Il termine "generazione" in ingegneria elettrica deriva dalla lingua latina. Significa "nascita". In relazione all'energia, possiamo dire che i generatori sono chiamati dispositivi tecnici coinvolti nella generazione di elettricità.

Allo stesso tempo, va notato che è possibile produrre corrente elettrica convertendo vari tipi di energia, ad esempio:

chimico;

luce;

termico e altri.

Storicamente, i generatori sono stati chiamati strutture che convertono l'energia cinetica di rotazione in elettricità.

A seconda del tipo di elettricità generata, i generatori sono:

1. CC;

2. variabile.

Le leggi fisiche che consentono la realizzazione di moderni impianti elettrici per la generazione di elettricità attraverso la trasformazione dell'energia meccanica sono state scoperte dagli scienziati Oersted e Faraday.

Nella progettazione di qualsiasi generatore, si realizza quando la corrente elettrica viene generata in un circuito chiuso a causa della sua intersezione con un campo magnetico rotante, che viene creato in modelli domestici semplificati o da avvolgimenti di campo su prodotti industriali ad alta potenza.

Quando il telaio ruota, l'ampiezza del flusso magnetico cambia.

La forza elettromotrice indotta nella bobina dipende dalla velocità di variazione del flusso magnetico che penetra nell'anello nel circuito chiuso S ed è direttamente proporzionale al suo valore. Più velocemente ruota il rotore, maggiore è la tensione generata.

Per creare un circuito chiuso e deviare da esso la corrente elettrica, è stato necessario creare un collettore e un gruppo spazzole che fornissero un contatto costante tra il telaio rotante e la parte fissa del circuito.

A causa del design delle spazzole a molla, premute contro le piastre del collettore, la corrente elettrica viene trasferita ai terminali di uscita e da essi entra quindi nella rete del consumatore.

Il principio di funzionamento del generatore CC più semplice

Quando il telaio ruota attorno all'asse, le sue metà sinistra e destra passano ciclicamente attorno ai poli sud o nord dei magneti. In essi, ogni volta c'è un cambiamento nella direzione delle correnti nell'opposto, in modo che a ciascun polo scorrano in una direzione.

Per creare una corrente continua nel circuito di uscita, viene creato un semianello sul nodo del collettore per ciascuna metà dell'avvolgimento. I pennelli adiacenti all'anello tolgono il potenziale solo del loro segno: positivo o negativo.

Poiché il semicerchio del telaio rotante è aperto, in esso vengono creati momenti quando la corrente raggiunge il suo valore massimo o è assente. Per mantenere non solo la direzione, ma anche il valore costante della tensione generata, il telaio è realizzato utilizzando una tecnologia appositamente preparata:

usa non un giro, ma diversi, a seconda dell'entità della tensione pianificata;

il numero di frame non è limitato a un'istanza: stanno cercando di crearne un numero sufficiente per mantenere in modo ottimale le cadute di tensione allo stesso livello.

In un generatore CC, gli avvolgimenti del rotore sono posizionati in scanalature. Ciò consente di ridurre le perdite del campo elettromagnetico indotto.

Caratteristiche di progettazione dei generatori CC

Gli elementi principali del dispositivo sono:

telaio di alimentazione esterno;

poli magnetici;

statore;

rotore rotante;

unità di commutazione con spazzole.

Il corpo è realizzato in leghe di acciaio o ghisa per conferire robustezza meccanica alla struttura complessiva. Un ulteriore compito dell'alloggiamento è trasferire il flusso magnetico tra i poli.

I poli dei magneti sono fissati al corpo con prigionieri o bulloni. Su di essi è montato un avvolgimento.

Lo statore, chiamato anche giogo o nucleo, è realizzato con materiali ferromagnetici. L'avvolgimento della bobina di eccitazione è posizionato su di esso. Nucleo statore dotato di poli magnetici che ne formano il campo di forza magnetico.

Rotor ha un sinonimo: ancora. Il suo circuito magnetico è costituito da piastre laminate, che riducono la formazione di correnti parassite e aumentano l'efficienza. Le fessure del nucleo contengono avvolgimenti del rotore e/o di autoeccitazione.

Cambio di nodo con spazzole può avere un numero di poli diverso, ma è sempre un multiplo di due. Il materiale della spazzola è solitamente grafite. Le piastre del collettore sono realizzate in rame, come il metallo più ottimale, adatto alle proprietà elettriche della conducibilità della corrente.

Attraverso l'uso di un commutatore, viene generato un segnale pulsante ai terminali di uscita del generatore CC.

I principali tipi di progetti di generatori CC

In base al tipo di alimentazione dell'avvolgimento di eccitazione, i dispositivi si distinguono:

1. con autoeccitazione;

2. lavorare sulla base dell'inclusione indipendente.

I primi prodotti possono:

utilizzare magneti permanenti;

o funzionare da fonti esterne, come batterie, turbine eoliche...

I generatori con commutazione indipendente funzionano dal proprio avvolgimento, che può essere collegato:

in sequenza;

shunt o eccitazione parallela.

Una delle opzioni per tale connessione è mostrata nel diagramma.

Un esempio di generatore CC è un progetto che in passato veniva spesso utilizzato nella tecnologia automobilistica. Il suo dispositivo è lo stesso di un motore asincrono.

Tali strutture di collettori sono in grado di funzionare contemporaneamente in modalità motore o generatore. Per questo motivo, si sono diffusi nei veicoli ibridi esistenti.

Il processo di formazione della reazione di ancoraggio

Si verifica in modalità inattiva quando la forza di pressione delle spazzole è regolata in modo errato, il che crea una modalità non ottimale del loro attrito. Ciò potrebbe comportare una riduzione dei campi magnetici o un incendio a causa della maggiore generazione di scintille.

I modi per ridurlo sono:

compensazione dei campi magnetici collegando poli aggiuntivi;

regolazione dello spostamento della posizione delle spazzole del collettore.

Vantaggi dei generatori di corrente continua

Questi includono:

nessuna perdita di isteresi e formazione di correnti parassite;

lavorare in condizioni estreme;

peso ridotto e dimensioni contenute.

Il principio di funzionamento dell'alternatore più semplice

All'interno di questo design, vengono utilizzati tutti gli stessi dettagli della controparte precedente:

un campo magnetico;

telaio rotante;

collettore con spazzole per la rimozione della corrente.

La principale differenza sta nel design dell'unità di raccolta, che è progettata in modo tale che quando il telaio ruota attraverso le spazzole, si crea costantemente un contatto con la sua metà del telaio senza un cambio ciclico della loro posizione.

Per questo motivo la corrente, che varia secondo le leggi delle armoniche in ciascuna metà, viene trasferita completamente inalterata alle spazzole e quindi attraverso di esse al circuito dell'utenza.

Naturalmente, il telaio è stato creato avvolgendo non da un giro, ma da un numero calcolato di essi per ottenere la tensione ottimale.

Pertanto, il principio di funzionamento dei generatori CC e CA è comune e le differenze di progettazione riguardano la produzione di:

gruppo collettore di un rotore rotante;

configurazioni di avvolgimento sul rotore.

Caratteristiche progettuali degli alternatori industriali

Considera le parti principali di un generatore a induzione industriale, in cui il rotore riceve un movimento rotatorio da una turbina vicina. Il design dello statore include un elettromagnete (sebbene il campo magnetico possa essere creato da una serie di magneti permanenti) e un avvolgimento del rotore con un certo numero di giri.

All'interno di ciascuna spira viene indotta una forza elettromotrice, che si somma sequenzialmente in ciascuna di esse e forma ai terminali di uscita il valore totale della tensione fornita al circuito di alimentazione delle utenze collegate.

Per aumentare l'ampiezza dell'EMF all'uscita del generatore, viene utilizzato un design speciale del sistema magnetico, costituito da due circuiti magnetici attraverso l'uso di gradi speciali di acciaio elettrico sotto forma di piastre laminate con scanalature. Gli avvolgimenti sono montati al loro interno.

Nell'alloggiamento del generatore è presente un nucleo statore con fessure per accogliere un avvolgimento che crea un campo magnetico.

Il rotore rotante su cuscinetti ha anche un circuito magnetico con scanalature, all'interno del quale è montato un avvolgimento che riceve un EMF indotto. Di solito, la direzione orizzontale viene scelta per adattarsi all'asse di rotazione, sebbene esistano modelli di generatori con disposizione verticale e un design del cuscinetto corrispondente.

Si crea sempre uno spazio tra lo statore e il rotore, necessario per garantire la rotazione ed evitare inceppamenti. Ma, allo stesso tempo, perde l'energia dell'induzione magnetica. Pertanto, cercano di renderlo il più piccolo possibile, tenendo conto in modo ottimale di entrambi questi requisiti.

L'eccitatore situato sullo stesso albero del rotore è un generatore elettrico a corrente continua con potenza relativamente bassa. Il suo scopo è fornire energia agli avvolgimenti del generatore di corrente in uno stato di eccitazione indipendente.

Tali eccitatori vengono spesso utilizzati con i progetti di turbine o generatori di potenza idraulica durante la creazione del metodo di eccitazione principale o di riserva.

L'immagine di un generatore industriale mostra la posizione degli anelli collettori e delle spazzole per raccogliere le correnti dalla struttura del rotore rotante. Questo gruppo subisce carichi meccanici ed elettrici costanti durante il funzionamento. Per superarli, viene creata una struttura complessa che, durante il funzionamento, richiede ispezioni periodiche e l'attuazione di misure preventive.

Per ridurre i costi operativi creati viene utilizzata un'altra tecnologia alternativa, che sfrutta anche l'interazione tra campi elettromagnetici rotanti. Sul rotore sono posizionati solo magneti permanenti o elettrici e la tensione viene rimossa dall'avvolgimento posizionato in modo permanente.

Quando si crea un tale circuito, un tale progetto può essere chiamato il termine "alternatore". Viene utilizzato nei generatori sincroni: ad alta frequenza, automobili, locomotive diesel e navi, installazioni di centrali elettriche per la produzione di energia.

Caratteristiche dei generatori sincroni

Principio operativo

Il nome e la caratteristica distintiva dell'azione risiede nella creazione di una rigida connessione tra la frequenza della forza elettromotrice variabile indotta nell'avvolgimento statorico "f" e la rotazione del rotore.

Nello statore è montato un avvolgimento trifase e sul rotore è montato un elettromagnete con un nucleo e un avvolgimento di eccitazione alimentato da circuiti CC attraverso un gruppo collettore a spazzole.

Il rotore è azionato da una fonte di energia meccanica: un motore di azionamento con la stessa velocità. Il suo campo magnetico fa lo stesso movimento.

Negli avvolgimenti dello statore vengono indotte forze elettromotrici della stessa intensità, ma spostate di 120 gradi nella direzione, creando un sistema simmetrico trifase.

Quando sono collegate alle estremità degli avvolgimenti dei circuiti di consumo, le correnti di fase iniziano ad agire nel circuito, che formano un campo magnetico che ruota esattamente allo stesso modo: in modo sincrono.

La forma del segnale di uscita dell'EMF indotto dipende solo dalla legge di distribuzione del vettore di induzione magnetica all'interno dello spazio tra i poli del rotore e le piastre dello statore. Pertanto, stanno cercando di creare un tale progetto quando l'entità dell'induzione cambia secondo una legge sinusoidale.

Quando lo spazio ha una caratteristica costante, il vettore di induzione magnetica all'interno dello spazio viene creato sotto forma di un trapezio, come mostrato nel grafico a linee 1.

Se, tuttavia, la forma dei bordi ai poli viene corretta in obliqua con una variazione dello spazio vuoto fino a un valore massimo, è possibile ottenere una distribuzione sinusoidale, come mostrato dalla riga 2. Questa tecnica viene utilizzata nella pratica.

Circuiti di eccitazione per generatori sincroni

La forza magnetomotrice che si forma sull'avvolgimento di eccitazione "OB" del rotore crea il suo campo magnetico. Per fare ciò, esistono diversi modelli di eccitatori DC basati su:

1. metodo di contatto;

2. modo contactless.

Nel primo caso viene utilizzato un generatore separato, chiamato eccitatore "B". Il suo avvolgimento di eccitazione è alimentato da un generatore aggiuntivo secondo il principio dell'eccitazione parallela, chiamato subeccitatore "PV".

Tutti i rotori sono posizionati su un albero comune. Per questo motivo, ruotano esattamente allo stesso modo. I reostati r1 e r2 vengono utilizzati per regolare le correnti nei circuiti dell'eccitatore e del sottoeccitatore.

Con metodo contactless Mancano gli anelli collettori del rotore. Un avvolgimento dell'eccitatore trifase è montato direttamente su di esso. Ruota in modo sincrono con il rotore e trasmette, tramite un raddrizzatore corotante, una corrente elettrica continua direttamente all'avvolgimento eccitatore "B".

Le varietà di circuiti contactless sono:

1. sistema di autoeccitazione dal proprio avvolgimento statorico;

2. schema automatizzato.

Con il primo metodo la tensione dagli avvolgimenti dello statore viene alimentata a un trasformatore riduttore e quindi a un raddrizzatore a semiconduttore "PP", che genera corrente continua.

In questo metodo, l'eccitazione iniziale è creata dal fenomeno del magnetismo residuo.

Lo schema automatico per creare l'autoeccitazione include l'uso di:

trasformatore di tensione TN;

regolatore di eccitazione automatizzato ATS;

trasformatore di corrente TT;

trasformatore raddrizzatore TV;

convertitore a tiristori TP;

Unità di protezione BZ.

Caratteristiche dei generatori asincroni

La differenza fondamentale tra queste strutture è l'assenza di una connessione rigida tra le velocità del rotore (nr) e l'EMF indotto nell'avvolgimento (n). C'è sempre una differenza tra loro, che si chiama "slittamento". È indicato dalla lettera latina "S" ed espresso dalla formula S=(n-nr)/n.

Quando un carico è collegato al generatore, viene creata una coppia frenante per ruotare il rotore. Influisce sulla frequenza dell'EMF generato, crea uno slittamento negativo.

La progettazione del rotore per generatori asincroni è realizzata:

cortocircuitato;

fase;

vuoto.

I generatori asincroni possono avere:

1. eccitazione indipendente;

2. autoeccitazione.

Nel primo caso, viene utilizzata una sorgente di tensione CA esterna e nel secondo vengono utilizzati convertitori o condensatori a semiconduttore nel circuito primario, secondario o in entrambi i tipi.

Pertanto, i generatori di corrente alternata e continua hanno molte caratteristiche comuni nei principi di costruzione, ma differiscono nella progettazione di alcuni elementi.