Salve, intenditori del mondo degli elettricisti e dell'elettronica. Se guardi spesso il nostro sito, probabilmente ricorderai che di recente abbiamo rilasciato un materiale piuttosto voluminoso su come funziona e funziona un generatore CC. Abbiamo descritto in dettaglio la sua struttura dai più semplici prototipi di laboratorio alle moderne unità di lavoro. Assicurati di leggerlo se non l'hai già fatto.

Oggi svilupperemo questo argomento e scopriremo qual è il principio dell'alternatore. Parliamo delle aree di applicazione, delle varietà e molto altro.

Cominciamo con il più elementare: la corrente alternata differisce dalla corrente continua in quanto cambia la sua direzione di movimento con una certa periodicità. Cambia anche il valore, di cui parleremo più dettagliatamente in seguito.

Dopo un certo periodo di tempo, che chiameremo "T", si ripetono i valori dei parametri attuali, che possono essere rappresentati sul grafico come una sinusoide, una linea ondulata che passa con la stessa ampiezza per il centro linea.

Principi di base

Quindi, lo scopo e il dispositivo dei generatori di corrente alternata, precedentemente chiamati alternatore, è convertire l'energia cinetica, cioè meccanica, in energia elettrica. La stragrande maggioranza dei generatori moderni utilizza un campo magnetico rotante.

• Tali dispositivi funzionano a causa dell'induzione elettromagnetica, quando, quando una bobina di materiale conduttivo (solitamente filo di rame) ruota in un campo magnetico, si genera una forza elettromotrice (EMF).
• La corrente inizia a formarsi nel momento in cui i conduttori iniziano ad attraversare le linee magnetiche del campo di forza.

• Inoltre, il valore di picco dell'EMF nel conduttore si ottiene quando passa attraverso i poli principali del campo magnetico. In quei momenti in cui scivolano lungo le linee di forza, l'induzione non si verifica e l'EMF scende a zero. Dai un'occhiata a uno qualsiasi dei diagrammi presentati: il primo stato verrà osservato quando la cornice assume una posizione verticale e il secondo quando è orizzontale.

• Per una migliore comprensione dei processi in corso, è necessario ricordare la regola della mano destra, che è stata studiata da tutti a scuola, ma che pochi ricordano. La sua essenza sta nel fatto che se posizioni la mano destra in modo che le linee del campo magnetico entrino in essa dal lato del palmo, il pollice messo da parte indicherà la direzione del movimento del conduttore e le dita rimanenti indicheranno la direzione della fem che vi sorge.
• Dai un'occhiata al diagramma sopra, posizione "a". In questo momento, l'EMF nel frame è zero. Le frecce mostrano la direzione del suo movimento: parte del telaio A si sposta verso il polo nord del magnete e B - sud, raggiungendo il quale l'EMF sarà massimo. Applicando la regola della mano destra sopra descritta, vediamo che la corrente inizia a fluire nella parte "B" nella nostra direzione e nella parte "A" - lontano da noi.
• Il telaio ruota ulteriormente e la corrente nel circuito inizia a diminuire finché il telaio non assume nuovamente una posizione orizzontale (c).
• Un'ulteriore rotazione fa sì che la corrente inizi a fluire nella direzione opposta, poiché le parti del telaio hanno cambiato posizione rispetto alla posizione iniziale.

Dopo mezzo giro, tutto tornerà di nuovo al suo stato originale e il ciclo si ripeterà di nuovo. Di conseguenza, abbiamo ottenuto che durante il giro completo del telaio, la corrente è aumentata due volte al massimo e è scesa a zero, e una volta ha cambiato la sua direzione rispetto al movimento iniziale.

Corrente alternata

È generalmente accettato che la durata del periodo di circolazione sia di 1 secondo e il numero di periodi "T" sia la frequenza della corrente elettrica. Nelle reti elettriche standard in Russia e in Europa, in un secondo, la corrente cambia direzione 50 volte - 50 periodi al secondo.

In elettronica, uno di questi periodi è designato da un'unità speciale intitolata al fisico tedesco G. Hertz. Cioè, nell'esempio dato delle reti russe, la frequenza attuale è di 50 hertz.

In generale, la corrente alternata ha trovato un'applicazione molto ampia in elettronica per il fatto che: la sua tensione è molto facile da cambiare utilizzando trasformatori che non hanno parti in movimento; può sempre essere convertito in corrente continua; il dispositivo di tali generatori è molto più affidabile e semplice rispetto alla generazione di corrente continua.

La struttura dell'alternatore

Come è organizzato un generatore di corrente alternata, in linea di principio, è comprensibile, ma quando lo si confronta con un altro per la generazione di una corrente costante, non è immediatamente possibile cogliere la differenza.

Principali parti di lavoro e loro collegamento

Se leggi il materiale precedente, probabilmente ricorderai che il telaio nel circuito più semplice era collegato a un collettore diviso in piastre di contatto isolate e che, a sua volta, era collegato a spazzole che scorrevano lungo di esso, attraverso le quali era collegato il circuito esterno .

A causa del fatto che le piastre del collettore cambiano costantemente con le spazzole, non vi è alcun cambiamento nella direzione della corrente: pulsa semplicemente, muovendosi in una direzione, ovvero il collettore è un raddrizzatore.

• Per la corrente alternata, un tale dispositivo non è necessario, quindi viene sostituito da collettori rotanti, a cui sono legate le estremità del telaio. L'intera struttura ruota insieme attorno ad un asse centrale. Le spazzole sono adiacenti agli anelli, che scorrono anche lungo di essi, garantendo un contatto costante.
• Come nel caso della corrente continua, verranno sommati i campi elettromagnetici che si verificano in diverse parti del circuito, formando il valore risultante di questo parametro. In questo caso, una corrente elettrica fluirà nel circuito esterno collegato attraverso le spazzole (se ad esso si collega una resistenza di carico RH).
• Nell'esempio sopra, "T" equivale a un giro completo del telaio. Da ciò possiamo trarre una logica conclusione che la frequenza della corrente generata dal generatore dipende direttamente dalla velocità di rotazione dell'indotto (telaio), o in altre parole del rotore, al secondo. Tuttavia, questo vale solo per un generatore così semplice.

Se si aumenta il numero di coppie di poli, il numero di variazioni di corrente complete per giro di armatura aumenterà proporzionalmente nel generatore e la sua frequenza verrà misurata in modo diverso, secondo la formula: f = np, dove f è la frequenza, n è il numero di giri al secondo, p - numero di coppie di poli magnetici del dispositivo.

• Come abbiamo scritto sopra, il flusso di corrente alternata è rappresentato graficamente da una sinusoide, quindi tale corrente è anche detta sinusoidale. È possibile identificare immediatamente le condizioni principali che specificano la costanza delle caratteristiche di tale corrente: questa è l'uniformità del campo magnetico (il suo valore costante) e la velocità di rotazione costante dell'armatura in cui è indotta.
• Per rendere il dispositivo abbastanza potente, utilizza magneti elettrici. Anche l'avvolgimento del rotore, in cui è indotto l'EMF, non è un frame nelle unità operative, come mostrato nei diagrammi sopra. Viene utilizzato un numero molto elevato di conduttori, che sono collegati tra loro secondo un determinato schema.

Interessante da sapere! La formazione di EMF si verifica non solo quando il conduttore viene spostato rispetto al campo magnetico, ma viceversa, quando il campo stesso si sposta rispetto al conduttore, che viene utilizzato attivamente dai progettisti di motori elettrici e generatori.

• Questa proprietà permette di posizionare l'avvolgimento in cui viene indotto l'EMF, non solo sulla parte centrale rotante del dispositivo, ma anche sulla parte fissa. In questo caso si mette in moto il magnete, cioè i poli.

• Con questa struttura, l'avvolgimento esterno del generatore, ovvero il circuito di alimentazione, non necessita di parti mobili (anelli e spazzole) - il collegamento è rigido, spesso imbullonato.
• Sì, ma si può ragionevolmente sostenere che questi stessi elementi dovranno essere installati sull'avvolgimento di eccitazione. Così è, tuttavia, la corrente che scorre qui sarà molto inferiore alla potenza totale del generatore, il che semplifica notevolmente l'organizzazione dell'alimentazione di corrente. Gli elementi saranno di piccole dimensioni e peso e molto affidabili, il che rende questo progetto il più popolare, soprattutto per le unità potenti, ad esempio le unità di trazione installate su locomotive diesel.
• Se parliamo di generatori di bassa potenza, dove la captazione di corrente non presenta difficoltà, quindi, viene spesso utilizzato il circuito “classico”, con avvolgimento ad indotto rotante e magnete fisso (induttore).

Consiglio! A proposito, la parte fissa dell'alternatore è chiamata statore, poiché è statica, e la parte rotante è chiamata rotore.

Tipi di alternatori

I generatori possono essere classificati e distinti in base a diversi criteri. Diamo loro un nome.

Generatori trifase

Possono differire per il numero di fasi ed essere mono, bifase e trifase. In pratica, quest'ultima opzione è la più utilizzata.

• Come si può vedere dall'immagine sopra, la parte di potenza dell'unità ha tre avvolgimenti indipendenti posizionati sullo statore in un cerchio, sfalsati l'uno dall'altro di 120 gradi.
• Il rotore in questo caso è un elettromagnete che, ruotando, induce EMF variabile negli avvolgimenti, che vengono spostati l'uno rispetto all'altro nel tempo di un terzo del periodo "T", cioè il ciclo. Ogni avvolgimento, infatti, è un generatore monofase separato che alimenta con corrente alternata il suo circuito esterno R. Cioè abbiamo tre valori di corrente I (1,2,3) e altrettanti circuiti. Ciascuno di questi avvolgimenti, insieme al circuito esterno, è chiamato fase.

• Per ridurre il numero di fili che conducono al generatore, tre fili di ritorno che conducono ad esso dai consumatori di energia vengono sostituiti con un filo comune, attraverso il quale passeranno le correnti di ciascuna fase. Un tale filo comune è chiamato zero
• La connessione di tutti gli avvolgimenti di un tale generatore, quando le loro estremità sono collegate tra loro, è chiamata stella. I tre fili separati che collegano l'inizio degli avvolgimenti con i consumatori di elettricità sono chiamati lineari: sono usati per la trasmissione.
• Se il carico di tutte le fasi è lo stesso, la necessità di un filo neutro scomparirà completamente, poiché la corrente totale in esso contenuta sarà zero. Come succede, chiedi? Tutto è estremamente semplice: per il concetto di principio è sufficiente aggiungere i valori algebrici di ciascuna corrente sinusoidale, sfasata di 120 gradi. Il diagramma sopra ti aiuterà a capire questo principio se immagini che le curve su di esso siano la variazione di corrente nelle tre fasi del generatore.
• Se il carico nelle fasi non è lo stesso, il filo neutro inizierà a passare corrente. Ecco perché è comune una connessione a stella a 4 fili, in quanto consente di risparmiare gli elettrodomestici che sono collegati alla rete in quel momento.

• La tensione tra i fili di linea è chiamata lineare, mentre la tensione su ciascuna fase è chiamata fase. Anche le correnti che scorrono nelle fasi sono lineari.
• Lo schema di connessione a stella non è l'unico. Esiste un'altra opzione per collegare tre avvolgimenti in serie, quando l'estremità di uno è collegata all'inizio del secondo, e così via, fino a formare un anello chiuso (vedi diagramma sopra "b"). I fili provenienti dal generatore sono collegati alle giunzioni degli avvolgimenti.
• In questo caso le tensioni di fase e lineari saranno le stesse e la corrente del filo lineare sarà maggiore della fase, a parità di carico.
• Tale connessione inoltre non necessita di un filo neutro, che è il principale vantaggio di un generatore trifase. Avere meno fili lo rende più facile e meno costoso grazie ai meno metalli non ferrosi utilizzati.

Un'altra caratteristica dello schema di connessione trifase è l'aspetto di un campo magnetico rotante, che consente di creare motori elettrici asincroni semplici e affidabili.

Ma non è tutto. Quando viene raddrizzata una corrente monofase, all'uscita del raddrizzatore si ottiene una tensione con ondulazioni da zero ad un valore massimo. Il motivo, pensiamo, è chiaro se si comprende il principio di base di funzionamento di un dispositivo del genere. Quando c'è uno sfasamento nel tempo, le increspature si riducono notevolmente, non superando l'8%.

differenza di aspetto

Anche i generatori differiscono nell'aspetto, di cui ce ne sono 2:

• Alternatore sincrono- la caratteristica principale di tale unità è la rigida connessione tra la frequenza dell'EMF variabile, che è indotta nell'avvolgimento e la velocità sincrona, cioè la rotazione del rotore.

1. Dai un'occhiata al diagramma sopra. Su di esso vediamo uno statore con un avvolgimento trifase collegato in uno schema triangolare, che non è molto diverso da quello del motore a induzione.
2. Un elettromagnete con un avvolgimento di eccitazione si trova sul rotore del generatore, alimentato da corrente continua, che può essere applicata ad esso in qualsiasi modo noto - questo sarà descritto più dettagliatamente in seguito.
3. Invece di un elettromagnete, può essere utilizzata una costante, quindi la necessità di parti scorrevoli del circuito, sotto forma di spazzole e collettori rotanti, scompare del tutto, un tale generatore non sarà abbastanza potente e non sarà in grado di stabilizzare normalmente il tensioni di uscita.
4. Un azionamento è collegato all'albero del rotore, qualsiasi motore che crea energia meccanica, ed è messo in moto a una certa velocità sincrona.
5. Poiché il campo magnetico dei poli principali ruota con il rotore, l'induzione dell'EMF variabile inizia nell'avvolgimento dello statore, che può essere indicato come E1, E2 ed E3. Queste variabili avranno lo stesso valore, ma come è stato detto più di una volta, sfasate di 120 gradi. Insieme, questi valori formano un sistema EMF trifase simmetrico.
6. Un carico è collegato ai punti C1, C2 e C3 e le correnti I1, I2 e I compaiono sulle fasi dell'avvolgimento nello statore.In questo momento, ciascuna fase dello statore stessa diventa un potente elettromagnete e crea un campo magnetico rotante.
7. La frequenza di rotazione del campo magnetico dello statore corrisponderà alla frequenza di rotazione del rotore.

• Generatori asincroni- differiscono dall'esempio sopra descritto in quanto le frequenze dell'EMF e la rotazione del rotore non sono rigidamente legate tra loro. La differenza tra questi parametri è chiamata slip.

1. Il campo elettromagnetico di un tale generatore nella normale modalità operativa esercita una coppia frenante sulla rotazione del rotore sotto carico, quindi la frequenza delle variazioni del campo magnetico sarà inferiore.
2. Queste unità non richiedono la realizzazione di assemblaggi complessi e l'utilizzo di materiali costosi, pertanto trovano largo impiego come motori elettrici per veicoli, per la facile manutenzione e semplicità del dispositivo stesso. Questi generatori sono resistenti ai sovraccarichi e ai cortocircuiti, tuttavia non sono applicabili a dispositivi fortemente dipendenti dalla frequenza della corrente.

Metodi di eccitazione degli avvolgimenti

L'ultima differenza tra i modelli che vorrei toccare riguarda il modo in cui viene alimentato l'avvolgimento di eccitazione.

Ci sono 4 tipi qui:

1. L'alimentazione viene fornita all'avvolgimento tramite una fonte di terze parti.
2. Generatori autoeccitati- La potenza viene prelevata dal generatore stesso, mentre la tensione viene raddrizzata. Tuttavia, essendo in uno stato inattivo, un tale generatore non sarà in grado di generare una tensione sufficiente per l'avvio, per cui viene utilizzata una batteria nel circuito, che verrà attivata durante l'avvio.
3. Opzione con avvolgimento di eccitazione alimentato da un altro generatore di potenza inferiore installato con esso sullo stesso albero. Il secondo generatore dovrebbe già partire da una fonte di terze parti, ad esempio la stessa batteria.
4. Quest'ultima varietà non ha bisogno di fornire alimentazione all'avvolgimento di eccitazione, poiché non ce l'ha, perché nel dispositivo viene utilizzato un magnete permanente.

L'uso degli alternatori in pratica

Tali generatori sono utilizzati in quasi tutte le aree dell'attività umana in cui è richiesta energia elettrica. Inoltre, il principio della sua estrazione differisce solo nel modo di mettere in moto l'albero del dispositivo. È così che funzionano le centrali idroelettriche, termiche e persino nucleari.

Queste stazioni alimentano le reti pubbliche via cavo, a cui è collegato il consumatore finale, cioè tutti noi. Tuttavia, ci sono molti oggetti a cui è impossibile fornire energia elettrica in questo modo, ad esempio trasporti, cantieri lontani da linee elettriche, villaggi molto lontani, turni, impianti di perforazione e così via.

Questo significa solo una cosa: hai bisogno del tuo generatore e di un motore che lo metta in moto. Diamo un'occhiata ad alcuni piccoli e comuni dispositivi nelle nostre vite.

Alternatori automobilistici

Nella foto - un generatore elettrico per un'auto

Qualcuno potrebbe subito dire: “Come? È un generatore di corrente continua! Sì, in effetti è così, ma solo la presenza di un raddrizzatore lo rende tale, il che rende costante proprio questa corrente. Il principio di funzionamento di base non è diverso: lo stesso rotore, lo stesso elettromagnete e così via.

Questo dispositivo funziona in modo tale che, indipendentemente dalla velocità di rotazione dell'albero, genera una tensione di 12V, fornita dal regolatore attraverso il quale viene alimentato l'avvolgimento di eccitazione. Inizia l'avvolgimento di eccitazione, alimentato da una batteria per auto, il rotore dell'unità è azionato dal motore dell'auto attraverso una puleggia, dopodiché l'EMF inizia ad essere indotto.

Diversi diodi vengono utilizzati per rettificare la corrente trifase.

Generatore di combustibile liquido

Il dispositivo di un alternatore a benzina, esattamente come uno diesel, non è molto diverso da quello installato nella tua auto, ad eccezione della sfumatura che produrrà corrente alternata, come previsto.

Tra le caratteristiche, si può distinguere che il rotore dell'unità deve ruotare sempre alla stessa velocità, poiché con le cadute la generazione di energia peggiora. Questo è uno svantaggio significativo di tali dispositivi: un effetto simile si verifica quando le parti si usurano.

Interessante da sapere! Se al generatore è collegato un carico inferiore a quello di lavoro, non utilizzerà la sua piena potenza, consumando una parte del carburante liquido per niente.

C'è una vasta selezione di tali unità sul mercato, progettate per capacità diverse. Sono molto popolari per la loro mobilità. Allo stesso tempo, le istruzioni per l'uso sono estremamente semplici: riempire il carburante con le proprie mani, avviare il motore ruotando la chiave e collegare ...

Su questo, forse, finiremo. Abbiamo analizzato lo scopo e la disposizione generale di questi dispositivi nel modo più semplice possibile. Ci auguriamo che l'alternatore e il principio del suo funzionamento ti siano diventati un po' più vicini e con il nostro suggerimento vorrai immergerti nell'affascinante mondo dell'ingegneria elettrica.