - negativo intermedio.

Il campo magnetico del rotore viene spostato di un altro quarto del periodo, il rotore viene spostato di 180 gradi (Fig. 6, c). La corrente nell'avvolgimento A raggiunge nuovamente lo zero, nell'avvolgimento B è positiva, nell'avvolgimento della fase C è negativa.

Con un'ulteriore rotazione del rotore nel punto, la corrente di fase nell'avvolgimento A raggiunge un valore massimo negativo, la corrente negli avvolgimenti B e C è positiva (Fig. 6, d). L'ulteriore rotazione del rotore ripete tutte le fasi precedenti.

I generatori sincroni sono progettati per collegare carichi con un elevato fattore di potenza (cosϕ> 0,8). Con un aumento della componente induttiva del carico, si verifica l'effetto di smagnetizzazione del rotore, portando ad una diminuzione della tensione ai terminali.

Per compensarlo, è necessario aumentare la corrente di eccitazione, portando ad un aumento della temperatura degli avvolgimenti. Il carico capacitivo, invece, aumenta la magnetizzazione del rotore e aumenta la tensione.

I generatori monofase non sono ampiamente utilizzati nell'industria. Per ottenere una corrente monofase, gli avvolgimenti di fase della trifase sono collegati a un circuito comune. In questo caso, ci sono piccole perdite di potenza rispetto alla commutazione trifase.

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Dopo la scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, M. Faraday nel 1831 inventò una varietà di macchine elettriche. Tra questi, i generatori elettrici sono la spina dorsale di tutte le moderne reti elettriche. Sono fonti di elettricità e sono le prime a determinarne la quantità e la qualità. Prima che diventi possibile per i consumatori utilizzare l'elettricità, è necessario eseguire la conversione della tensione più di una volta per ridurre le perdite determinate dalla trasmissione dell'elettricità.

Per questo motivo, le reti elettriche CA sono state a lungo le più efficienti. La loro frequenza in diversi paesi viene scelta tra 50 o 60 Hertz, perché questi valori sono ancora una volta i più giustificati economicamente nell'attuale fase di sviluppo della scienza e della tecnologia. All'inizio di qualsiasi rete elettrica c'è uno o più alternatori sincroni.

Principio di funzionamento

Affinché una corrente elettrica appaia in un conduttore, le linee di forza del campo magnetico devono essere mobili rispetto a questo conduttore. A tale scopo, nell'alternatore è presente un magnete rotante mobile che, con il suo campo magnetico, attraversa i conduttori fissi. Si trova su un albero azionato da una fonte esterna di energia meccanica.

Un albero con un magnete è chiamato rotore o induttore. Strutturalmente, il rotore può essere realizzato sia con un magnete permanente realizzato in uno speciale materiale magnetico, sia con un elettromagnete. Una tale macchina elettrica è chiamata sincrona perché il campo magnetico in essa ruota con il rotore.

Per ottenere il campo magnetico più efficace, il design più diffuso è con un rotore in leghe speciali a forma di nucleo circondato da spire di avvolgimento, attraverso le quali scorre una corrente continua. L'avvolgimento è indicato come "avvolgimento di campo". La sorgente di corrente di eccitazione può essere esterna o incorporata nel rotore. Una sorgente esterna è collegata a due spazzole fisse.

Questi ultimi si trovano sulla base, rispetto alla quale ruota il rotore, e formano contatti striscianti con due anelli corrispondenti situati sul rotore. La sorgente integrata è un avvolgimento separato con un raddrizzatore CA. Il suo vantaggio è che i contatti striscianti sono esclusi da questo design. I rotori possono essere strutturalmente diversi. Sono resi salienti, impliciti, forniti di avvolgimenti smorzatori.

Per ottenere il valore richiesto della frequenza e della tensione correnti, è necessario ottenere un certo numero di intersezioni delle linee di forza del campo magnetico con il conduttore per unità di tempo. Con l'obiettivo dell'interazione più efficace del campo magnetico e del conduttore, è realizzato sotto forma di spire di avvolgimento situate su un nucleo realizzato in una lega speciale. Vengono realizzati tanti nuclei di questo tipo quanto richiesto in base al problema tecnico da risolvere.

Si trovano attorno al rotore e sono chiamati statore. Ogni nucleo dello statore è costituito da due parti, tra le quali si trova un rotore con un certo spazio. Queste due parti formano la cosiddetta coppia di poli di un generatore elettrico. Mentre ruota, i poli magnetici opposti del rotore si muovono oltre le parti opposte del nucleo dello statore.

Le coppie di poli si trovano sulla base rispetto alla quale si muove il rotore. Strutturalmente, questa base è realizzata sotto forma di alloggiamento dell'alternatore. Lo statore, le spazzole, gli anelli e il rotore sono nascosti all'interno dell'alloggiamento. Da esso sporgono l'albero ei terminali delle spazzole. Quando l'albero ruota per una forza esterna, ad esempio una turbina, lo statore è una fonte di campi elettromagnetici. La frequenza della tensione e della corrente nello statore dipende da quante volte per unità di tempo il polo magnetico del rotore si sposta oltre i nuclei dello statore.

Varietà costruttive

Pertanto, la frequenza di tensione e corrente può essere influenzata sia dalla velocità del rotore, sia dal numero di coppie di poli, o da entrambi insieme. Quando si decelera la velocità del rotore, è necessario aumentare il numero di coppie di poli per mantenere la tensione e la frequenza della corrente. Ciò distingue i generatori di centrali termiche dai generatori di centrali idroelettriche e dalle turbine eoliche.

La turbina a vapore ruota rapidamente e la turbina ad acqua ruota lentamente. Ma allo stesso tempo, la frequenza della tensione e della corrente che entrambi questi generatori producono sono le stesse. Tuttavia, un generatore idroelettrico ha molte volte il numero di coppie di poli e sono spesso realizzati con rotori a poli salienti. I generatori nelle centrali termiche, grazie alle elevate velocità di rotazione di 1500 e 3000 giri/min, sono realizzati con rotori a poli impliciti. Il numero di coppie di poli dipende anche dal numero di fasi. Una fase corrisponde a una coppia di poli dello statore. Pertanto, le versioni trifase contengono almeno tre coppie di poli.

• La disposizione spaziale delle coppie polari nei generatori multifase determina lo sfasamento delle tensioni e delle correnti negli avvolgimenti di fase.

La disposizione spaziale dei generatori in condizioni di lavoro lungo la posizione dell'asse di rotazione del rotore può essere sia orizzontale che verticale. Il funzionamento con turbina a vapore oa gas, a causa degli elevati carichi centrifughi, richiede solo una disposizione orizzontale, il minor diametro possibile e la massima lunghezza possibile del generatore. Un esempio di tale macchina elettrica è mostrato nell'immagine seguente:

Nelle centrali idroelettriche, a seconda della pressione dell'acqua, possono essere utilizzate sia le strutture orizzontali che verticali di queste macchine elettriche. Esistono progetti speciali di generatori a poli salienti di potenze relativamente piccole dell'ordine di dieci kilowatt. In essi, l'induttore (che di solito è il rotore) è fermo e l'armatura (che di solito è lo statore) ruota. L'elettricità generata viene fornita al carico attraverso gli anelli e le spazzole.

Un altro tipo di fonte di energia elettrica è un alternatore asincrono. Ha il design più semplice e l'alta affidabilità. Ma le sue caratteristiche energetiche, la stabilità della tensione e della frequenza di corrente sono piccole rispetto alle macchine sincrone. Ciò limita l'ambito di utilizzo dei generatori asincroni. Vengono utilizzati solo dove sono richiesti semplicità, affidabilità e minor costo.

Da oltre un secolo l'umanità utilizza l'elettricità in tutti i campi di attività. Senza di essa, è semplicemente impossibile immaginare una vita normale. Con l'aiuto di macchine speciali, l'energia meccanica viene convertita in corrente alternata o continua. Per capire meglio come ciò avvenga, è necessario capire in cosa consiste il generatore e come funziona.

Conversione di energia meccanica in energia elettrica

Al centro di ogni generatore sta il principio dell'induzione magnetica... Le prime auto elettriche sono apparse nella seconda metà del XIX secolo. I loro inventori erano Michael Faraday e Hippolyte Pixie. Nel 1886 ci fu una dimostrazione pubblica di un alternatore, un dispositivo in grado di generare corrente dal movimento meccanico.

Il primo alternatore trifase è stato sviluppato dal cittadino russo Dolivo-Dobrovolsky. Nel 1903, costruì anche la prima centrale elettrica industriale sulla Terra, che divenne una fonte di energia per un ascensore.

Il circuito più semplice per un alternatore è una bobina di filo che gira in un campo magnetico. Un'alternativa è quando la bobina rimane immobile ed è attraversata da un campo magnetico. In entrambi i casi verrà generata energia elettrica. Mentre il movimento continua, nel conduttore viene generata una corrente alternata. I generatori sono utilizzati per generare corrente in tutto il mondo. Fanno parte del sistema di alimentazione globale del globo.

Il funzionamento del generatore dipende dal suo scopo e sono possibili varie modifiche. ma ci sono due componenti principali:

1. Il rotore è un elemento mobile in ferro pieno.
2. Lo statore è fisso, è assemblato da lamiere di ferro isolate. All'interno ha scanalature in cui passa l'avvolgimento del filo.

Per ottenere la massima densità di flusso magnetico, la distanza tra queste parti dell'unità dovrebbe essere la più piccola possibile. L'avvolgimento di eccitazione, situato sul rotore, viene alimentato attraverso il sistema a spazzole.

Esistono due tipi di costruzione:

• con un'armatura rotante e un campo magnetico stazionario;
• il campo magnetico ruota, ma l'armatura rimane in posizione.

Le macchine più utilizzate sono macchine con poli magnetici mobili. È molto più conveniente prelevare elettricità dallo statore che dal rotore. In generale, un generatore è costruito allo stesso modo di un motore elettrico.

Classificazione e tipi di unità

Le unità per convertire l'energia meccanica in energia elettrica hanno un design simile. Possono differire nel principio di funzionamento del generatore e dell'avvolgimento di campo:

In base alla progettazione:

• poli pronunciati;
• non espresso.

Con il metodo di collegamento degli avvolgimenti:

A seconda del numero di fasi:

• monofase;
• bifasico;
• trifase.

Le unità CC sono progettate in modo tale che il meccanismo per la rimozione di energia sia costituito da due semianelli isolati, ciascuno dei quali riceve una carica di un certo potenziale. All'uscita si ottiene una corrente pulsante di una direzione.

I generatori sincroni hanno un'armatura con un avvolgimento alimentato con corrente continua. Regolando il suo valore, è possibile modificare l'intensità del campo magnetico e controllare la tensione di uscita. In quelli asincroni non c'è avvolgimento, invece viene utilizzato l'effetto magnetizzante.

Principali aree di applicazione

Vale la pena ricordare che l'elettricità ordinaria nelle prese deriva dal lavoro di enormi alternatori nelle centrali termiche. La portata di queste macchine elettriche comprende tutti i tipi di attività umane:

• sono utilizzati come fonte di energia di riserva in strutture in cui non devono essere consentite interruzioni di corrente;
• insostituibile in luoghi dove non ci sono linee elettriche;
• la maggior parte dei veicoli è dotata di generatore, genera energia elettrica per la rete di bordo;
• alimentazione per unità di idrolisi;
• industria;
• nelle centrali nucleari e idroelettriche.

Di recente, gli elettrodomestici per la generazione di elettricità stanno guadagnando sempre più popolarità. Sono di dimensioni compatte e a basso consumo di carburante. Possono funzionare a benzina e diesel. Sono utilizzati in condizioni di campo, in campagna o come alimentazione di emergenza.

L'invenzione di un metodo per produrre elettricità dal movimento meccanico fu di importanza epocale per lo sviluppo della civiltà moderna. Il mondo che ci circonda è pieno di misteri, le cui risposte sono sconosciute, ma, forse, altre importanti scoperte che possono cambiare le loro vite attendono le persone.