Electricitatea nu este o energie primară, prezentă în mod liber în natură în cantități semnificative, iar pentru a fi folosită în industrie și în viața de zi cu zi, trebuie produsă. Cea mai mare parte este creată de dispozitive care transformă forța motrice în curent electric - așa funcționează generatoarele, sursele de energie mecanică pentru care pot fi turbinele cu abur și apă, motoarele cu ardere internă și chiar puterea musculară umană.
Istorie și evoluție
Descoperirea lui Michael Faraday a legilor inducției electromagnetice în 1831 a devenit baza pentru construcția mașinilor electrice. Dar înainte de apariția iluminatului electric, nu era nevoie să se comercializeze tehnologia. Aparatele electrice timpurii, cum ar fi telegraful, foloseau baterii galvanice ca sursă de energie. Acesta a fost o modalitate foarte costisitoare de a produce electricitate.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, mulți inventatori au căutat să folosească principiul inducției lui Faraday pentru a genera electricitate. mecanic. Unele realizări importante au fost dezvoltarea dinamului de către Werner von Siemens și producerea de către Hippolyte Fontaine a modelelor de lucru ale generatoarelor lui Theophilus Gram. Primele dispozitive au fost folosite împreună cu dispozitive de iluminat cu arc extern, cunoscute sub numele de lumânări Yablochkov.
Au fost înlocuite cu sistemul de lămpi cu incandescență de mare succes al lui Thomas Edison. Centralele sale electrice comerciale erau bazate pe generatoare puternice, dar circuitul, construit pe generarea de curent continuu, era prost potrivit pentru distribuirea energiei către distante lungi din cauza pierderilor semnificative de căldură.
Nikola Tesla a dezvoltat un generator îmbunătățit curent alternativ, precum și un motor asincron practic. Aceste mașini electrice, împreună cu transformatoarele de creștere și coborâre, au oferit baza companiilor electrice pentru a construi rețele de distribuție mai mari folosind centrale electrice mari. În sistemele mari de curent alternativ, costurile de generare și transport au fost de câteva ori mai mici decât în schema lui Edison, ceea ce a stimulat cererea de energie electrică și, în consecință, evoluția ulterioară a mașinilor electrice. . Principalele date din istoria generatoarelor pot fi luate în considerare:
Principiul de funcționare
Generatoarele care funcționează pe principiul inducției electromagnetice nu creează electricitate. Folosind energia mecanică, pun în mișcare doar sarcinile electrice care sunt întotdeauna prezente în conductori. Principiul de funcționare al unui generator electric poate fi comparat cu o pompă de apă, provocând un debit de apă, dar nu creând apă în conducte. copleșitor Majoritatea generatoarelor cu inducție sunt mașini electrice de tip rotativ, constând din două componente principale:
- stator (parte fixă);
- rotor (partea rotativă).
Pentru a ilustra modul în care funcționează un generator electric, se poate folosi o mașină electrică simplă constând dintr-o bobină de sârmă și un magnet în formă de U. Principalele elemente fundamentale ale acestui model:
- un câmp magnetic;
- mișcarea unui conductor într-un câmp magnetic.
Un câmp magnetic este zona din jurul unui magnet unde puterea acestuia este vizibilă. Pentru a înțelege mai bine cum funcționează modelul, vă puteți imagina liniile de forță care ies de la polul nord al magnetului și se întorc spre sud. Cu cât magnetul este mai puternic, cu atât cantitate mare el creează linii de forță. Dacă bobina începe să se rotească între poli, atunci ambele părți vor începe să intersecteze linii magnetice imaginare. Aceasta determină mișcarea electronilor în conductor (generarea de electricitate).
În conformitate cu regula din dreapta, atunci când bobina se rotește, un curent va fi indus în ea, schimbându-și direcția la fiecare jumătate de tură, deoarece liniile de forță de pe părțile laterale ale bobinei se vor intersecta într-o direcție sau alta. De două ori la fiecare rotație bobina trece prin poziții (paralele cu polii) la care nu are loc inducția electromagnetică. Prin urmare, generator simplu funcționează ca o mașină electrică care produce curent alternativ. Tensiunea pe care o creează poate fi modificată prin:
- putere camp magnetic;
- viteza de rotație a bobinei;
- numărul de spire ale firului care traversează liniile câmpului magnetic.
O bobină de conductor care se rotește între polii unui magnet creează un alt efect important. Când curentul curge în bobină, acesta creează un câmp electromagnetic care este opus câmpului unui magnet permanent. Și cu cât este indusă mai multă electricitate în bobină, cu atât câmpul magnetic este mai puternic și rezistența la rotirea conductorului. Aceeași forță magnetică în spire provoacă rotirea rotorului motorului electric, adică, în anumite condiții, generatoarele pot funcționa ca motoare și invers.
Caracteristicile generatoarelor de curent alternativ
Curentul alternativ (AC) este produs de generatorul simplu descris. Pentru ca energia electrică generată să poată fi utilizată, aceasta trebuie livrată cumva la sarcină. Acest lucru se realizează folosind o unitate de contact pe arbore, constând din inele rotative și părți fixe din carbon numite perii care alunecă de-a lungul acestora. Fiecare capăt al conductorului rotativ este conectat la un inel corespunzător, iar curentul astfel creat în viraj trece prin inele și perii către sarcină.
Structura mașinilor industriale
Generatoarele practice diferă de cele mai simple. Ele sunt de obicei echipate cu un excitator - un generator auxiliar care furnizează curent continuu electromagneților utilizați pentru a crea un câmp magnetic în generator.
În loc de o întoarcere în cel mai simplu model dispozitive practice sunt echipate cu înfășurări din sârmă de cupru, iar rolul de magnet este îndeplinit de bobine pe miezuri de fier. În majoritatea alternatoarelor, electromagneții care produc câmpul alternativ sunt plasați pe rotor și energia electrică este indusă în bobinele statorului.
ÎN dispozitive similare Colectorul este folosit pentru a transfera curent continuu de la excitator la magneți. Acest lucru simplifică foarte mult proiectarea, deoarece este mai convenabil să transmiteți curenți slabi prin perii și să primiți tensiune înaltă de la înfășurările statorului staționar.
Aplicații în rețele
La unele mașini, numărul de secțiuni de înfășurare coincide cu numărul de electromagneți. Dar majoritatea generatoarelor de curent alternativ sunt echipate cu trei seturi de bobine pentru fiecare pol. Astfel de mașini produc trei fluxuri de electricitate și sunt numite trifazate. Densitatea lor de putere este semnificativ mai mare decât cea a celor monofazate.
În centralele electrice, generatoarele de curent alternativ servesc ca convertoare de energie mecanică în energie electrică. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea AC poate fi crescută sau scăzută cu ușurință folosind un transformator. Generatoarele mari produc tensiuni de aproximativ 20 de mii de volți. Apoi este mărită cu mai mult de un ordin de mărime pentru a permite transportul electricității pe distanțe lungi. În punctul în care este utilizată electricitatea, se creează o tensiune utilizabilă folosind o serie de transformatoare descendente.
Design dinamo
O bobină de sârmă care se rotește între polii unui magnet schimbă polii de la capetele conductorului de două ori la fiecare rotație. Pentru a transforma un model simplu într-un generator de curent continuu, trebuie să faceți două lucruri:
- devierea curentului de la bobină la sarcină;
- organizați fluxul de curent deviat într-o singură direcție.
Rolul colecționarului
Un dispozitiv numit colector poate îndeplini ambele sarcini. Diferența sa față de un ansamblu perie de contact este că baza sa nu este un inel de conductor, ci un set de segmente izolate unele de altele. Fiecare capăt al circuitului rotativ este conectat la sectorul corespunzător al comutatorului, iar două perii de cărbune staționare îndepărtează curentul electric din comutator.
Colectorul este proiectat în așa fel încât, indiferent de polaritatea de la capetele turei și de faza de rotație a rotorului, grupul de contact furnizează curentul cu direcția dorită atunci când îl transmite la sarcină. Înfășurările din dinamo practice constau din multe segmente, așadar, pentru generatoarele de curent continuu, din cauza necesității comutării acestora, s-a dovedit a fi de preferat un circuit în care o armătură cu bobine induse se rotește într-un câmp magnetic.
Sursa de alimentare pentru electromagneti
Dinamele clasice folosesc un magnet permanent pentru a induce câmpul. Restul generatoarelor de curent continuu necesită energie pentru electromagneți. În așa-numitele generatoare excitate separat, în acest scop sunt utilizate surse externe de curent continuu. Dispozitivele autoexcitante folosesc o parte din electricitatea autogenerată pentru a controla electromagneții. Pornirea unor astfel de generatoare după oprire depinde de capacitatea lor de a acumula magnetism rezidual. În funcție de metoda de conectare a bobinelor de câmp la înfășurările armăturii, acestea sunt împărțite în:
- șunt (cu excitație paralelă);
- serial (cu excitație secvențială);
- excitație mixtă (cu o combinație de șunt și serie).
Tipurile de excitație sunt utilizate în funcție de controlul tensiunii necesar. De exemplu, generatoarele utilizate pentru încărcarea bateriilor necesită operare simplă tensiune. În acest caz tip potrivit va fi un șunt. Ca mașini care generează energie pentru un lift de pasageri, se utilizează un generator excitat separat sisteme similare necesită un management complex.
Aplicarea generatoarelor colectoare
Multe generatoare de curent continuu sunt antrenate de motoare de curent alternativ în combinații numite seturi motor-generator. Aceasta este una dintre modalitățile de a schimba curentul alternativ în curent continuu. Instalațiile de galvanizare care produc aluminiu, clor și alte materiale prin procese electrochimice necesită cantități mari de curent continuu.
Generatoarele electrice diesel sunt, de asemenea, folosite pentru a furniza curent continuu locomotivelor și navelor. Deoarece comutatoarele sunt dispozitive complexe și nesigure, generatoarele de curent continuu sunt adesea înlocuite cu mașini care produc curent alternativ combinat cu cele electronice. Generatoarele de comutatoare și-au găsit aplicație în rețelele de putere redusă, permițând utilizarea dinamurilor cu magnet permanenți fără circuite de excitație.
Există și alte tipuri de dispozitive care sunt capabile să producă energie electrică. Acestea includ baterii electrochimice, celule termoelectrice și fotovoltaice și convertoare de combustibil. Dar, în comparație cu generatoarele cu inducție AC/DC, ponderea lor în producția globală de energie este neglijabilă.
Curentul alternativ de frecvență industrială este generat la centralele electrice de generatoare sincrone de mașini electrice special concepute în acest scop. Principiul de funcționare al acestor unități se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică. Energia mecanică produsă de o turbină cu abur sau hidraulică este transformată în energie electrică de curent alternativ.
Partea rotativă a motorului sau a rotorului este un magnet electric, care transmite câmpul magnetic generat la stator. Aceasta este partea exterioară a dispozitivului, constând din trei bobine de fire.
Tensiunea este transmisă prin perii și inele de comutator. Inelele de cupru ale rotorului se rotesc simultan cu arborele cotit și rotorul, determinând periile să fie apăsate împotriva lor. Acestea, la rândul lor, rămân pe loc, permițând transmiterea curentului electric de la elementele staționare ale generatorului către partea sa rotativă.
Câmpul magnetic produs în acest fel, rotindu-se peste stator, produce curenți electrici care încarcă bateria.
Modele populare de generatoare de sudare curent alternativ:
Generator curent alternativ
În prezent sunt multe tipuri variate inducţie generatoare. Dar toate constau din aceleași părți de bază. Acesta este, în primul rând, un electromagnet sau magnet permanent care creează un câmp magnetic și, în al doilea rând, o înfășurare în care este indusă o variabilă. EMF- forța motrice electrică (în modelul de generator considerat acesta este un cadru rotativ). Deoarece EMF indus în spire conectate în serie se adună, amplitudinea EMF indusă în cadru este proporțională cu numărul de spire din acesta. De asemenea, este proporțională cu amplitudinea fluxului magnetic alternativ (Фm = BS) prin fiecare tură.
Principiul de funcționare al generatorului curent alternativ Următorul. Pentru a obține un flux magnetic mare, generatoarele folosesc un sistem magnetic special format din două miezuri din oțel electric. Înfășurările care creează câmpul magnetic sunt plasate în fantele unuia dintre miezuri, iar înfășurările în care este indus EMF sunt în fantele celuilalt. Unul dintre miezuri (de obicei intern) împreună cu înfășurarea sa se rotește în jurul unei axe orizontale sau verticale. De aceea se numește rotor. Miezul staționar cu înfășurarea sa se numește stator. Distanța dintre miezurile statorului și rotorului este făcută cât mai mică posibil pentru a crește fluxul de inducție magnetică.
În modelul de generator prezentat în figură, se rotește un cadru de sârmă, care este un rotor (deși fără miez de fier). Câmpul magnetic este creat de un magnet permanent staționar. Desigur, s-ar putea face invers: rotiți magnetul și lăsați cadrul nemișcat.
În generatoarele industriale mari, electromagnetul, care este rotorul, este cel care se rotește, în timp ce înfășurările în care este indus EMF sunt plasate în fantele statorului și rămân staționare. Faptul este că curentul trebuie să fie furnizat rotorului sau îndepărtat din înfășurarea rotorului către un circuit extern folosind contacte glisante. Pentru a face acest lucru, rotorul este echipat cu inele colectoare atașate la capetele înfășurării sale.
Fig.1. Schema structurala alternator actual
Plăcile fixe - perii - sunt presate pe inele și conectează înfășurarea rotorului cu circuitul extern. Puterea curentului în înfășurările electromagnetului care creează câmpul magnetic este semnificativ mai mică decât curentul furnizat de generator circuitului extern. Prin urmare, este mai convenabil să eliminați curentul generat din înfășurările staționare și prin contactele glisante să furnizați un curent relativ slab electromagnetului rotativ. Acest curent este generat de un generator separat de curent continuu (excitator), situat pe partea stângă a arborelui (În prezent, curentul continuu este cel mai adesea furnizat înfășurării rotorului de la înfășurarea statorului aceluiași generator printr-un redresor).
În generatoarele de putere redusă, câmpul magnetic este creat de un magnet permanent rotativ. În acest caz, inelele și periile nu sunt deloc necesare.
Apariția EMF în înfășurările statorului stațional se explică prin apariția unui câmp electric vortex în acestea, generat de o modificare a fluxului magnetic atunci când rotorul se rotește.
Generator modern curent electric este o structură impresionantă realizată din fire de cupru, materiale izolante si structuri metalice. Cu dimensiuni de câțiva metri cele mai importante detalii generatoarele sunt fabricate cu precizie milimetrică. Nicăieri în natură nu există o asemenea combinație de părți în mișcare care să poată genera energie electrică atât de continuu și economic.
CURENT ALTERNATIV
Arborele generatorului este antrenat în rotație de la un scripete montat pe arborele cotit al motorului de o curea trapezoidale. Raportul de transmisie a curelei trapezoidale este de 1,7-2,0. Când o mașină este în mișcare, viteza de rotație a arborelui cotit la ralanti pentru motoarele moderne este de 500-600 rpm, viteza maximă este de 4000-5000 rpm. Astfel, factorul de modificare a turației motorului și, în consecință, a arborelui generatorului, poate ajunge la 8 - 10. Tensiunea generatorului depinde de viteza de rotație a arborelui său. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât este mai mare tensiunea generatorului. Cu toate acestea, toate echipamentele electrice ale mașinii, în special lămpile și instrumentele
dispozitive concepute pentru a fi alimentate de tensiune DC 12 sau 24 V. Menținerea unei tensiuni constante a generatorului, indiferent de modificările vitezei de rotație și a sarcinii generatorului (pornirea consumatorilor), se realizează printr-un dispozitiv special numit regulator de tensiune.
Când turația motorului scade sub 500-700 rpm, tensiunea generatorului devine mai mică decât tensiunea bateriei. Dacă bateria nu este deconectată de la generator, aceasta va începe să se descarce în generator, ceea ce poate duce la supraîncălzirea izolației înfășurărilor generatorului și la descărcarea bateriei. Când turația motorului crește, este necesar să reconectați generatorul la sistemul electric. Generatorul este pornit la sistemul electric atunci când tensiunea acestuia este mai mare decât tensiunea bateriei, iar generatorul este deconectat de la rețea când tensiunea lui este mai mică decât tensiunea bateriei, printr-un dispozitiv special numit releu de curent invers.
Generatorul este proiectat să furnizeze o anumită valoare maximă a curentului pentru un anumit generator, totuși, dacă există o defecțiune a sistemului de echipamente electrice (baterie descărcată, scurtcircuit etc.), generatorul poate furniza un curent mai mare decât cel pentru care este proiectat. Muncă lungă funcționarea generatorului în acest mod va duce la supraîncălzirea și arderea izolației înfășurării. Pentru a proteja generatorul de suprasarcină, se folosește un dispozitiv special numit limitator de curent.
Toate cele trei dispozitive - un regulator de tensiune, un releu de curent invers și un limitator de curent - sunt combinate într-un singur dispozitiv numit regulator de releu.
La unele generatoare, de exemplu G-250, un releu de curent invers de curent alternativ și un limitator de curent pot lipsi, dar designul generatorului conține dispozitive care îndeplinesc funcțiile acestor dispozitive.
În fig. Figura 1 prezintă dispozitivul generatorului de curent alternativ G-250. Generatorul are un stator 6 cu o înfășurare trifazată realizată sub formă de bobine separate montate pe dinții statorului. Fiecare fază are șase bobine conectate în serie. Înfășurările de fază ale statorului sunt conectate printr-o stea, iar bornele lor de ieșire sunt conectate la unitatea redresor 10.
Dispozitiv alternator curent G-250
Carcasa statorului este realizată din plăci electrice individuale de oțel. Înfășurarea de excitație 4 a generatorului este realizată sub formă de bobină și este plasată pe o bucșă de oțel a polilor în formă de cioc ai rotorului 13. Bucșa, polii în formă de cioc ai rotorului și inelele colectoare 5 sunt fixat rigid pe arborele rotorului 3 (ajustare prin presare la moletare). Câmpul magnetic creat de înfășurarea de excitație, care trece prin capetele polilor în formă de cioc, formează polii nord și sud pe rotor (Fig. 2) (E.V. Mikhailovsky, „Car Design”, p. 163).
Când rotorul se rotește, câmpul magnetic al polilor rotorului traversează spirele bobinelor de înfășurare a statorului, inducând o f.e.m. variabilă în fiecare fază.
Circuit de redresare curent alternativ
Curentul din înfășurarea de excitație este furnizat prin periile 8 (Fig. 1) și inelele de contact 5, la care sunt lipite capetele înfășurării de excitație. Periile sunt fixate în suportul pentru perii 9.
Statorul generatorului este fixat cu șuruburi de strângere între capacele 1 și 7, care au suporturi pentru atașarea generatorului la motor. În capacul 1, pe partea de antrenare, în partea de sus, există un orificiu filetat pentru atașarea unei bare de tensionare, cu care se reglează tensiunea curelei de antrenare a generatorului. Capacele sunt turnate din aliaj de aluminiu.
Pentru a reduce uzura, scaunul rulmentului cu bile in coperta din spate 7, iar găurile din suporturile capacului sunt întărite cu bucșe de oțel.
Capacele sunt echipate cu rulmenți cu bile 2 și 12 cu etanșări cu două fețe și lubrifiant pentru întreaga durată de viață a rulmentului.
Un ventilator extern 14 (Fig. 1) și un scripete 15 sunt atașate la capătul proeminent al arborelui rotorului 3. Capacele au ferestre de ventilație prin care trece aerul de răcire. Direcția de mișcare a aerului de răcire este de la capacul de pe partea laterală a inelelor colectoare la ventilator.
O unitate redresor 10, asamblată din supape de siliciu (diode) care să permită Temperatura de Operare carcasă plus 150°C.
Tipuri de redresoare
Unitate redresor VBG-1. (Fig. 4) constă din trei monoblocuri conectate într-un circuit redresor trifazat cu undă completă
Fiecare două supape redresoare sunt plasate într-un monobloc, care servește simultan ca radiator și miez conductor al punctului mijlociu al circuitului 3. În corpul radiatorului monobloc 4 există două prize în care joncțiunile p-n ale supapelor redresoare sunt amplasate. asamblate. Într-o priză, joncțiunea pn are o zonă p pe corp, iar în cealaltă, o zonă n. Zonele de tranziție opuse au cabluri flexibile 9, care conectează monoblocul la magistralele de conectare 2. Busul negativ al unității redresoare este conectat la carcasa generatorului. În proiectele ulterioare ale blocurilor redresoare BPV-4-45 (Fig. 4, b) pentru un curent de 45 A, sunt utilizate supape de siliciu de tip VA-20, care sunt presate în radiatoare 12 cu polaritate negativă și pozitivă, trei supape fiecare. Radiatoarele de căldură sunt izolate unele de altele prin bucșe izolatoare din plastic 13. Curentul invers al supapelor nu depășește 3 mA, iar al blocului asamblat -10 mA. Pentru generatoarele cu o putere maximă de până la 1200 Vt (G-228), se folosesc blocuri redresoare de siliciu VBG-7-G pentru un curent de 80 A (Fig. 4, c) sau BPV-7-100. Blocurile BPV-7T și BPV-7-100 folosesc supape VA-20, două în paralel în fiecare braț, șase supape în fiecare radiator. Bloc BPV-7-100 pentru curent 100 A și a acestuia schema electrica prezentat în Fig. 4, g.
Pentru a reduce nivelul de interferență radio în blocuri, VBR-7-G și BPV-7-100, un condensator cu o capacitate de 4,7 μF este instalat paralel cu bornele „+” și „-” ale generatorului. Forma generală supapa BA -20 este prezentată în Fig. 5. Curentul nominal al supapei este de 20 A. Pentru a simplifica circuitul, legăturile electrice Supapele sunt disponibile în două versiuni - cu polaritate directă și inversă față de carcase (Fig. 5, b). La supapele cu polaritate directă va fi „+” al curentului redresat pe corp, în supapele cu polaritate inversă va fi „-” al curentului redresat.
Supapele cu polaritate directă și inversă diferă prin culoarea marcajelor aplicate pe partea inferioară a carcasei. Supapele cu polaritate directă: („+” pe corp) sunt marcate cu vopsea roșie, iar supapele cu polaritate inversă („-” pe corp) sunt marcate cu vopsea neagră.
Supapă din silicon VA-20
Circuitul electric pentru conectarea înfășurărilor generatorului și redresoarelor este prezentat în Fig. 3, a. Când rotorul generatorului se rotește, în fiecare fază este indusă o tensiune alternativă, modificarea în care pe o perioadă este prezentată în Fig. 3, b. După îndreptare, curbele de tensiune de fază vor lua forma prezentată în Fig. 3, c. Tensiunea redresată va fi aproape constantă (linia 1 în Fig. 3, c), iar frecvența de ondulare a tensiunii redresate va fi de șase ori mai mare decât frecvența în înfășurările de fază (Yu.I. Borovskikh, „Design of automobiles, ” p. 183).
Odată cu creșterea vitezei de rotație, crește frecvența curentului indus în înfășurările de fază ale generatorului curent alternativ, iar rezistența inductivă a înfășurărilor crește. Prin urmare, la o frecvență mare de rotație a rotorului, când generatorul poate furniza putere maximă, nu există pericolul de supraîncărcare, deoarece curentul generatorului este limitat de reactanța inductivă crescută a înfășurărilor sale. Acesta este un fenomen la generatoare curent alternativ se numește proprietatea de auto-reținere. Generatoarele auto G-250, G-270, G-221 și altele sunt proiectate astfel încât să nu necesite un limitator de curent.
Proprietatea supapelor de a trece curentul doar într-o singură direcție (de la generator la baterie) elimină necesitatea instalării unui releu de curent invers în regulatorul releului. Astfel, un releu-regulator care funcționează cu generator auto curent alternativ, poate fi folosit doar un regulator de tensiune. Acest lucru simplifică semnificativ designul și reduce dimensiunea, greutatea și costul regulatorului cu releu. Căile de curent prin supapele redresoare pe măsură ce înfășurările primei faze trec prin polii nord și sud ai rotorului sunt prezentate în Fig. 3 și săgeți. După cum se poate observa din diagramă, dacă există un curent în înfășurările primei faze care este alternativ în direcție, curentul din circuitul de sarcină (Rн) va fi constant. Procesul are loc similar în alte faze.
II. ACEA. GENERATOR
Defecțiunile și defecțiunile generatorului sunt: circuit deschis sau scurtcircuit în înfășurarea statorului a generatorului sau în înfășurarea de excitație, contactul întrerupt al periilor cu inele și scânteia periilor, uzura lagărelor generatorului, ruperea sau slăbirea arcului suportului periei, defalcarea diodelor din redresor, slăbirea tensiunii (tensiune excesivă) a curelei de transmisie
Defecțiunile generatorului sunt detectate de citirile unui ampermetru sau ale unei lămpi de avertizare. Dacă generatorul este defect, ampermetrul va indica o descărcare, iar lampa de avertizare se va aprinde când motorul este pornit. Pierderea contactului dintre perii și inele se produce din contaminare, ardere sau uzură, ciobire sau uzură a periilor, precum și slăbirea sau spargerea arcurilor de presiune a periilor. Inelele contaminate trebuie șterse cu o cârpă curată, inelele arse trebuie curățate cu hârtie de sticlă, o perie uzată trebuie înlocuită cu una nouă și frecată peste inel.
III. DIAGNOSTICĂ GENERATOR
Diagnosticarea generatoarelor se reduce la verificarea tensiunii de limitare și a funcționalității generatorului. Pentru a efectua această operație, trebuie să conectați voltmetrul în paralel cu consumatorii de curent. Se verifică tensiunea de limitare cu consumatorii de curent (lumini de poziţie şi lumini de poziţie) aprinşi şi frecventa crescuta rotația arborelui cotit al motorului. Ar trebui să fie în intervalul 13,5-14,2 V. Performanța generatorului este evaluată de tensiune atunci când toți consumatorii sunt porniți la o viteză de rotație corespunzătoare puterii complete a generatorului, care trebuie să fie de cel puțin 12 V. Cu toate acestea , o astfel de tehnică de testare nu poate identifica defecțiuni caracteristice, deși rare ale generatorului, cum ar fi o întrerupere sau scurtcircuit al înfășurărilor statorului la masă, o întrerupere sau defecțiune a diodelor redresoare, din cauza rezervelor semnificative de performanță a generatorului.
Aceste defecțiuni sunt ușor de identificat prin aspectul caracteristic al oscilogramelor, asociat în primul rând cu o creștere a intervalului de fluctuații de tensiune. Când generatorul funcționează corect, intervalul de fluctuații de tensiune în rețea nu depășește 1-1,2 V, care este determinat de includerea periodică a înfășurării primare a bobinei de aprindere în circuitul de sarcină. Acest lucru poate fi citit cu ușurință de pe oscilograma unui tester de motoare (Elkon S-300, Elkon S-100A, K-461, K-488).
Cu o diodă ruptă (scurtificată), ca urmare a proprietăților sale de redresare, intervalul de fluctuații de tensiune crește la 2,5-3 V cu o scădere generală a frecvenței oscilațiilor sale. Nivelul mediu de tensiune afișat de voltmetru nu se modifică, totuși, supratensiunile duc la o scădere a durabilității bateriei și a altor elemente ale echipamentelor electrice (V.L. Rogovtsev, „Proiectarea și funcționarea autovehiculelor”, p. 391).
Astfel, utilizarea simultană a unui osciloscop și a unui voltmetru vă permite să diagnosticați rapid și obiectiv generatoarele și regulatoarele releu curent alternativ. Creșterea tensiunii generatorului cu 10-12% mai mult decât tensiunea nominală reduce durata de viață a bateriei de 2-3 ori.
Un generator defect este înlocuit sau reparat într-un atelier de electricitate, tensiunea de limitare a releului-regulator este reglată de tensiunea arcului armăturii, iar dacă acest lucru nu este posibil, releul-regulator este și el înlocuit. Regulatoarele cu relee cu tranzistori fără contact reglementează numai în condițiile magazinului electric.
29 GENERATOARE ELECTRICE CURENT ALTERNATIV
Domeniile științifice în care cercetarea s-a dovedit a fi la fel de fructuoasă ca și în domeniul curenților de înaltă frecvență sunt puține la număr. Proprietățile unice ale acestor curenți și natura uimitoare a fenomenelor pe care le-au demonstrat au captat imediat atenția tuturor. Oamenii de știință s-au arătat interesați de cercetarea în acest domeniu, inginerii s-au interesat de perspectiva aplicării lor industriale, iar medicii au văzut în ei un mijloc mult așteptat de a trata eficient bolile corporale. De când primele mele lucrări de cercetare au fost publicate în 1891, s-au scris sute de volume pe acest subiect și s-au tras nenumărate concluzii în legătură cu acest nou fenomen. Cu toate acestea, această direcție științifică și tehnologică este la început, iar viitorul păstrează în adâncul său ceva incomparabil mai semnificativ.
Am fost conștient de la bun început de necesitatea urgentă de instrumente eficiente pentru a răspunde cerințelor în creștere rapidă și, în decurs de opt ani, îndeplinind în mod constant promisiunile făcute anterior, am dezvoltat nu mai puțin de cincizeci de tipuri de convertoare de curent alternativ, sau generatoare electrice, perfectă din toate punctele de vedere și dusă într-o asemenea măsură perfecțiune, încât nici acum niciunul dintre ei nu a putut aduce îmbunătățiri semnificative. Dacă m-aș fi ghidat după considerente practice, poate aș fi deschis o afacere magnifică și profitabilă, oferind servicii semnificative omenirii pe parcurs. Dar forța circumstanțelor și perspectivele fără precedent pentru realizări și mai mari mi-au îndreptat eforturile într-o altă direcție. Și acum totul merge până la punctul în care în curând vor fi vândute pe piață dispozitive care, în mod ciudat, au fost create acum douăzeci de ani!
Aceste generatoare sunt special concepute pentru a funcționa în rețele de iluminat DC și AC, creând oscilații amortizate și neamortizate cu o frecvență, amplitudine și tensiune stabilite în gamă largă. Sunt compacte, autonome, nu necesită întreținere pentru o perioadă lungă de timp și vor fi considerate foarte convenabile și utile în diverse domenii, de exemplu, pentru telegraf și telefon fără fir; pentru conversie energie electrica; pentru formarea compușilor chimici prin fuziune și adăugare; pentru sinteza gazelor; pentru producerea de ozon; pentru iluminarea, sudarea, prevenirea sanitară și dezinfecția spațiilor municipale, medicale și rezidențiale, precum și pentru multe alte scopuri în laboratoare stiintificeși pe întreprinderile industriale. Deși aceste convertoare nu au fost niciodată descrise înainte, principii generale dispozitivele lor sunt prezentate integral în publicațiile și brevetele mele, mai complet datate 22 septembrie 1896 și, prin urmare, cred, mai multe fotografii atașate și însoțitoare. scurtă explicație Ei vor oferi informații complete, dacă este necesar.
Părțile principale ale unui astfel de generator sunt un condensator, o bobină de auto-inducție pentru acumularea de potențial ridicat, un chopper și un transformator, care este alimentat de descărcări periodice ale condensatorului. Dispozitivul include cel puțin trei și, de obicei, patru, cinci sau șase elemente de reglare; Reglarea eficienței se realizează în mai multe moduri, cel mai adesea folosind un simplu șurub de reglare. În condiții favorabile se poate obține o eficiență de până la 85%, ceea ce înseamnă că energia furnizată de sursa de alimentare poate fi regenerată în circuitul secundar al transformatorului. În timp ce principalul avantaj al unui aparat de acest tip se datorează în mod clar capacităților remarcabile ale condensatorului, anumite calități specifice sunt consecința formării unui circuit în serie, cu condiția ca relațiile armonice exacte să fie respectate și pierderile de frecare și alte pierderi să fie minimizate, care este unul dintre principalele obiecte ale acestui proiect.
În general, instrumentele pot fi împărțite în două clase: una în care întrerupătorul are contacte solide, iar cealaltă în care facerea și ruperea sunt efectuate cu ajutorul mercurului. Ilustrațiile de la 1 la 8 inclusiv arată primul tip, iar restul îl arată pe al doilea. Primele sunt capabile să atingă o eficiență mai mare, ținând cont de faptul că pierderile de la fabricare și rupere sunt reduse la minimum, iar rezistența tranzitorie care provoacă amortizarea oscilațiilor este scăzută. Acestea din urmă sunt de preferat să fie utilizate în cazurile în care putere mare de ieșire și număr mare deschideri pe secundă. motorul și întrerupătorul consumă, desigur, o anumită cantitate de energie, a cărei pondere va fi însă mai mică, cu atât puterea instalației este mai mare.
Ilustrația 1 prezintă unul dintre primele tipuri de generatoare construite în scopuri experimentale. Condensatorul este plasat într-o cutie dreptunghiulară din mahon, pe care este montată o bobină de autoinducție, ale cărei spire, subliniez, sunt împărțite în două secțiuni conectate în paralel sau în serie în funcție de tensiunea de alimentare de 110 sau 220. volți. Din cutie ies patru tije de cupru cu o placă fixată pe ele cu contacte cu arc și șuruburi de reglare; Deasupra cutiei sunt două terminale masive conectate la înfășurarea primară a transformatorului. Două tije sunt destinate conectării la condensator, iar celelalte două sunt folosite pentru a se conecta la bornele comutatorului din fața bobinei de auto-inducție și a condensatorului. Înfășurarea primară a transformatorului constă din mai multe spire de bandă de cupru, la capete ale căror pini scurti sunt lipiți, corespunzând exact bornelor destinate acestora. Înfășurarea secundară este formată din două părți, înfășurate în așa fel încât să reducă cât mai mult posibil capacitatea proprie și, în același timp, să permită bobinei să reziste la o tensiune foarte mare între bornele sale din centru, care sunt conectate la bornele de pe doi stâlpi de cauciuc proeminenti. Ordinea conexiunilor în circuit poate varia oarecum, dar acestea sunt în general așa cum sunt prezentate schematic în numărul din mai al Electrical Experimenter de la pagina 89, unde despre care vorbim despre transformatorul meu, conceput să funcționeze în generatoare de curent alternativ, a cărui fotografie este plasată la pagina 16 a aceluiași număr al revistei. Principiul de funcționare al dispozitivului este următorul. Când întrerupătorul este pornit, curentul de la sursa de alimentare trece prin bobina de auto-inducție, magnetizând miezul de fier din interiorul acesteia și deconectând contactele întreruptorului. curentul indus încarcă condensatorul la o tensiune ridicată, iar după ce contactele sunt închise, energia acumulată este descărcată prin înfășurarea primară, provocând o serie lungă de oscilații care excită înfășurarea secundară reglată.
Il. 1. Generator creat în scop experimental
Dispozitivul s-a dovedit a fi extrem de util în realizarea a tot felul de experimente de laborator. De exemplu, la studierea fenomenelor de impedanță, transformatorul a fost îndepărtat și o placă de cupru îndoită a fost conectată la borne. Placa a fost adesea înlocuită cu o bobină inelară mare pentru a demonstra fenomenele de inducție la distanță, adică capacitatea de a excita circuitele rezonante utilizate în diferite studii și măsurători. Un transformator potrivit pentru orice aplicație poate fi ușor fabricat și conectat la orice intrare, obținând astfel mari economii de timp și forță de muncă. Contrar presupunerilor, starea contactelor întreruptorului nu a cauzat prea multe probleme, în ciuda faptului că curentul care trecea prin ele era mare, adică în prezența rezonanței. curent puternic a avut loc numai când circuitul a fost închis, iar posibilitatea formării unui arc distructiv a fost exclusă. Inițial am folosit contacte de platină și iridiu, ulterior am înlocuit materialul cu material meteorit și, în final, m-am așezat pe wolfram. Acesta din urmă a adus cele mai multe satisfacții, deoarece permitea munca continuă timp de multe ore și zile.
Ilustrația 2 prezintă un mic generator proiectat pentru anumite scopuri speciale. Dezvoltarea sa bazat pe ideea de a obține energii mari într-o perioadă foarte scurtă de timp după o pauză relativ lungă. În acest scop, s-a folosit o bobină cu auto-inductanță mare și un tocător acțiune rapidă. Datorită acestei construcții, condensatorul a fost încărcat la un potențial ridicat. În înfășurarea secundară s-au obținut curent alternativ rapid și descărcări mari de scântei, potrivite pentru sudarea firelor subțiri, pentru iluminarea lămpilor cu incandescență, pentru aprinderea amestecurilor explozive și alte aplicații similare. Acest aparat a fost, de asemenea, adaptat pentru a fi alimentat cu baterii, iar această modificare s-a dovedit foarte eficientă ca aprindere pentru motoarele pe gaz, pentru care mi-a fost acordat brevetul cu numărul 609250, din 16 august 1898. Figura 3 reprezintă un generator mare de primă clasă conceput pentru experimente în transmisie, recepție fără fir raze Xși alte cercetări științifice. Este format dintr-o cutie și doi condensatori plasați în interiorul acesteia, având o astfel de capacitate încât bobina de încărcare și transformatorul să reziste. Întrerupătorul, comutatorul manual și bornele de conectare sunt montate pe panoul frontal al bobinei de autoinducție în același mod ca unul dintre arcurile de contact. Corpul condensatorului are trei borne, dintre care cele două extreme servesc doar pentru conectare, în timp ce cel din mijloc este echipat cu o placă de contact cu șurub pentru reglarea intervalului în care circuitul este închis. Arcul vibrant, a cărui unică funcție este de a provoca deschideri periodice, poate fi reglat variind gradul său de compresie, precum și distanța sa față de miezul de fier situat în centrul bobinei de încărcare, prin intermediul a patru șuruburi de reglare, care sunt vizibil în panoul de sus, care oferă orice mod de reglare mecanică dorit. Înfășurarea primară a transformatorului este realizată din bandă de cupru, iar bornele sunt realizate în puncte adecvate pentru a varia în mod arbitrar numărul de spire. La fel ca în oscilatorul prezentat în Figura 1, bobina de auto-inducție are o înfășurare cu două secțiuni, astfel încât dispozitivul să poată funcționa de la o tensiune de rețea de 110 și 220 de volți; au fost prevăzute și mai multe înfășurări secundare, corespunzătoare undelor de lungimi diferite în înfășurarea primară. Puterea de ieșire a fost de aproximativ 500 de wați la oscilații amortizate aproximativ 50.000 de cicluri pe secundă. Au apărut oscilații continue pentru perioade scurte de timp când arcul de vibrație, care era apăsat strâns pe miezul de fier, era comprimat și când contactele erau deconectate cu ajutorul unui șurub de reglare, care servea și ca cheie. Cu ajutorul acestui generator am făcut o serie de observații importante și una dintre aceste mașini a fost prezentată la o prelegere la Academia de Științe din New York în 1897.
Il. 2. Mic oscilator Tesla conceput ca un aprindetor pentru motoarele pe gaz
Il. 3. Oscilator Tesla mare, conceput pentru experimente pe transmisie fără fir
Il. 7 . Transformator mare Tesla
Il. 8. Convertor tocator rotativ utilizat pentru experimente de transmisie fără fir
Figura 4 prezintă un tip de transformator identic din toate punctele de vedere cu cel prezentat în numărul deja menționat din mai 1919 al Electrical Experimenter. Este format din aceleași părți de bază plasate la fel, dar este conceput special pentru surse de alimentare de la 220 la 500 volți și mai sus. Reglarea se face prin instalarea arcului de contact și deplasarea miezului de fier în sus și în jos în interiorul bobinei de inducție folosind două șuruburi de reglare. Pentru a preveni deteriorarea de la scurt circuit incluse în linia electrică sigurante. În timpul fotografierii, dispozitivul a funcționat, generând oscilații continue dintr-o rețea de iluminat de 220 de volți.
Figura 5 reprezintă o modificare ulterioară a transformatorului, destinată în primul rând înlocuirii bobinelor Ruhmkorff. În acest caz, se utilizează o înfășurare primară cu un număr semnificativ mai mare de spire, iar secundarul este situat în imediata apropiere a acestuia. curenții generați în acesta din urmă, cu o tensiune de 10.000 până la 30.000 de volți, sunt utilizați de obicei pentru a încărca condensatoare și a alimenta o bobină autonomă de înaltă frecvență. Mecanismul de control este proiectat ușor diferit, dar ambele părți - miezul și arcul de contact - sunt reglabile, ca și înainte.
Figura 6 prezintă un mic dispozitiv dintr-o serie de astfel de dispozitive, destinate, în special, producerii de ozon sau dezinfectării. Este extrem de eficient pentru dimensiunea sa și poate fi conectat la 110 sau 220 volți DC sau curent alternativ, primul este de preferat.
Il. 9. Transformator și întrerupător de mercur
Il. 10. Convertor mare Teslas cu o cameră etanșă și un controler de mercur
Figura 7 prezintă un transformator mai mare din această serie. Design și aspect componente a rămas la fel, dar există doi condensatori în carcasă, dintre care unul este inclus în circuitul bobinei, ca în modelele anterioare, în timp ce celălalt este conectat în paralel cu înfășurarea primară. Astfel, în acesta din urmă se formează curenți mari și, în consecință, efectele în circuitul secundar sunt sporite. Introducerea unui circuit rezonant suplimentar oferă și alte avantaje, dar reglarea este mai dificilă și, prin urmare, este de dorit să se folosească un aparat de acest fel pentru a obține curenți de o anumită frecvență constantă.
Il. 11. Generator Tesla cu inchis ermetic spargator de mercur, conceput pentru generatoare de joasă tensiune
Il. 13. Un alt tip de convertor curent alternativ cu inchis ermetic spargator de mercur
Il. 14. Diagrama și aspectul părților modelului prezentat în ilustrația 13
Figura 8 prezintă un transformator cu un tocator rotativ. Carcasa contine doi condensatori de aceeasi capacitate, care pot fi conectati in serie sau in paralel. Inductoarele de încărcare iau forma a două bobine lungi pe care sunt plasate două terminale ale circuitului secundar. Pentru a acționa un întrerupător special proiectat, se folosește un mic motor DC, a cărui viteză poate varia foarte mult. În alte privințe, acest generator este similar cu modelul prezentat în Ilustrația 3, iar din cele de mai sus este ușor de înțeles cum funcționează. Acest transformator a fost folosit de mine în experimente privind transmisia fără fir și adesea pentru iluminarea laboratorului cu tuburile mele vidate și a fost, de asemenea, expus în timpul prelegerii menționate mai sus pe care am susținut-o în fața Academiei de Științe din New York.
Acum să trecem la a doua clasă de mașini, dintre care una este convertorul de curent alternativ prezentat în ilustrația 9. Circuitul său include un condensator și o bobină de inducție de încărcare, care sunt plasate într-o cameră, un transformator și un tocător de mercur. Designul acestuia din urmă a fost descris pentru prima dată în brevetul meu nr. 609251 din 16 august 1898. este format dintr-un tambur gol antrenat de un motor electric cu o cantitate mică de mercur în interior, care este aruncat prin forța centrifugă pe pereții cavității și poartă cu el un disc de contact care închide și deschide periodic circuitul condensatorului. Folosind șuruburile de reglare de deasupra tamburului, puteți modifica la voință adâncimea de scufundare a lamelor și, prin urmare, durata fiecărui contact, și astfel reglați caracteristicile întrerupătorului. Acest tip de întrerupător a îndeplinit toate cerințele, deoarece a funcționat corespunzător cu curenți de la 20 la 25 de amperi. Numărul de întreruperi pe secundă a fost de obicei între 500 și 1000, dar au fost posibile rate mai mari. Întreaga unitate măsoară 10" x 8" x 10" și are o putere de ieșire de aproximativ 1/2 kW.
În convertorul descris aici, tocatorul este expus atmosferei și are loc oxidarea treptată a mercurului. Dispozitivul prezentat în ilustrația 10 nu are acest dezavantaj. Are o carcasă metalică perforată, în interiorul căreia se află un condensator și o bobină de inducție de încărcare, iar deasupra acestuia se află un motor tocator și un transformator.
Il. 15 și 16. Convertor Tesla cu închis ermetic spargator de mercur, a cărui funcționare este reglată de gravitație; ansambluri motor și întrerupător
Tipul de întrerupător cu mercur care va fi descris funcționează pe principiul unui jet care, prin pulsație, face contact cu un disc rotativ din interiorul tamburului. Părțile staționare sunt fixate în interiorul camerei printr-o tijă care se extinde pe lungimea tamburului tubular, iar o etanșare cu mercur este utilizată pentru a etanșa camera care conține întrerupătorul. Trecerea curentului în tambur se realizează prin două inele de glisare situate deasupra, care sunt conectate în serie cu condensatorul și înfășurarea primară. Excluderea oxigenului este o îmbunătățire incontestabilă care elimină oxidarea metalelor și dificultățile asociate și menține condițiile de funcționare în orice moment.
Figura 11 prezintă un generator cu un dispozitiv închis ermetic spargator de mercur. În acest dispozitiv, părțile staționare ale întreruptorului din interiorul tamburului sunt montate pe un tub prin care trece un fir izolat, conectat la un terminal al comutatorului, în timp ce celălalt terminal este conectat la rezervor. Acest lucru a făcut inelele glisante inutile și a simplificat designul. Dispozitivul este conceput pentru generatoare cu tensiune și frecvență joasă, care necesită un curent relativ mic în înfășurarea primară și a fost folosit pentru a excita circuite rezonante.
Ilustrația 12 reprezintă un model îmbunătățit al oscilatorului descris în Ilustrația 10. În acest model, tija de sprijin din interiorul tamburului tubular a fost eliminată, iar dispozitivul de injectare a mercurului este menținut pe loc prin gravitație. O descriere mai detaliată va fi dată în legătură cu o altă ilustrare. Atât capacitatea condensatorului, cât și numărul de spire ale circuitului primar pot fi modificate pentru a putea genera oscilații în mai multe moduri de frecvență.
Figura 13 este o reprezentare fotografică a unui alt tip de generator. curent alternativ cu inchis ermetic spargator de mercur, iar Ilustrația 14 este o diagramă de circuit și aranjarea pieselor, care este reprodusă din brevetul meu nr. 609245, din 16 august 1898, care descrie acest dispozitiv special. Condensatorul, bobina de inducție, transformatorul și întrerupătorul sunt amplasate ca înainte, dar acesta din urmă are diferențe structurale, care vor deveni clare după luarea în considerare a acestui circuit. Tambur gol A conectat la axa c, care este montat cu un lagăr vertical și trece printr-un electromagnet de câmp permanent d motor. Corpul este ranforsat in interiorul tamburului pe rulmenti de rulare h dintr-o substanță magnetică protejată de un capac b în centrul unui inel de fier în formă de placă, cu piese polare oo, pe care sunt spirale conectate la curent R. Inelul este susținut de patru stâlpi, iar în stare magnetizată ține corpul hîntr-o singură poziție în timp ce tamburul se rotește. Acesta din urmă este din oțel, iar capacul este mai bine din nichel argint, înnegrit cu acid sau nichelat. Corp h are un tub scurt k,îndoit, așa cum se arată, pentru a prinde lichidul în timp ce se rotește și a-l arunca pe dinții unui disc atașat de tambur. Discul este izolat, iar contactul dintre acesta și circuitul extern se realizează printr-o pâlnie de mercur. Când tamburul se rotește rapid, un curent de metal lichid este aruncat pe disc, închizând și deschizând astfel contactul de aproximativ 1.000 de ori pe secundă. Aparatul funcționează silențios și, datorită absenței unui mediu oxidant, rămâne constant curat și în stare excelentă. Este posibil, totuși, să se realizeze un număr mult mai mare de oscilații pe secundă pentru a face curenții potriviți pentru telefonia fără fir și alte scopuri similare.
Un tip modificat de oscilator este prezentat în Ilustrațiile 15 și 16, prima fiind o reprezentare fotografică, iar a doua o diagramă care arată dispunerea părților interne ale regulatorului. În acest caz arborele b. container tubular portant A, sprijinită pe rulmenți, conectați la ax j. de care este atașată sarcina k. izolat de acesta din urmă, dar conectat mecanic la acesta, suport îndoit L servește drept suport pentru discul care se rotește liber al ruptorului cu dinți. Discul este conectat la circuitul exterior prin intermediul unei pâlnii de mercur și a unui dop izolat care iese din partea superioară a arborelui. Datorită poziției înclinate a motorului electric, sarcina kține discul întrerupător pe loc prin gravitație și, pe măsură ce arborele se rotește, circuitul format din condensator și bobina primară este închis și deschis rapid.
Il. 17. Convertor Tesla cu dispozitiv de întrerupere sub formă de jet de mercur
Figura 17 prezintă un aparat identic în care întrerupătorul este un flux de mercur care lovește o roată dințată izolată, care se află pe un știft izolat în centrul capacului tamburului, așa cum se vede în fotografie. Conexiunea la condensator se face prin perii situate pe acelasi capac.
Figura 18 - tip convertor cu spargator de mercur folosind un disc modificat în unele detalii care trebuie luate în considerare cu atenție.
Aici sunt prezentate doar câteva dintre convertoarele de curent alternativ care au fost finalizate și ele formează o mică parte din aparatul de înaltă frecvență a căruia sper să vă prezint o descriere detaliată mai târziu, când voi fi liber de obligații presante.
Il. 18. Convertor Tesla cu spargator de mercur folosind un disc
Alternator
Descriere:
Alternator. Dispozitiv și principiu de funcționare.
Termenul „generație” în inginerie electrică provine din latină. Înseamnă „naștere”. În ceea ce privește energia, putem spune că se numesc generatoare dispozitive tehnice angajate în producerea de energie electrică.
Trebuie remarcat faptul că curentul electric poate fi produs prin conversie tipuri variate energie, de exemplu:
chimic;
ușoară;
termice si altele.
Din punct de vedere istoric, generatoarele sunt structuri care convertesc energia cinetică de rotație în electricitate.
În funcție de tipul de energie electrică generată, generatoarele sunt:
1. DC;
2. variabilă.
Legile fizice care ne permit să creăm modern instalații electrice pentru generarea de energie electrică prin transformarea energiei mecanice, descoperită de oamenii de știință Oersted și Faraday.
În proiectarea oricărui generator, se realizează atunci când curentul electric este indus într-un cadru închis datorită intersecției sale cu un câmp magnetic rotativ, care este creat în modele simplificate uz casnic sau înfăşurări de excitaţie pe produse industriale de mare putere.
Când cadrul se rotește, mărimea fluxului magnetic se modifică.
Forța electromotoare indusă în bobină depinde de viteza de schimbare a fluxului magnetic care trece prin cadru într-o buclă închisă S și este direct proporțională cu valoarea acestuia. Cu cât rotorul se rotește mai repede, cu atât este mai mare tensiunea generată.
Pentru a crea un circuit închis și a elimina curentul electric din acesta, a fost necesar să se creeze un colector și un ansamblu perie care să asigure contact constantîntre cadrul rotativ și partea staționară a circuitului.
Datorită designului periilor cu arc, care sunt apăsate pe plăcile comutatorului, curentul electric este transmis la bornele de ieșire, iar din acestea curge apoi în rețeaua de consumatori.
Principiul de funcționare al celui mai simplu generator de curent continuu
Când cadrul se rotește în jurul axei sale, jumătățile sale stânga și dreaptă trec ciclic lângă polul sud sau nord al magneților. În ele, de fiecare dată direcțiile curenților se schimbă în sens opus astfel încât la fiecare pol să curgă într-o singură direcție.
Pentru a crea un curent continuu în circuitul de ieșire, pe nodul colector este creat un semi-inel pentru fiecare jumătate a înfășurării. Periile adiacente inelului îndepărtează doar potențialul semnului lor: pozitiv sau negativ.
Deoarece jumătatea inelului cadrului rotativ este deschis, în el se creează momente când ajunge curentul valoare maximă sau lipsă. Pentru a menține nu numai direcția, ci și o valoare constantă a tensiunii generate, cadrul este realizat folosind o tehnologie special pregătită:
folosește nu o tură, ci mai multe - în funcție de valoarea tensiunii planificate;
numărul de cadre nu este limitat la o copie: ele încearcă să le facă suficiente pentru a menține în mod optim căderile de tensiune la același nivel.
Pentru un generator de curent continuu, înfășurările rotorului sunt amplasate în fante. Acest lucru vă permite să reduceți pierderile de câmp electromagnetic indus.
Caracteristicile de proiectare ale generatoarelor de curent continuu
Principalele elemente ale dispozitivului sunt:
cadru extern de alimentare;
poli magnetici;
stator;
rotor rotativ;
unitate de comutare cu perii.
Corpul este realizat din aliaje de oțel sau fontă pentru a oferi rezistență mecanică structurii generale. O sarcină suplimentară a carcasei este transmiterea fluxului magnetic între poli.
Polii magnetici sunt atașați la carcasă cu știfturi sau șuruburi. Pe ele este montată o înfășurare.
Statorul, numit și jug sau miez, este realizat din materiale feromagnetice. Pe ea este plasată bobina de excitație. Miezul statorului echipat cu poli magnetici care formează câmpul său de forță magnetică.
Rotorul are un sinonim: ancora. Miezul său magnetic este format din plăci laminate, care reduc formarea de curenți turbionari și cresc eficiența. Canelurile miezului conțin rotorul și/sau înfășurările cu autoexcitare.
Nod de comutare cu perii pot avea cantități diferite poli, dar este întotdeauna un multiplu de doi. Materialul periei este de obicei grafit. Plăcile colectoare sunt realizate din cupru, ca fiind cel mai optim metal potrivit pentru proprietățile electrice ale conductivității curentului.
Datorită utilizării unui comutator, un semnal pulsatoriu este generat la bornele de ieșire ale generatorului de curent continuu.
Principalele tipuri de modele de generatoare de curent continuu
În funcție de tipul de alimentare a înfășurării de excitație, dispozitivele se disting:
1. cu autoexcitare;
2. lucrând pe baza incluziunii independente.
Primele produse pot:
utilizați magneți permanenți;
sau lucrați din surse externe, de exemplu, baterii, energie eoliană...
Generatoarele cu comutare independentă funcționează din propria înfășurare, care poate fi conectată:
secvenţial;
șunturi sau excitație paralelă.
Una dintre opțiunile pentru o astfel de conexiune este prezentată în diagramă.
Un exemplu de generator de curent continuu este un design care anterior a fost adesea folosit în aplicații auto. Structura sa este aceeași cu cea a unui motor asincron.
Astfel de structuri colectoare sunt capabile să funcționeze simultan în modul motor sau generator. Datorită acestui fapt, acestea s-au răspândit în mașinile hibride existente.
Procesul de formare a unei reacții de ancorare
Apare în modul inactiv atunci când forța de apăsare a periei este reglată incorect, creând un mod neoptim al frecării acestora. Acest lucru poate duce la câmpuri magnetice reduse sau un incendiu din cauza generării crescute de scântei.
Modalitățile de reducere a acestuia sunt:
compensarea câmpurilor magnetice prin conectarea unor poli suplimentari;
reglarea deplasării poziţiei periilor de comutator.
Avantajele generatoarelor de curent continuu
Acestea includ:
fără pierderi din cauza histerezisului și formării de curenți turbionari;
lucrează în condiții extreme;
greutate redusă și dimensiuni reduse.
Principiul de funcționare al celui mai simplu generator de curent alternativ
În interiorul acestui design sunt folosite aceleași părți ca și în analogul anterior:
un câmp magnetic;
cadru rotativ;
unitate colectoare cu perii pentru scurgerea curentului.
Principala diferență constă în designul unității de comutator, care este creat în așa fel încât atunci când cadrul se rotește prin perii, contactul este constant creat cu jumătatea sa din cadrul, fără a schimba ciclic poziția acestora.
Datorită acestui fapt, curentul, modificându-se conform legilor armonicelor în fiecare jumătate, este transmis complet neschimbat la perii și apoi prin acestea către circuitul de consum.
Desigur, cadrul este creat prin înfășurarea nu a unei spire, ci a unui număr calculat de spire pentru a obține o tensiune optimă.
Astfel, principiul de funcționare al generatoarelor de curent continuu și alternativ este comun, iar diferențele de proiectare se află în producție:
unitate colectoare cu rotor rotativ;
configurații de înfășurare pe rotor.
Caracteristici de proiectare ale generatoarelor industriale de curent alternativ
Să luăm în considerare principalele părți ale unui generator industrial de inducție, în care rotorul primește mișcare de rotație de la o turbină din apropiere. Designul statorului include un electromagnet (deși câmpul magnetic poate fi creat de un set de magneți permanenți) și o înfășurare a rotorului cu un anumit număr de spire.
În interiorul fiecărei spire este indusă o forță electromotoare, care se adună secvențial în fiecare dintre ele și formează la bornele de ieșire valoarea totală a tensiunii furnizate circuitului de putere al consumatorilor conectați.
Pentru a crește amplitudinea EMF la ieșirea generatorului, se utilizează un design special al sistemului magnetic, realizat din două miezuri magnetice prin utilizarea unor clase speciale de oțel electric sub formă de plăci laminate cu caneluri. În interiorul lor sunt montate înfășurări.
Carcasa generatorului conține un miez de stator cu fante pentru a găzdui o înfășurare care creează un câmp magnetic.
Rotorul care se rotește pe rulmenți are și un circuit magnetic cu caneluri, în interiorul căruia este montată o înfășurare care primește fem-ul indus. În mod obișnuit, se alege o direcție orizontală pentru a plasa axa de rotație, deși există modele de generatoare cu un aranjament vertical și un design de rulment corespunzător.
Se creează întotdeauna un spațiu între stator și rotor, care este necesar pentru a asigura rotația și pentru a evita blocarea. Dar, în același timp, are loc o pierdere de energie de inducție magnetică. Prin urmare, încearcă să o facă cât mai minim posibil, ținând cont în mod optim de ambele cerințe.
Excitatorul, situat pe același arbore cu rotorul, este un generator electric de curent continuu cu putere relativ scăzută. Scopul său este de a furniza energie electrică înfășurărilor unui generator de energie într-o stare de excitație independentă.
Astfel de excitatoare sunt cel mai adesea utilizate cu modelele de turbine sau generatoare electrice hidraulice atunci când se creează metoda principală sau de rezervă de excitare.
Imaginea unui generator industrial arată locația inelelor de comutator și a periilor pentru colectarea curenților din structura rotorului rotativ. În timpul funcționării, această unitate suferă sarcini mecanice și electrice constante. Pentru a le depăși, se creează o structură complexă, care în timpul funcționării necesită inspecții periodice și măsuri preventive.
Pentru a reduce costurile de operare create, alta tehnologie alternativă, care folosește și interacțiunea dintre rotație câmpuri electromagnetice. Pe rotor sunt plasați doar magneți permanenți sau electrici, iar tensiunea este îndepărtată dintr-o înfășurare staționară.
Atunci când se creează un astfel de circuit, un astfel de design poate fi numit termenul „alternator”. Se foloseste la generatoarele sincrone: de inalta frecventa, auto, pe locomotive si nave diesel, instalatii centrale electrice energie pentru producerea de energie electrică.
Caracteristicile generatoarelor sincrone
Principiul de funcționare
Titlu și semn distinctiv acțiunea constă în crearea unei legături rigide între frecvența forței electromotoare alternante indusă în înfășurarea statorului „f” și rotația rotorului.
În stator este montată o înfășurare trifazată, iar pe rotor există un electromagnet cu un miez și o înfășurare de excitație, alimentat din circuite de curent continuu printr-un ansamblu comutator cu perii.
Rotorul este antrenat în rotație de o sursă de energie mecanică - un motor de antrenare - la aceeași viteză. Câmpul său magnetic face aceeași mișcare.
Forțe electromotoare de mărime egală, dar deplasate cu 120 de grade în direcție, sunt induse în înfășurările statorului, creând un sistem simetric trifazat.
Când sunt conectate la capetele înfășurărilor circuitelor de consum, încep să acționeze curenții de fază din circuit, care formează un câmp magnetic care se rotește în același mod: sincron.
Forma semnalului de ieșire al EMF indus depinde numai de legea de distribuție a vectorului de inducție magnetică în interiorul golului dintre polii rotorului și plăcile statorului. Prin urmare, ei se străduiesc să creeze un astfel de design atunci când magnitudinea inducției se modifică conform unei legi sinusoidale.
Când decalajul are caracteristică permanentă, atunci vectorul de inducție magnetică din interiorul golului este creat sub forma unui trapez, așa cum se arată în graficul cu linii 1.
Dacă forma muchiilor de la poli este corectată în oblică cu golul schimbându-se la valoarea maximă, atunci se poate obține o formă de distribuție sinusoidală, așa cum se arată în linia 2. Această tehnică este utilizată în practică.
Circuite de excitare pentru generatoare sincrone
Forța magnetomotoare care apare pe înfășurarea de excitație „OB” a rotorului creează câmpul magnetic al acestuia. În acest scop, există diferite modele de excitatoare DC bazate pe:
1. metoda de contact;
2. metoda fără contact.
În primul caz, se folosește un generator separat, numit excitator „B”. Înfășurarea sa de excitație este alimentată de un generator suplimentar conform principiului excitației paralele, numit subexcitator „PV”.
Toate rotoarele sunt plasate pe un arbore comun. Din acest motiv, se rotesc exact la fel. Reostatele r1 și r2 servesc la reglarea curenților în circuitele excitator și subexcitator.
Cu o metodă fără contact Nu există inele colectoare ale rotorului. O înfășurare de excitație trifazată este montată direct pe ea. Se rotește sincron cu rotorul și transmite curent electric direct printr-un redresor co-rotativ direct către înfășurarea excitatorului „B”.
Tipurile de circuite fără contact sunt:
1. sistem de autoexcitare din propria înfășurare a statorului;
2. schema automatizata.
Cu prima metodă tensiunea de la înfășurările statorului este furnizată unui transformator descendente și apoi unui redresor semiconductor „PP”, care generează curent continuu.
În această metodă, excitația inițială este creată din cauza fenomenului de magnetism rezidual.
O schemă automată pentru crearea autoexcitației include utilizarea:
transformator de tensiune TN;
regulator de excitație automat AVR;
transformator de curent CT;
transformator redresor VT;
convertor tiristor TP;
Unitate de protecție BZ.
Caracteristicile generatoarelor asincrone
Diferența fundamentală dintre aceste modele este absența unei conexiuni rigide între viteza rotorului (nr) și EMF indus în înfășurare (n). Există întotdeauna o diferență între ele, care se numește „alunecare”. Este notat cu litera latină „S” și exprimat prin formula S=(n-nr)/n.
Când o sarcină este conectată la generator, se creează un cuplu de frânare pentru a roti rotorul. Afectează frecvența EMF generată și creează o alunecare negativă.
Structura rotorului generatoarelor asincrone este realizată:
circuit scurt;
fază;
gol.
Generatoarele asincrone pot avea:
1. excitaţie independentă;
2. autoexcitare.
În primul caz este folosit sursă externă tensiune alternativă, iar în al doilea - convertoare semiconductoare sau condensatoare în primar, secundar sau ambele tipuri de circuite.
Astfel, generatoarele de curent alternativ și continuu au multe caracteristici comune în principiile construcției, dar diferă în proiectarea anumitor elemente.
Dacă un magnet permanent se rotește deasupra unui miez cu o bobină atașată, câmpul magnetic din jurul bobinei se va schimba continuu și, datorită fenomenului de inducție electromagnetică, va apărea în el un curent indus alternativ. Un generator de curent alternativ cu inducție funcționează pe acest principiu, în care energia mecanică este transformată în energie electrică.
|
Circuitul unui generator de curent alternativ cu inducție utilizat pe biciclete este prezentat în Figura 24.5. Când un magnet permanent cu opt poli, rotorul 1, se rotește, apare o fem în înfășurarea statorului 2. Conectat la capetele 3 și 4 ale înfășurării, becul 5 este alimentat. Figura 24.6 prezintă o secțiune transversală a unui generator industrial. Partea staționară a generatorului, adică statorul 1, este un cadru realizat din foi de oțel electric magnetic moale. Statorul are o înfășurare din sârmă groasă de cupru. Partea rotativă a generatorului - rotorul 2 - este un electromagnet, din care înfășurarea 3 este alimentată de un generator special de curent continuu - excitator. Când rotorul se rotește, câmpul magnetic care pătrunde în înfășurarea statorului se modifică periodic, datorită faptului că în acesta este indusă o fem indusă variabilă. Centralele termice folosesc turbine cu abur pentru rotirea rotorului. |
Curentul alternativ are o serie de proprietăți similare cu cele ale curentului continuu, dar unele dintre proprietățile sale sunt diferite de cele ale curentului continuu.
Deci, curgând prin conductori, curentul alternativ le încălzește (la fel ca și curentul continuu). Această proprietate este utilizată în dispozitivele electrice de încălzire și lămpi electrice incandescent
În jurul conductorilor prin care trece curentul alternativ, există în mod necesar un câmp magnetic, dar acesta, ca și curentul, este variabil. Într-un electromagnet alimentat cu curent alternativ de la rețea, polaritatea capetelor circuitului magnetic (miez) se modifică de 50 de ori pe secundă.
Este ușor de verificat că un motor cu comutator bobinat în serie poate funcționa atunci când este alimentat cu curent alternativ. Astfel de motoare sunt folosite în multe aparate de uz casnic (aspirator, storcator, ventilator etc.). Într-adevăr, atunci când polaritatea polilor inductorului se schimbă, direcția curentului din armătură se schimbă simultan, astfel încât armătura va continua să se rotească în aceeași direcție.
ÎNTREBĂRI DE CONTROL
1. Care este principiul de funcționare al unui generator de inducție?
2. Ce proprietăți ale curentului alternativ cunoașteți?
3. Care sunt dispozitivele unui turbo cu inducție și generator de hidrogen? Explica cu poze.
4. De ce rotorul turbogeneratorului are o pereche de poli, în timp ce hidrogeneratorul are mulți?
Exerciții
1. Demonstrați că generatorul hidraulic al hidrocentralei Bratsk produce curent alternativ cu o frecvență de 50 Hz. Rotorul său, care se rotește la o frecvență de 125 rpm, are 24 de perechi de poli.
2. Câte perechi de poli ar trebui să aibă un generator hidraulic dacă rotorul său se rotește la o frecvență de 5 rps? Frecvența curentului indus este de 50 Hz.
3. Demonstrați că instrumentele magnetoelectrice nu sunt potrivite pentru măsurători în circuite de curent alternativ, dar instrumentele electromagnetice și electrodinamice sunt potrivite.
4. Figura prezintă un grafic preluat de pe ecranul osciloscopului. Fiecare celulă corespunde orizontal la 0,01 s, iar vertical la 20 V. Determinați tensiunea și frecvența curentului electric. 
În prezent, generatoarele sincrone sunt folosite în principal pentru a genera energie electrică. Mașinile asincrone sunt cel mai adesea folosite ca motoare.
Generatoarele care produc curent alternativ constau în general dintr-o înfășurare staționară, statorul, și o înfășurare în mișcare, rotorul.
Diferența dintre o mașină sincronă și o mașină asincronă este că în prima, câmpul magnetic al statorului se rotește simultan cu mișcarea rotorului, în timp ce la mașinile asincrone fie înaintează, fie rămâne în urmă față de câmpul din rotor.
Utilizarea pe scară largă a mașinilor sincrone se datorează parametrilor lor de calitate. Generatoarele sincrone produc o tensiune foarte stabilă, potrivită pentru conectarea unei game largi de aparate electrice.
În timpul unui scurtcircuit în sarcină sau a unui consum mare de energie, un curent semnificativ trece prin înfășurările statorului, ceea ce poate duce la defectarea generatorului. Pentru astfel de mașini, este necesară răcirea - o turbină este plasată pe arborele rotorului, răcind întreaga structură.
Având în vedere acest lucru, generatoarele sincrone sunt sensibile la condițiile de mediu.
Generatoarele asincrone au în majoritatea cazurilor o carcasă închisă și sunt insensibile la curentul mare de pornire al consumatorilor de energie.
Cu toate acestea, funcționarea lor necesită un curent de polarizare extern puternic. În general, generatoarele asincrone produc tensiune instabilă. Astfel de generatoare sunt utilizate pe scară largă ca surse de energie pentru mașinile de sudat.
Generatoarele sincrone sunt obișnuite ca convertoare de energie mecanică în energie electrică la centralele hidroelectrice, centralele termice, ca generatoare de uz casnic pe benzină și motorină și ca surse de energie la bord în transport.
Statoarele unui generator sincron și asincron nu diferă unul de celălalt în ceea ce privește proiectarea.
Miezul statorului este format din mai multe plăci electrice de oțel, izolate între ele și asamblate într-o singură structură (Fig. 1). La canelurile cu interior bobinele de înfășurare sunt instalate în stator.
Pentru fiecare fază, înfășurarea include două bobine instalate una față de alta și conectate în serie. Acest circuit de înfășurare se numește bipolar.
În total, trei grupuri de bobine sunt instalate pe stator (Fig. 2), cu o deplasare de 120 de grade. Grupurile de fază sunt conectate între ele într-o „stea” sau „triunghi”. Există grupuri de bobine cu un număr mare de poli. Colţ 
Deplasarea bobinelor una față de alta se calculează în cazul general folosind formula (2π/3)/n, unde n este numărul de poli ai înfășurării.
Rotorul generatorului este un electromagnet care excită un câmp magnetic alternativ în stator. Pentru generatoarele de dimensiuni mici de putere redusă, magneții convenționali sunt adesea amplasați pe rotor
.
Rotorul unui generator sincron necesită un excitator extern - un generator de curent continuu, în cel mai simplu caz instalat pe același arbore cu rotorul.
Excitatorul trebuie să ofere o schimbare a curentului din rotor pentru a regla modul de funcționare și capacitatea de a stinge rapid câmpul magnetic în timpul unei opriri de urgență.
Rotoarele se diferențiază în pol salient și non-salient. Proiectarea rotoarelor cu poli salienti (Fig. 3) constă din poli de electromagneți 1 formați din bobine de poli 2 conectate la miezul 3. Excitația este furnizată înfășurării prin contactele inelare 4.
Astfel de rotoare sunt utilizate la viteze mici, de exemplu în turbinele hidraulice. Când arborele se rotește mai repede, apar forțe centrifuge semnificative care pot distruge rotorul.
În acest caz, se folosesc rotoare cu poli nesălienți (Fig. 4). Rotorul cu poli nesălient conține fante 1 formate în miezul 2. Înfășurările rotorului sunt fixate în fante (nu sunt prezentate în fig. 4). Excitația externă este transmisă și prin contactele 3. Astfel, rotorul de pol implicit este un stator din interior spre exterior. 
Câmpul magnetic bipolar al rotorului rotativ poate fi înlocuit cu un câmp similar al unui magnet permanent care se rotește cu viteza unghiulară a rotorului. Direcția curentului în fiecare înfășurare este determinată de regula gimletului.
Dacă curentul, de exemplu, este direcționat de la începutul înfășurării A către punctul X, atunci un astfel de curent va fi acceptat condiționat ca pozitiv (Fig. 5). Când rotorul se rotește, în înfășurarea statorului apare un curent alternativ, cu o defazare de 2 π/3. 
Pentru a lega modificarea curentului de fază A de grafic, luați în considerare rotația în sensul acelor de ceasornic. În momentul inițial de timp, câmpul magnetic al rotorului nu creează un curent în grupul de bobine a fazei A (Fig. 6, poziția a).
În înfășurarea fazei B există un curent negativ (de la sfârșitul înfășurării până la început), iar în înfășurarea fazei C există un curent pozitiv. Cu o rotație suplimentară, rotorul se mișcă cu 90 de grade spre dreapta (Fig. 6, b). Curentul în înfășurarea A ocupă valoarea maximă pozitivă, iar în înfășurările de fază B și C este intermediar negativ.
Câmpul magnetic al rotorului se deplasează cu un alt sfert din perioadă, rotorul este deplasat cu un unghi de 180 de grade (Fig. 6, c). Curentul din înfăşurarea A ajunge din nou valoare zero, în înfășurarea B este pozitivă, în faza de înfășurare C este negativă.
Odată cu rotirea ulterioară a rotorului în acest punct, curentul de fază din înfășurarea A atinge maximul valoare negativă, curentul în înfășurările B și C este pozitiv (Fig. 6, d). Rotirea ulterioară a rotorului repetă toate fazele anterioare.
Generatoarele sincrone sunt proiectate pentru a conecta sarcini cu un factor de putere mare (cosϕ>0,8). Pe măsură ce componenta inductivă a sarcinii crește, apare efectul de demagnetizare a rotorului, ducând la o scădere a tensiunii la bornele.
Pentru a o compensa, este necesară creșterea curentului de excitație, ceea ce duce la o creștere a temperaturii înfășurărilor. Dimpotrivă, o sarcină capacitivă crește polarizarea rotorului și crește tensiunea.
Generatoarele monofazate sunt destul de rare în industrie. Pentru a obține un curent monofazat, înfășurările trifazate sunt conectate circuit comun. În acest caz, apar pierderi mici de putere în comparație cu conexiunea trifazată.
Scrie comentarii sau completări la articol, poate am omis ceva. Uită-te la, mă voi bucura dacă vei găsi altceva util la al meu.
