Curentul alternativ este forța motrice a multor industrii și transporturi, în special, a mașinilor. Există atât modele mici, cât și dispozitive gigantice înalte de câțiva metri.
Un generator este același sistem tehnic care transformă energia mecanică (cinetică) în energie electrică. Cum funcționează generatorul?
Indiferent de modul în care este aranjat generatorul, acțiunea acestuia se bazează pe proces inductie electromagnetica- apariţia în circuit închis a unui curent electric sub influenţa unui flux magnetic modificat.
Generatorul este împărțit în mod convențional în 2 părți: un inductor și o armătură.
Inductorul este partea dispozitivului în care este creat câmpul magnetic, iar armătura este jumătatea în care este generată forța sau curentul electromotor.
Structura sa tehnică rămâne constantă: o înfășurare de sârmă și un magnet.
O forță electromotoare este generată în înfășurare sub influența unui câmp magnetic. Aceasta este baza generatorului. Dar un curent alternativ puternic nu poate fi obținut dintr-un design atât de primitiv. Conversia necesită un flux magnetic puternic.
Pentru aceasta, la înfășurarea firului se adaugă 2 miezuri de oțel, care determină scopul și structura alternatorului. Acestea sunt statorul și rotorul. Înfășurarea care creează câmpul magnetic este plasată în canelura unui miez - acesta este statorul sau inductorul. Rămâne staționar, spre deosebire de rotor. Statorul este alimentat cu curent continuu. Sunt bipolare sau multipolare.
Rotorul, sau de asemenea armătura, se rotește activ cu ajutorul rulmenților și produce o forță electromotoare sau curent alternativ. Are un miez interior cu fir de cupru bobinat.
Generatorul are o carcasă metalică robustă cu ieșiri multiple, în funcție de utilizarea prevăzută a dispozitivului. Numărul de bobine bobinate cu sârmă este modificabil.
Înțelegem caracteristicile funcționării unității
Acum să aflăm pe ce principiu se bazează funcționarea alternatoarelor. Schema de operare este destul de simplă și simplă. Având în vedere o viteză constantă a rotorului, curentul electric va fi produs într-un singur flux.
Rotirea rotorului provoacă o modificare a fluxului magnetic. La rândul său, câmpul electric generează aspectul unui curent electric. Prin contactele cu inele de la capăt, curentul de la rotor trece în circuitul electric al dispozitivului. Inelele au proprietăți bune de alunecare. Sunt ferm în contact cu periile, care sunt conductoare permanente, staționare, între circuitul electric și înfășurarea firului de cupru a rotorului.
Există un curent în înfășurarea de cupru din jurul magnetului, dar este foarte slab în comparație cu puterea curentului electric care curge de la rotor prin circuit către dispozitiv.
Din acest motiv, pentru a roti rotorul este utilizat doar un curent slab aplicat contactelor de alunecare.
La asamblarea unui alternator, este foarte important să se mențină proporțiile pieselor, dimensiunea, dimensiunea golurilor, grosimea firelor de sârmă.
Puteți asambla un alternator dacă aveți toate piesele necesare și o cantitate suficientă de sârmă de cupru în casa dvs. Este foarte posibil să faci o unitate mică. Sau există instrucțiuni detaliate de utilizare.
Dispozitivul și principiul de funcționare al alternatorului din videoclip
Generator de curent transformă energia mecanică (cinetică) în energie electrică. În industria energetică, se folosesc numai generatoare rotative de mașini electrice, pe baza apariției unei forțe electromotoare (EMF) într-un conductor, care este într-un fel acţionat de un câmp magnetic în schimbare. Partea generatorului, care este proiectată pentru a crea un câmp magnetic, se numește inductor, iar partea în care este indus EMF se numește armătură.
Partea rotativă a mașinii se numește rotor, iar partea staționară - stator... La mașinile sincrone de curent alternativ, inductorul este de obicei rotorul, iar la mașinile de curent continuu, statorul. În ambele cazuri, inductorul este de obicei un sistem electromagnetic bipolar sau multipolar echipat cu o înfășurare de excitație alimentată cu curent continuu (curent de excitare), dar există și inductori formați dintr-un sistem de magneți permanenți. În inducție (asincron) alternatoare inductorul și armătura nu pot diferi în mod clar (structural) unul de celălalt (putem spune că statorul și rotorul sunt atât un inductor cât și o armătură în același timp).
Peste 95% din energia electrică din centralele electrice din lume este produsă folosind alternatoare sincrone... Cu ajutorul unui inductor rotativ, în aceste generatoare se creează un câmp magnetic rotativ, inducând un EMF variabil în înfășurarea statorului (de obicei trifazat), a cărui frecvență se potrivește exact cu viteza rotorului (în sincronism cu viteza inductorului) . Dacă inductorul, de exemplu, are doi poli și se rotește la o frecvență de 3000 r / min (50 r / s), atunci în fiecare fază a înfășurării statorului este indus un EMF alternativ cu o frecvență de 50 Hz. Proiectarea unui astfel de generator este simplificată în Fig. unu.
Orez. 1. Principiul unui generator sincron bipolar. 1 stator (armatură), 2 rotoare (inductor), 3 arbori, 4 carcasă. U-X, V-Y, W-Z - părți ale înfășurărilor din trei faze situate în fantele statorului
Sistemul magnetic al statorului este un pachet comprimat de foi de oțel subțire, în ale căror caneluri se află înfășurarea statorului. Înfășurarea este formată din trei faze, deplasate în cazul unei mașini cu doi poli una față de cealaltă cu 1/3 din perimetrul statorului; în înfășurările de fază, prin urmare, sunt induse EMF, deplasate unul față de celălalt cu 120o. Înfășurarea fiecărei faze, la rândul ei, constă din bobine cu mai multe spire conectate în serie sau în paralel. Una dintre cele mai simple opțiuni de proiectare pentru o astfel de înfășurare trifazată a unui generator cu doi poli este simplificată în Fig. 2 (de obicei, numărul de bobine din fiecare fază este mai mare decât cel arătat în această figură). Acele părți ale bobinelor care se află în afara canelurilor de pe suprafața frontală a statorului se numesc conexiuni de capăt.
Orez. 2. Principiul cel mai simplu al aranjamentului înfășurării statorice a unui generator sincron trifazat cu doi poli în cazul a două bobine în fiecare fază. 1 scanare a suprafeței sistemului magnetic al statorului, 2 bobine de înfășurare, U, V, W începutul înfășurărilor de fază, X, Y, Z capetele înfășurărilor de fază
Polii inductorului și, în conformitate cu aceasta, diviziunile polare ale statorului, pot fi mai mult de doi. Cu cât rotorul se rotește mai lent, cu atât numărul de poli ar trebui să fie mai mare la o anumită frecvență a curentului. Dacă, de exemplu, rotorul se rotește la o frecvență de 300 r / min, atunci numărul de poli al generatorului, pentru a obține o frecvență de curent alternativ de 50 Hz, ar trebui să fie 20. De exemplu, la una dintre cele mai mari centrale hidroelectrice din în lume, generatoarele HPP Itaipu (Itaipu, vezi fig. 4) care funcționează la 50 Hz sunt cu 66 de poli, iar generatoarele care funcționează la 60 Hz sunt cu 78 de poli.
Înfășurarea de excitație a unui generator cu doi sau patru poli este plasată așa cum se arată în fig. 1, în canelurile miezului masiv al rotorului din oțel. Această proiectare a rotorului este necesară în cazul generatoarelor de mare viteză care funcționează la o turație de 3000 sau 1500 r/min (în special pentru generatoarele cu turbină destinate conectării cu turbinele cu abur), deoarece la această viteză forțe centrifuge mari acționează asupra rotorului. serpuit, cotit. Cu un număr mai mare de poli, fiecare stâlp are o înfășurare de câmp separată (Fig. 3.12.3). Acest principiu cu poli salientă al dispozitivului este utilizat, în special, în cazul generatoarelor de viteză mică destinate conectării cu turbine hidraulice (hidrogeneratoare), care funcționează de obicei la o viteză de la 60 r / min până la 600 r / min.
Foarte des, astfel de generatoare, în conformitate cu proiectarea turbinelor hidraulice puternice, sunt realizate cu un arbore vertical.
Orez. 3. Principiul designului rotorului unui generator sincron de viteză mică. 1 poli, 2 bobinaj de excitație, 3 roți de fixare, 4 arbori
Înfășurare de excitație generator sincron alimentat de obicei cu curent continuu de la o sursă externă prin inele colectoare de pe arborele rotorului. Anterior, pentru aceasta era prevăzut un generator de curent continuu special (excitator), conectat rigid la arborele generatorului, iar acum se folosesc redresoare cu semiconductori mai simple și mai ieftine. Există, de asemenea, sisteme de excitație încorporate în rotor, în care EMF este indusă de înfășurarea statorului. Dacă magneții permanenți sunt folosiți pentru a crea un câmp magnetic în loc de un sistem electromagnetic, atunci sursa de curent de excitație dispare și generatorul devine mult mai simplu și mai fiabil, dar în același timp și mai scump. Prin urmare, magneții permanenți sunt utilizați de obicei în generatoare de putere relativ scăzută (până la câteva sute de kilowați).
Designul generatoarelor cu turbină, datorită rotorului cilindric cu diametrul relativ mic, este foarte compact. Greutatea lor specifică este de obicei 0,5 ... 1 kg / kW, iar puterea lor nominală poate ajunge la 1600 MW. Dispozitivul hidrogeneratoarelor este ceva mai complicat, diametrul rotorului este mare și greutatea lor specifică este, prin urmare, de obicei de 3,5 ... 6 kg / kW. Până acum, acestea au fost fabricate cu o putere nominală de până la 800 MW.
Când generatorul funcționează, în el apar pierderi de energie, cauzate de rezistența activă a înfășurărilor (pierderi în cupru), curenți turbionari și histerezis în părțile active ale sistemului magnetic (pierderi în oțel) și frecare în rulmenții rotativi. piese (pierderi prin frecare). În ciuda faptului că pierderile totale nu depășesc de obicei 1 ... 2% din puterea generatorului, îndepărtarea căldurii eliberate ca urmare a pierderilor poate fi dificilă. Dacă presupunem într-un mod simplificat că masa generatorului este proporțională cu puterea sa, atunci dimensiunile sale liniare sunt proporționale cu rădăcina cubică a puterii, iar dimensiunile suprafeței sunt proporționale cu puterea la puterea de 2/3. Prin urmare, odată cu creșterea puterii, suprafața radiatorului crește mai lent decât puterea nominală a generatorului. Dacă, la capacități de ordinul a câteva sute de kilowați, este suficientă utilizarea răcirii naturale, atunci la capacități mai mari este necesar să treceți la ventilație forțată și, începând de la aproximativ 100 MW, să folosiți hidrogen în loc de aer. La capacități și mai mari (de exemplu, mai mult de 500 MW), este necesară completarea răcirii cu hidrogen cu răcire cu apă. La generatoarele mari, rulmentii trebuie si ei raciti special, de obicei folosind circulatia uleiului.
Disiparea căldurii generatorului poate fi redusă semnificativ prin utilizarea înfășurărilor de excitație supraconductoare. Primul astfel de generator (4 MVA), destinat utilizării pe nave, a fost fabricat în 2005 de firma germană de inginerie electrică Siemens (Siemens AG). Tensiunea nominală a generatoarelor sincrone, în funcție de putere, este de obicei în intervalul de la 400 V la 24 kV. Au fost folosite și tensiuni nominale mai mari (până la 150 kV), dar extrem de rar. Pe lângă generatoarele sincrone de frecvență a rețelei (50 Hz sau 60 Hz), se mai produc generatoare de înaltă frecvență (până la 30 kHz) și generatoare de frecvență redusă (16,67 Hz sau 25 Hz), care sunt utilizate pe căile ferate electrificate din unele tari europene. Generatoarele sincrone, în principiu, includ și un compensator sincron, care este un motor sincron în ralanti și care furnizează putere reactivă rețelei de distribuție de înaltă tensiune. Cu ajutorul unei astfel de mașini, este posibil să acoperiți consumul de putere reactivă al consumatorilor locali de electricitate industrială și să eliberați rețeaua principală a sistemului de alimentare de la transferul puterii reactive.
Pe lângă generatoarele sincrone, este relativ rar și la puteri relativ scăzute (până la câțiva megawați) ca generatoare asincrone... În înfășurarea rotorului a unui astfel de generator, curentul este indus de câmpul magnetic al statorului dacă rotorul se rotește mai repede decât câmpul magnetic rotativ al statorului al frecvenței rețelei. Necesitatea unor astfel de generatoare apare de obicei atunci când este imposibil să se asigure o viteză constantă de rotație a motorului principal (de exemplu, o turbină eoliană, unele hidroturbine mici etc.).
Avea generator de curent continuu polii magnetici împreună cu înfășurarea de câmp sunt de obicei amplasați în stator, iar înfășurarea armăturii este situată în rotor. Întrucât în înfășurarea rotorului este indusă o CEM variabilă în timpul rotației sale, armătura trebuie alimentată cu un colector (comutator), cu ajutorul căruia se obține o CEM constantă la ieșirea generatorului (pe periile colectorului). În prezent, generatoarele de curent continuu sunt rar utilizate, deoarece curentul continuu este mai ușor de obținut folosind redresoare cu semiconductor.
Generatoarele de mașini electrice includ generatoare electrostatice, pe partea rotativă a căreia se creează o sarcină electrică de înaltă tensiune prin frecare (triboelectric). Primul astfel de generator (o bilă de sulf rotită manual, care a fost electrificată prin frecare cu o mână umană) a fost realizat în 1663 de primarul orașului Magdeburg (Magdeburg, Germania) Otto von Guericke (1602-1686). În cursul dezvoltării lor, astfel de generatoare au făcut posibilă descoperirea multor fenomene și modele electrice. Nici acum nu și-au pierdut importanța ca mijloc de a efectua cercetări experimentale în fizică.
Prima a fost realizată la 4 noiembrie 1831 de profesorul de la Instituția Regală (Royal Institution) Michael Faraday (Michael Faraday, 1791-1867). Generatorul consta dintr-un magnet permanent în formă de potcoavă și un disc de cupru care se rotește între polii magnetici (Figura 3.12.4). Când discul s-a rotit între axa sa și margine, a fost indus un EMF constant. Generatoarele unipolare mai avansate sunt aranjate după același principiu, care sunt încă utilizate (deși relativ rar) în prezent.
Orez. 4. Principiul dispozitivului generator unipolar Michael Faraday. 1 magnet, 2 discuri rotative de cupru, 3 perii. Mânerul discului nu este afișat
Michael Faraday s-a născut într-o familie săracă și după școala elementară, la vârsta de 13 ani, a devenit ucenic de legător de cărți. Din cărți, și-a continuat educația în mod independent, iar din Enciclopedia Britanică s-a familiarizat cu electricitatea, a făcut un generator electrostatic și un borcan Leyden. Pentru a-și extinde cunoștințele, a început să participe la prelegeri publice despre chimie susținute de directorul Institutului Regal, Humphrey Davy (1778–1829), iar în 1813 a fost promovat asistent. În 1821 a devenit inspector șef al acestui institut, în 1824 - membru al Societății Regale (Royal Society) și în 1827 - profesor de chimie la Institutul Regal. În 1821, a început celebrele sale experimente asupra electricității, în timpul cărora a propus principiul de funcționare a unui motor electric, a descoperit fenomenul inducției electromagnetice, principiul unui generator magnetoelectric, legile electrolizei și multe alte fenomene fizice fundamentale. La un an după experimentul Faraday mai sus descris, la 3 septembrie 1832, mecanicul parizian Hippolyte Pixii (1808-1835) a fabricat, la comandă și sub îndrumarea fondatorului electrodinamicii, Andre Marie Ampere (1775-1836), un generator cu un rotit manual la Faraday, un magnet (Fig. 5). Un EMF variabil este indus în înfășurarea armăturii generatorului Pixie. Pentru a rectifica curentul rezultat, un comutator cu mercur deschis a fost atașat mai întâi la generator, schimbând polaritatea EMF la fiecare jumătate de rotație a rotorului, dar a fost înlocuit în curând cu un colector de perii cilindric mai simplu și mai sigur, prezentat în Fig. 5.
Orez. 5. Principiul dispozitivului generator magnetoelectric Ippolita Pixie (a), graficul EMF indus (b) și graficul EMF constantă pulsatorie obținute cu ajutorul colectorului (c). Mânerul și angrenajul conic nu sunt prezentate
Generatorul, construit pe principiul Pixie, a fost folosit pentru prima dată în 1842 la fabrica sa din Birmingham pentru a alimenta băile de galvanizare de către industriașul englez John Stephen Woolrich (1790–1843), folosind un motor cu abur de 1 litru ca motor de antrenare. Cu. Tensiunea generatorului său a fost de 3 V, curentul nominal a fost de 25 A, iar eficiența a fost de aproximativ 10%. Aceleași, dar generatoare mai puternice au început să fie introduse rapid în alte întreprinderi de galvanizare din Europa. În 1851, medicul militar german Wilhelm Josef Sinsteden (1803-1891) a propus utilizarea electromagneților în locul magneților permanenți în inductor și alimentarea acestora cu curent de la un generator auxiliar mai mic; el a mai descoperit că eficiența generatorului ar crește dacă miezul de oțel al electromagnetului ar fi făcut nu masiv, ci din fire paralele. Cu toate acestea, ideile lui Sinsteden au început să fie efectiv folosite abia în 1863 de către inginerul electric englez autodidact Henry Wilde (1833-1919), care a propus, printre alte inovații, să planteze o mașină de excitație (exitatrice engleză) pe arborele generatorului. În 1865, a fabricat un generator de o putere fără precedent de 1 kW, cu care a putut chiar demonstra topirea și sudarea metalelor.
Cea mai importantă îmbunătățire generatoare de curent continuu a devenit lor autoexcitare, al cărui principiu a fost brevetat în 1854 de către inginerul șef al căilor ferate de stat din Danemarca Soren Hjorth (Soren Hjorth, 1801-1870), dar nu și-a găsit aplicare practică la acea vreme. În 1866, acest principiu a fost descoperit din nou independent de mai mulți ingineri electrici, inclusiv deja menționatul G. Wilde, dar a devenit cunoscut pe scară largă în decembrie 1866, când industriașul german Ernst Werner von Siemens (1816-1892) l-a aplicat în compactul meu și generator foarte eficient. La 17 ianuarie 1867, celebra sa prelegere despre principiul dinamo-electric (autoexcitare) a fost citită la Academia de Științe din Berlin. Autoexcitare a făcut posibilă refuzul de la generatoarele de excitație auxiliare (de la excitatoare), ceea ce a făcut posibilă generarea de energie electrică mult mai ieftină în cantități mari. Din acest motiv, anul 1866 este adesea considerat anul nașterii ingineriei electrice de mare curent. În primele generatoare autoexcitate, înfășurarea de excitație a fost inclusă, ca și la Siemens, în serie (serial) cu înfășurarea armăturii, dar în februarie 1867, inginerul electric englez Charles Wheatstone (1802-1875) a propus excitația paralelă, ceea ce permite o mai bună reglare a EMF a generatorului, la care a venit chiar înainte de rapoartele de excitație secvențială descoperite de Siemens (Fig. 6).
Orez. 6. Dezvoltarea sistemelor de excitaţie pentru generatoare de curent continuu. a excitație cu magnet permanent (1831), b excitație externă (1851), c autoexcitare secvențială (1866), d autoexcitare paralelă (1867). 1 armătură, 2 înfăşurări de excitaţie. Reostatele de reglare a curentului de excitație nu sunt afișate.
Nevoia de alternatoare a apărut în 1876, când inginerul electric rus Pavel Yablochkov (1847–1894), care lucra la Paris, a început să lumineze străzile orașului cu ajutorul lămpilor cu arc de curent alternativ (lumânări Yablochkov) pe care le fabrica. Primele generatoare necesare pentru aceasta au fost create de inventatorul și industriașul parizian Zenobe Theophile Gramme (1826-1901). Odată cu începerea producției în masă a lămpilor cu incandescență în 1879, curentul alternativ și-a pierdut valoarea pentru o vreme, dar a câștigat din nou relevanță datorită creșterii distanței de transport a energiei electrice la mijlocul anilor 1880. În 1888-1890, proprietarul propriului laborator de cercetare Tesla-Electric (Tesla-Electric Co., New York, SUA), un inginer electrician sârb care a emigrat în Statele Unite, Nikola Tesla (Nikola Tesla, 1856-1943) și inginer-șef al companiei AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft), inginerul electric rus Mikhail Dolivo-Dobrovolsky (1862-1919), care a emigrat în Germania, a dezvoltat un sistem de curent alternativ trifazat. Ca rezultat, producția de mai multe și mai puternice generatoare sincrone pentru centrale termice si hidroelectrice in constructie.
O etapă importantă în dezvoltarea generatoarelor cu turbină poate fi considerată dezvoltarea în 1898 a unui rotor cilindric de către coproprietarul fabricii elvețiene de inginerie electrică Brown, Boveri și compania (Brown, Boveri & Cie., BBC) Charles Eugen Lancelot Brown (1863-1924). Primul generator răcit cu hidrogen (putere 25 MW) a fost produs în 1937 de compania americană General Electric, iar cu răcire în linie cu apă - în 1956 de către compania engleză Metropolitan Vickers.
În prezent, generatoarele sincrone sunt folosite în principal pentru a genera energie electrică. Mașinile asincrone sunt folosite cel mai adesea ca motoare.
Generatoarele de curent alternativ constau în general dintr-o înfășurare fixă - un stator și una mobilă - un rotor.
Diferența dintre o mașină sincronă și o mașină asincronă este că în prima câmpul magnetic al statorului se rotește simultan cu mișcarea rotorului, iar 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.
Cu un scurtcircuit în sarcină sau un 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.
Din acest motiv, 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, pentru funcționarea lor, este necesar un curent de polarizare extern puternic. În general, generatoarele de inducție produc tensiuni instabile. Astfel de generatoare sunt utilizate pe scară largă ca surse de energie pentru mașinile de sudat.
Generatoarele sincrone sunt răspândite ca convertoare de energie mecanică în energie electrică la hidrocentrale, centrale termice, ca generatoare de uz casnic pe benzină și motorină, ca surse de energie la bord în transporturi.
Statoarele unui generator sincron și asincron nu diferă unul de celălalt în ceea ce privește proiectarea.
Miezul statorului este format din mai multe plăci de oțel electric, izolate unele de altele și asamblate într-o singură structură (Fig. 1). Bobinele de înfășurare sunt instalate pe canelurile din interiorul statorului.
Pentru fiecare fază, înfășurarea include două bobine instalate una față de alta și conectate în serie. O astfel de schemă 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 interconectate într-o „stea” sau „triunghi”. Există grupuri de bobine cu un număr mare de poli. Injecţie 
deplasarea bobinei una față de cealaltă se calculează în general prin formula (2π / 3) / n, unde n este numărul de poli de înfășurare.
Rotorul generatorului este un electromagnet care excită un câmp magnetic alternativ în stator. Pentru generatoarele mici de putere mică, magneții obișnuiți sunt adesea amplasați pe rotor.
.
Rotorul unui generator sincron are nevoie de un excitator extern - un generator de curent continuu, în cel mai simplu caz, instalat pe același arbore cu rotorul.
Excitatorul trebuie să ofere o modificare a curentului din rotor pentru a regla modul de funcționare și capacitatea de a stinge rapid câmpul magnetic în caz de oprire de urgență.
Rotoarele sunt clasificate ca proeminente și non-salienți. Proiectarea rotoarelor cu poli salienti (Fig. 3) constă din polii electromagneților 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 de rotație mici, de exemplu, în turbinele hidraulice. Odată cu o rotație mai rapidă a arborelui, apar forțe centrifuge semnificative care pot distruge rotorul.
În acest caz, se folosesc rotoare cu poli non-salienți (Fig. 4). Rotorul nesălient conține caneluri 1 formate în miezul 2. Înfășurările rotorului sunt fixate în caneluri (neprezentate în fig. 4). Excitația exterioară se transmite și prin contactele 3. Astfel, rotorul cu poli impliciti este statorul „în interiorul în afară”. 
Câmpul magnetic bipolar al unui rotor 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 cardanului.
Dacă curentul, de exemplu, este direcționat de la începutul înfășurării A către punctul X, atunci un astfel de curent va fi considerat în mod convențional pozitiv (Fig. 5). Când rotorul se rotește, în înfășurarea statorului are loc un curent alternativ, cu o defazare de 2 π / 3. 
Pentru a lega modificarea curentului fazei A de grafic, luați în considerare rotația în sensul acelor de ceasornic. La momentul inițial de timp, câmpul magnetic al rotorului nu creează curent în grupul de bobine a fazei A, (Fig. 6, poziția a).
În înfășurarea fazei B acționează curenți negativi (de la sfârșitul înfășurării până la început), iar în înfășurarea fazei C, curenți pozitivi. Cu o rotație suplimentară, rotorul se deplasează cu 90 de grade spre dreapta (Fig. 6, b). Curentul din înfășurarea A ia valoarea maximă pozitivă, iar în înfășurările de fază B și C - una intermediară negativă.
Câmpul magnetic al rotorului este deplasat cu încă un sfert din perioadă, rotorul este deplasat cu 180 de grade (Fig. 6, c). Curentul în înfășurarea A ajunge din nou la zero, în înfășurarea B este pozitiv, în înfășurarea fazei C este negativ.
Odată cu rotirea ulterioară a rotorului în acest punct, curentul de fază din înfășurarea A atinge o valoare maximă negativă, curentul din 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). Odată cu creșterea componentei inductive a sarcinii, are loc efectul de demagnetizare a rotorului, ducând la o scădere a tensiunii la borne.
Pentru a o compensa, este necesară creșterea curentului de excitație, ceea ce duce la o creștere a temperaturii înfășurărilor. Sarcina capacitivă, pe de altă parte, crește magnetizarea rotorului și crește tensiunea.
Generatoarele monofazate nu sunt utilizate pe scară largă în industrie. Pentru a obține un curent monofazat, înfășurările de fază ale trifazatei sunt conectate la un circuit comun. În acest caz, există pierderi mici de putere în comparație cu comutarea trifazată.
Scrie comentarii, completări la articol, poate am omis ceva. Uită-te la, mă voi bucura dacă vei găsi altceva util la al meu.
După descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică, M. Faraday a inventat în 1831 o varietate de mașini electrice. Generatoarele electrice, printre acestea, sunt coloana vertebrală a tuturor rețelelor de energie moderne. Sunt surse de energie electrică și sunt primele care determină cantitatea și calitatea acesteia. Înainte de a deveni posibil ca consumatorii să utilizeze energie electrică, este necesar să se efectueze conversia tensiunii de mai multe ori pentru a reduce pierderile determinate de transportul de energie electrică.
Din acest motiv, rețelele de curent alternativ au fost mult timp cele mai eficiente. Frecvența lor în diferite țări este aleasă fie 50, fie 60 Hertz, deoarece aceste valori sunt din nou cele mai justificate economic în stadiul actual de dezvoltare a științei și tehnologiei. La începutul oricărei rețele electrice se află unul sau mai multe alternatoare sincrone.
Principiul de funcționare
Pentru ca un curent electric să apară într-un conductor, liniile de forță ale câmpului magnetic trebuie să fie mobile în raport cu acest conductor. În acest scop, în alternator există un magnet rotativ mobil, care, cu câmpul său magnetic, traversează conductorii staționari. Se află pe un arbore antrenat de o sursă externă de energie mecanică.
Un arbore cu magnet se numește rotor sau inductor. Din punct de vedere structural, rotorul poate fi realizat fie cu un magnet permanent dintr-un material magnetic special, fie cu un electromagnet. O astfel de mașină electrică se numește sincronă deoarece câmpul magnetic din ea se rotește cu rotorul.
Pentru a obține cel mai eficient câmp magnetic, cel mai răspândit design este cu un rotor din aliaje speciale sub formă de miez înconjurat de spire înfășurate, prin care circulă un curent continuu. Înfășurarea este denumită „înfășurare de câmp”. Sursa de curent de excitație poate fi fie externă, fie încorporată în rotor. O sursă externă este conectată la două perii fixe.
Acestea din urmă sunt situate pe bază, în raport cu care rotorul se rotește și formează contacte de alunecare cu două inele corespunzătoare situate pe rotor. Sursa încorporată este o înfășurare separată cu un redresor de curent alternativ. Avantajul său este că contactele glisante sunt excluse din acest design. Rotoarele pot fi diferite din punct de vedere structural. Sunt făcute proeminente, implicite, furnizate cu înfășurări amortizoare.
Pentru a obține valoarea necesară a frecvenței și tensiunii curente, este necesar să se obțină un anumit număr de intersecții ale liniilor de forță ale câmpului magnetic cu conductorul pe unitatea de timp. În scopul interacțiunii cât mai eficiente dintre câmpul magnetic și conductorul, acesta se realizează sub formă de spire de înfășurare situate pe un miez dintr-un aliaj special. Sunt realizate atâtea astfel de miezuri cât este necesar în conformitate cu problema tehnică care trebuie rezolvată.
Sunt situate în jurul rotorului și se numesc stator. Fiecare miez de stator este format din două părți, între care se află un rotor cu un anumit spațiu. Aceste două părți formează așa-numita pereche de poli a unui generator electric. Pe măsură ce se rotește, polii magnetici opuși ai rotorului se deplasează pe lângă porțiuni opuse ale miezului statorului.
Perechile de poli sunt situate pe baza față de care se mișcă rotorul. Din punct de vedere structural, această bază este realizată sub forma unei carcase de alternator. Statorul, periile, inelele și rotorul sunt ascunse în interiorul carcasei. Arborele și bornele periilor ies din acesta. Când arborele se rotește cu o forță externă, de exemplu, o turbină, statorul este o sursă de EMF. Frecvența tensiunii și a curentului în stator depinde de câte ori pe unitatea de timp polul magnetic al rotorului trece pe lângă miezurile statorului.
Soiuri constructive
Prin urmare, frecvența tensiunii și a curentului poate fi influențată fie de viteza rotorului, fie de numărul de perechi de poli, fie de ambele împreună. La decelerarea vitezei rotorului, numărul de perechi de poli trebuie crescut pentru a menține tensiunea și frecvența curentului. Acest lucru distinge generatorii de centrale termice de generatorii de centrale hidroelectrice și turbine eoliene.
Turbina cu abur se rotește rapid, iar turbina cu apă se rotește încet. Dar, în același timp, frecvența tensiunii și a curentului pe care le produc ambele generatoare sunt aceleași. Cu toate acestea, un generator hidroelectric are un număr de mai multe ori mai mare de perechi de poli și sunt fabricați cel mai adesea cu rotoare cu poli salienti. Generatoarele din centralele termice, datorita vitezelor mari de rotatie de 1500 si 3000 rpm, sunt realizate cu rotoare cu poli implicit. Numărul de perechi de poli depinde și de numărul de faze. O fază corespunde unei perechi de poli statori. Prin urmare, versiunile trifazate conțin cel puțin trei perechi de poli.
- Dispunerea spațială a perechilor de poli în generatoarele multifazate determină defazajul tensiunilor și curenților în înfășurările de fază.
Dispunerea spațială a generatoarelor în stare de funcționare de-a lungul poziției axei de rotație a rotorului poate fi atât orizontală, cât și verticală. Funcționarea cu o turbină cu abur sau cu gaz, din cauza sarcinilor centrifuge mari, necesită doar o aranjare orizontală, cel mai mic diametru posibil și lungimea maximă posibilă a generatorului. Un exemplu de astfel de mașină electrică este prezentat în imaginea de mai jos:
În hidrocentralele, în funcție de presiunea apei, se pot folosi atât structuri orizontale, cât și verticale ale acestor mașini electrice. Există modele speciale de generatoare cu poli salienti cu puteri relativ mici de ordinul a zece kilowați. În ele, inductorul (care este de obicei rotorul) este staționar, iar armătura (care este de obicei statorul) se rotește. Electricitatea generată este furnizată sarcinii prin inele și perii.
Un alt tip de sursă de energie electrică este un alternator asincron. Are cel mai simplu design și fiabilitate ridicată. Dar caracteristicile sale energetice, tensiunea și stabilitatea frecvenței curentului sunt mici în comparație cu mașinile sincrone. Acest lucru limitează sfera de utilizare a generatoarelor asincrone. Ele sunt utilizate numai acolo unde sunt necesare simplitate, fiabilitate și cel mai mic cost.
De mai bine de un secol, omenirea folosește electricitatea în toate sferele de activitate. Fără el, este pur și simplu imposibil să ne imaginăm o viață normală. Cu ajutorul unor mașini speciale, energia mecanică este transformată în curent alternativ sau continuu. Pentru a înțelege mai bine cum se întâmplă acest lucru, trebuie să înțelegeți în ce constă generatorul și cum funcționează.
Transformarea energiei mecanice în energie electrică
În inima oricărui generator constă principiul inducţiei magnetice... Primele mașini electrice au apărut în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Inventatorii lor au fost Michael Faraday și Hippolyte Pixie. În 1886, a avut loc o demonstrație publică a unui alternator, un dispozitiv capabil să genereze curent din mișcarea mecanică.
Primul alternator trifazat a fost dezvoltat de cetățeanul rus Dolivo-Dobrovolsky. În 1903, a construit, de asemenea, prima centrală industrială de pe Pământ, care a devenit o sursă de energie pentru un lift.
Cel mai simplu circuit pentru un alternator este o bobină de sârmă care se învârte într-un câmp magnetic. O alternativă este atunci când bobina rămâne nemișcată și este străbătută de un câmp magnetic. În ambele cazuri, se va genera energie electrică. În timp ce mișcarea continuă, în conductor este generat un curent alternativ. Generatoarele sunt folosite pentru a genera curent în întreaga lume. Ele fac parte din sistemul global de alimentare cu energie al globului.
Modul în care funcționează generatorul depinde de scopul său și sunt posibile diferite modificări. dar există două componente principale:
- Rotorul este un element mobil din fier solid.
- Statorul este staționar, este asamblat din foi izolate de fier. In interior are caneluri in care trece infasurarea firului.
Pentru a obține cea mai mare densitate a fluxului magnetic, distanța dintre aceste părți ale unității ar trebui să fie cât mai mică posibil. Înfășurarea de excitație, situată pe rotor, este alimentată prin sistemul de perii.
Există două tipuri de construcție:
- cu o armătură rotativă și un câmp magnetic staționar;
- câmpul magnetic se rotește, dar armătura rămâne pe loc.
Cele mai utilizate mașini sunt mașinile cu poli magnetici în mișcare. Este mult mai convenabil să extragi energie electrică din stator decât din rotor. În general, un generator este construit în același mod ca un motor electric.
Clasificarea și tipurile de unități
Unitățile pentru conversia energiei mecanice în energie electrică au un design similar. Ele pot diferi prin principiul de funcționare al generatorului și al înfășurării câmpului:
De proiectare:
- poli pronunțați;
- neexprimat.
Prin metoda de conectare a înfășurărilor:
În funcție de numărul de faze:
- fază singulară;
- bifazic;
- trei faze.
Unitățile de curent continuu sunt proiectate în așa fel încât mecanismul de eliminare a energiei să fie alcătuit din două jumătăți de inele izolate, fiecare dintre ele primind o sarcină cu un anumit potențial. La ieșire se obține un curent pulsatoriu dintr-o direcție.
Generatoarele sincrone au o armătură cu o înfășurare care este alimentată cu curent continuu. Prin ajustarea valorii acestuia, puteți modifica intensitatea câmpului magnetic și puteți controla tensiunea de ieșire. In cele asincrone nu exista infasurare, in schimb se foloseste efectul de magnetizare.
Domenii principale de aplicare
Merită să ne amintim că electricitatea obișnuită din prize provine din munca alternatoarelor uriașe din centralele termice. Domeniul de aplicare al acestor mașini electrice include toate tipurile de activități umane:
- sunt utilizate ca sursă de rezervă de energie la instalațiile în care nu trebuie permise întreruperile de curent;
- de neînlocuit în locurile în care nu există linii electrice;
- majoritatea vehiculelor sunt echipate cu generator, acesta generează energie electrică pentru rețeaua de bord;
- sursa de alimentare pentru unitati de hidroliza;
- industrie;
- la centralele nucleare și hidroelectrice.
Recent, aparatele electrocasnice pentru generarea de energie electrică câștigă din ce în ce mai multă popularitate. Au dimensiuni compacte și consum redus de combustibil. Pot funcționa cu benzină și motorină. Se folosesc in conditii de teren, in tara sau ca sursa de alimentare de urgenta.
Invenția unei metode de producere a energiei electrice din mișcarea mecanică a avut o importanță epocală pentru dezvoltarea civilizației moderne. Lumea din jurul nostru este plină de mistere, ale căror răspunsuri sunt necunoscute, dar, poate, alte descoperiri importante care le pot schimba viața îi așteaptă pe oameni.
