Izraz "generacija" u elektrotehnici dolazi iz latinskog jezika. To znači "rođenje". U odnosu na energiju, možemo reći da se generatori nazivaju tehnički uređaji uključeni u proizvodnju električne energije.

Istovremeno, treba napomenuti da je moguće proizvesti električnu struju pretvaranjem različitih vrsta energije, na primjer:

hemijski;

svjetlo;

termičke i druge.

Istorijski gledano, generatori su se nazivali strukturama koje pretvaraju kinetičku energiju rotacije u električnu.

Prema vrsti proizvedene električne energije, generatori su:

1. DC;

2. promenljiva.

Fizičke zakone koji omogućavaju stvaranje modernih električnih instalacija za proizvodnju električne energije kroz transformaciju mehaničke energije otkrili su naučnici Oersted i Faraday.

U dizajnu bilo kojeg generatora ostvaruje se kada se električna struja generira u zatvorenoj petlji zbog njenog ukrštanja s rotirajućim magnetskim poljem, koje se stvara u pojednostavljenim modelima za kućanstvo ili namotajima polja na industrijskim proizvodima velike snage.

Kada se okvir rotira, veličina magnetskog fluksa se mijenja.

Elektromotorna sila inducirana u zavojnici ovisi o brzini promjene magnetskog fluksa koji prodire kroz petlju u zatvorenom kolu S i direktno je proporcionalna njegovoj vrijednosti. Što se rotor brže rotira, to je veći napon koji se stvara.

Da bi se stvorilo zatvoreno kolo i preusmjerilo električnu struju iz njega, bilo je potrebno napraviti sklop kolektora i četkica koji osigurava stalan kontakt između rotirajućeg okvira i stacionarnog dijela kola.

Zbog konstrukcije opružnih četkica, pritisnutih na kolektorske ploče, električna struja se prenosi na izlazne stezaljke, a sa njih potom ulazi u mrežu potrošača.

Princip rada najjednostavnijeg DC generatora

Kada se okvir rotira oko ose, njegova lijeva i desna polovina ciklički prolaze oko južnog ili sjevernog pola magneta. Kod njih svaki put dolazi do promjene smjera struja u suprotan, tako da na svakom polu teku u jednom smjeru.

Da bi se stvorila jednosmjerna struja u izlaznom krugu, na kolektorskom čvoru se stvara polovični prsten za svaku polovicu namota. Četkice uz prsten uklanjaju potencijal samo svog predznaka: pozitivan ili negativan.

Budući da je polukrug rotirajućeg okvira otvoren, u njemu se stvaraju momenti kada struja dostigne svoju maksimalnu vrijednost ili je odsutna. Da bi se održao ne samo smjer, već i konstantna vrijednost generiranog napona, okvir se izrađuje posebno pripremljenom tehnologijom:

ona ne koristi jedan okret, već nekoliko - ovisno o veličini planiranog napona;

broj ramova nije ograničen na jednu kopiju: pokušavaju da ih naprave dovoljno da optimalno održavaju pad napona na istom nivou.

U DC generatoru, namotaji rotora su postavljeni u žljebove. Ovo omogućava smanjenje gubitaka induciranog elektromagnetnog polja.

Konstrukcijske karakteristike DC generatora

Glavni elementi uređaja su:

vanjski okvir napajanja;

magnetni polovi;

stator;

rotirajući rotor;

sklopna jedinica sa četkama.

Tijelo je napravljeno od legure čelika ili lijevanog željeza kako bi se dala mehanička čvrstoća cjelokupnoj strukturi. Dodatni zadatak kućišta je prijenos magnetskog toka između polova.

Polovi magneta su pričvršćeni za tijelo pomoću klinova ili vijaka. Na njima je montiran namotaj.

Stator, koji se naziva i jaram ili jezgro, napravljen je od feromagnetnih materijala. Namotaj pobudnog svitka je postavljen na njega. Jezgro statora opremljen magnetnim polovima koji formiraju njegovo magnetsko polje sile.

Rotor ima sinonim: sidro. Njegov magnetni krug se sastoji od laminiranih ploča koje smanjuju stvaranje vrtložnih struja i povećavaju efikasnost. Prorezi jezgra sadrže namote rotora i/ili samopobude.

Prebacivanje čvora sa četkicama može imati različit broj polova, ali je uvijek višekratnik dva. Materijal četkice je obično grafit. Kolektorske ploče su izrađene od bakra, kao najoptimalnijeg metala, pogodnog za električna svojstva strujne provodljivosti.

Korišćenjem komutatora, pulsirajući signal se generiše na izlaznim terminalima DC generatora.

Glavne vrste dizajna DC generatora

Prema vrsti napajanja uzbudnog namota razlikuju se uređaji:

1. sa samouzbudom;

2. rad na bazi nezavisne inkluzije.

Prvi proizvodi mogu:

koristite trajne magnete;

ili rade iz vanjskih izvora, kao što su baterije, vjetroturbine...

Generatori sa nezavisnim prebacivanjem rade iz vlastitog namotaja, koji se može spojiti:

sekvencijalno;

šantovi ili paralelna pobuda.

Jedna od opcija za takvu vezu prikazana je na dijagramu.

Primjer DC generatora je dizajn koji se često koristio u automobilskoj tehnologiji u prošlosti. Njegov uređaj je isti kao i kod asinhronog motora.

Takve kolektorske strukture mogu istovremeno raditi u režimu motora ili generatora. Zbog toga su postali široko rasprostranjeni u postojećim hibridnim vozilima.

Proces formiranja reakcije sidra

Javlja se u stanju mirovanja kada je sila pritiskanja četke pogrešno podešena, što stvara neoptimalan način njihovog trenja. To može dovesti do smanjenja magnetnih polja ili požara zbog povećanog stvaranja iskri.

Načini da se to smanji su:

kompenzacija magnetnih polja povezivanjem dodatnih polova;

podešavanje pomaka položaja četkica komutatora.

Prednosti DC generatora

To uključuje:

nema gubitka histereze i stvaranja vrtložnih struja;

rad u ekstremnim uslovima;

smanjena težina i male dimenzije.

Princip rada najjednostavnijeg alternatora

Unutar ovog dizajna koriste se svi isti detalji kao u prethodnom primjerku:

magnetno polje;

rotirajući okvir;

kolektor sa četkama za odvod struje.

Glavna razlika leži u dizajnu kolektorske jedinice, koja je dizajnirana tako da kada se okvir rotira kroz četke, konstantno se stvara kontakt sa njegovom polovinom okvira bez ciklične promjene njihovog položaja.

Zbog toga se struja, koja se mijenja u skladu sa zakonima harmonika u svakoj polovini, potpuno nepromijenjena prenosi na četke, a zatim kroz njih u kolo potrošača.

Naravno, okvir je stvoren namotavanjem ne iz jednog zavoja, već iz izračunatog broja njih kako bi se postigao optimalni napon.

Dakle, princip rada DC i AC generatora je uobičajen, a dizajnerske razlike su u izradi:

kolektorski sklop rotacionog rotora;

konfiguracije namotaja na rotoru.

Karakteristike dizajna industrijskih alternatora

Razmotrite glavne dijelove industrijskog indukcionog generatora, u kojem rotor prima rotacijsko kretanje od obližnje turbine. Dizajn statora uključuje elektromagnet (iako se magnetsko polje može stvoriti skupom trajnih magneta) i namotaj rotora s određenim brojem zavoja.

Unutar svakog zavoja inducira se elektromotorna sila, koja se u svakom od njih uzastopno zbraja i formira na izlaznim stezaljkama ukupnu vrijednost napona koji se dovodi u strujni krug priključenih potrošača.

Da bi se povećala amplituda EMF-a na izlazu generatora, koristi se poseban dizajn magnetnog sistema, napravljen od dva magnetna kruga korištenjem posebnih vrsta elektro čelika u obliku laminiranih ploča sa žljebovima. Unutar njih su montirani namoti.

U kućištu generatora nalazi se jezgro statora sa utorima za smještaj namotaja koji stvara magnetno polje.

Rotor koji se okreće na ležajevima također ima magnetno kolo sa žljebovima, unutar kojih je montiran namotaj koji prima inducirani EMF. Obično se horizontalni smjer odabire tako da se prilagodi osi rotacije, iako postoje izvedbe generatora s vertikalnim rasporedom i odgovarajućim dizajnom ležaja.

Između statora i rotora uvijek se stvara razmak koji je neophodan kako bi se osigurala rotacija i izbjeglo zaglavljivanje. Ali u isto vrijeme gubi energiju magnetske indukcije. Stoga se trude da ga učine što manjim, optimalno uzimajući u obzir oba ova zahtjeva.

Pobuđivač koji se nalazi na istoj osovini kao i rotor je DC električni generator relativno male snage. Njegova svrha je napajanje namotaja generatora energije u stanju neovisne pobude.

Takvi uzbuđivači se najčešće koriste kod dizajna turbinskih ili hidrauličnih generatora energije prilikom kreiranja glavne ili rezervne metode uzbude.

Na slici industrijskog generatora prikazana je lokacija kolektorskih prstenova i četkica za prikupljanje struja iz rotirajuće strukture rotora. Ovaj sklop doživljava konstantna mehanička i električna opterećenja tokom rada. Za njihovo prevazilaženje stvara se složena struktura koja u toku rada zahtijeva periodične preglede i provođenje preventivnih mjera.

Da bi se smanjili nastali operativni troškovi, koristi se druga, alternativna tehnologija, koja također koristi interakciju između rotirajućih elektromagnetnih polja. Na rotor se postavljaju samo trajni ili električni magneti, a napon se uklanja sa stalno postavljenog namotaja.

Prilikom stvaranja takvog kruga, takav dizajn se može nazvati izrazom "alternator". Koristi se u sinhronim generatorima: visokofrekventnim, automobilskim, dizel lokomotivama i brodovima, instalacijama elektrana za proizvodnju električne energije.

Karakteristike sinhronih generatora

Princip rada

Naziv i odlika djelovanja leži u stvaranju krute veze između frekvencije promjenjive elektromotorne sile inducirane u namotu statora "f" i rotacije rotora.

U stator je montiran trofazni namotaj, a na rotor je montiran elektromagnet sa jezgrom i pobudnim namotom koji se napaja iz jednosmjernih kola preko sklopa kolektora četkica.

Rotor se pokreće iz izvora mehaničke energije - pogonskog motora sa istom brzinom. Njegovo magnetsko polje čini isto kretanje.

U namotajima statora indukuju se elektromotorne sile iste veličine, ali pomaknute za 120 stepeni u pravcu, stvarajući trofazni simetrični sistem.

Kada se spoje na krajeve namota potrošačkih krugova, u krugu počinju djelovati fazne struje koje formiraju magnetsko polje koje se rotira na potpuno isti način: sinhrono.

Oblik izlaznog signala induciranog EMF-a ovisi samo o zakonu raspodjele vektora magnetske indukcije unutar razmaka između polova rotora i ploča statora. Stoga pokušavaju stvoriti takav dizajn kada se veličina indukcije mijenja prema sinusoidnom zakonu.

Kada zazor ima konstantnu karakteristiku, tada se vektor magnetne indukcije unutar praznine stvara u obliku trapeza, kao što je prikazano na linijskom grafikonu 1.

Ako se, s druge strane, oblik ivica na polovima ispravi tako da bude kos sa promjenom zazora na maksimalnu vrijednost, tada se može postići sinusoidna raspodjela, kao što je prikazano linijom 2. Ova tehnika se koristi u praksa.

Pobudna kola za sinhrone generatore

Magnetomotorna sila koja nastaje na pobudnom namotu "OB" rotora stvara njegovo magnetsko polje. Da biste to učinili, postoje različiti dizajni DC uzbuđivača zasnovani na:

1. način kontakta;

2. beskontaktni način.

U prvom slučaju koristi se poseban generator, koji se zove uzbuđivač "B". Njegov pobudni namotaj napaja se dodatnim generatorom po principu paralelne pobude, koji se naziva "PV" podpobuđivač.

Svi rotori su postavljeni na zajedničku osovinu. Zbog toga se rotiraju potpuno isto. Reostati r1 i r2 se koriste za regulaciju struja u krugovima pobudnika i podpobudnika.

Beskontaktnom metodom Nedostaju klizni prstenovi rotora. Direktno na njega je montiran trofazni namotaj pobudnika. On rotira sinhrono sa rotorom i prenosi kroz korotirajući ispravljač električnu jednosmernu struju direktno na namotaj pobudnika "B".

Vrste beskontaktnih kola su:

1. samouzbudni sistem iz sopstvenog namotaja statora;

2. automatska šema.

Sa prvom metodom napon iz namotaja statora se dovodi do opadajućeg transformatora, a zatim do poluvodičkog ispravljača "PP", koji stvara jednosmjernu struju.

U ovoj metodi, početna pobuda je stvorena fenomenom zaostalog magnetizma.

Automatska shema za stvaranje samouzbude uključuje korištenje:

naponski transformator TN;

automatizovani regulator pobude AVR;

strujni transformator TT;

ispravljački transformator VT;

tiristorski pretvarač TP;

BZ zaštitna jedinica.

Karakteristike asinhronih generatora

Osnovna razlika između ovih dizajna je odsustvo krute veze između brzina rotora (nr) i EMF inducirane u namotu (n). Uvek postoji razlika između njih, koja se zove "slip". Označava se latiničnim slovom "S" i izražava se formulom S=(n-nr)/n.

Kada je opterećenje spojeno na generator, stvara se kočni moment za rotaciju rotora. Utječe na frekvenciju generiranog EMF-a, stvara negativno klizanje.

Dizajn rotora za asinhrone generatore je napravljen:

kratko spojen;

faza;

šuplje.

Asinhroni generatori mogu imati:

1. nezavisna pobuda;

2. samouzbuđenje.

U prvom slučaju koristi se vanjski izvor izmjeničnog napona, au drugom se koriste poluvodički pretvarači ili kondenzatori u primarnom, sekundarnom ili oba tipa kola.

Dakle, generatori naizmjenične i jednosmjerne struje imaju mnogo zajedničkih karakteristika u principima konstrukcije, ali se razlikuju u dizajnu pojedinih elemenata.