オルタネーター装置-コンセントにない場合にエネルギーを供給する方法

こんにちは、電気技師と電子機器の世界の愛好家。私たちのサイトをよく見ると、ごく最近、DC発電機の配置と動作に関する膨大な資料が公開されたことを覚えているでしょう。最も単純な実験室のプロトタイプから最新の作業ユニットまで、その構造を詳細に説明しました。まだ読んでいない場合は、必ず読んでください。

今日はこのトピックを開発し、オルタネーターの原理が何であるかを理解します。その応用分野、品種などについて話しましょう。

最も基本的なものから始めましょう。交流は、一定の周期性で運動の方向を変えるという点で直流とは異なります。また、値も変更されます。これについては、後で詳しく説明します。

「T」と呼ぶ一定の期間の後、現在のパラメータの値が繰り返されます。これは、グラフ上で正弦波として表すことができます。これは、中央を同じ振幅で通過する波線です。ライン。

基本理念

したがって、以前はオルタネーターと呼ばれていた交流発電機の目的と装置は、運動エネルギー、つまり機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することです。最新の発電機の大部分は回転磁界を使用しています。

このようなデバイスは、導電性材料のコイル（通常は銅線）が磁場内で回転すると、起電力（EMF）が発生するときに電磁誘導によって機能します。
導体が力場の磁力線を横切り始める瞬間に電流が形成され始めます。

さらに、導体内のEMFのピーク値は、それが磁場の主極を通過するときに達成されます。それらが力線に沿ってスライドする瞬間には、誘導は発生せず、EMFはゼロに低下します。提示された図のいずれかを見てください。最初の状態はフレームが垂直位置にあるときに観察され、2番目の状態は水平になっているときに観察されます。

進行中のプロセスをよりよく理解するには、学校の全員が研究した右手の法則を覚えておく必要がありますが、覚えている人はほとんどいません。その本質は、磁力線が手のひらの側面から入るように右手を置くと、脇に置いた親指が導体の動きの方向を示し、残りの指が方向を示すという事実にあります。その中で発生する起電力の。
上の図の「a」の位置を見てください。この時点で、フレーム内のEMFはゼロです。矢印はその移動方向を示しています。フレームの一部Aは磁石の北極に向かって移動し、Bは南に移動してEMFが最大になります。上記の右手の法則を適用すると、電流が部分「B」で私たちの方向に流れ始め、部分「A」で私たちから離れて流れ始めることがわかります。
フレームはさらに回転し、回路の電流はフレームが再び水平位置になるまで低下し始めます（c）。
フレームのパーツが初期位置と比較して場所が変わっているため、さらに回転させると、電流が反対方向に流れ始めます。

半回転後、すべてが再び元の状態に戻り、サイクルが再び繰り返されます。その結果、フレームが完全に回転する間に、電流は最大値まで2倍に増加し、ゼロに低下し、最初の動きに対して方向を1回変更することがわかりました。

交流電流

循環周期の持続時間は１秒であり、周期数「Ｔ」は電流の周波数であると一般に認められている。ロシアとヨーロッパの標準的な電気ネットワークでは、1秒間に、電流の方向が50回（1秒あたり50周期）変化します。

エレクトロニクスでは、そのような期間の1つは、ドイツの物理学者G.Hertzにちなんで名付けられた特別なユニットによって指定されます。つまり、ロシアのネットワークの特定の例では、現在の周波数は50ヘルツです。

一般に、交流は次の事実により、電子機器で非常に幅広い用途があります。可動部品のない変圧器を使用すると、その電圧を非常に簡単に変更できます。いつでも直流に変換できます。このような発電機の装置は、直流を生成する場合よりもはるかに信頼性が高く、単純です。

オルタネーターの構造

交流発電機の配置は原理的には理解できますが、定電流を発生させる仲間と比較すると、すぐには違いがわかりません。

主な動作部品とその接続

前の資料を読んだら、最も単純な回路のフレームが、分離された接触プレートに分割されたコレクターに接続され、次に、それに沿ってスライドするブラシに接続され、外部回路が接続されたことを覚えているでしょう。。

コレクタープレートはブラシで絶えず変化しているため、電流の方向に変化はありません-それは単に脈動し、一方向に移動します。つまり、コレクターは整流器です。

交流の場合、そのような装置は必要ないので、フレームの端が結び付けられているスリップリングに置き換えられます。構造全体が中心軸を中心に一緒に回転します。ブラシはリングに隣接しており、リングに沿ってスライドするため、常に接触します。
直流の場合と同様に、ループのさまざまな部分で発生するEMFが合計され、このパラメーターの結果の値が形成されます。この場合、ブラシを介して接続された外部回路に電流が流れます（負荷抵抗RHを接続した場合）。
上記の例では、「T」はフレームの1回転に相当します。このことから、発電機によって生成される電流の周波数は、1秒あたりの電機子（フレーム）、つまりローターの回転速度に直接依存するという論理的な結論を下すことができます。ただし、これはそのような単純なジェネレーターにのみ適用されます。

極のペアの数を増やすと、アーマチュアの1回転あたりの完全な電流変化の数が発電機で比例して増加し、その周波数は次の式に従って異なる方法で測定されます。f = np、ここでfは周波数です。 nは1秒あたりの回転数、pはデバイスの磁極のペアの数です。

上で書いたように、交流の流れは正弦波でグラフィカルに表されるため、このような電流は正弦波とも呼ばれます。このような電流の特性の一定性を指定する主な条件をすぐに特定できます。これは、磁場の均一性（その一定値）と、それが誘導される電機子の一定の回転速度です。
デバイスを十分に強力にするために、それは電磁石を使用します。上の図に示したように、EMFが誘導される回転子巻線も、オペレーティングユニットのフレームではありません。非常に多くの導体が使用されており、特定のスキームに従って相互に接続されています。

知っておくと面白い！ EMFの形成は、導体が磁場に対して変位する場合だけでなく、磁場自体が導体に対して移動する場合にも発生します。これは、電気モーターや発電機の設計者によって積極的に使用されています。

この特性により、EMFが誘導される巻線を、デバイスの回転する中央部分だけでなく、固定部分にも配置できます。この場合、磁石、つまり極が動き始めます。

この構造では、発電機の外部巻線、つまり電源回路に可動部品（リングとブラシ）は必要ありません。接続は堅固で、多くの場合ボルトで固定されています。
はい。ただし、これらの同じ要素を励起巻線に取り付ける必要があると合理的に主張することができます。したがって、ここを流れる電流は発電機の総電力よりもはるかに少なくなり、電流供給の構成が大幅に簡素化されます。要素はサイズと重量が小さく、信頼性が高いため、この設計は、特にディーゼル機関車に取り付けられた牽引ユニットなどの強力なユニットで最も人気があります。
したがって、電流収集に問題がない低電力発電機について話している場合、回転電機子巻線と固定磁石（インダクタ）を備えた「古典的な」回路がよく使用されます。

アドバイス！ちなみに、オルタネーターの固定部分は静止しているので固定子と呼ばれ、回転部分は回転子と呼ばれます。

オルタネーターの種類

ジェネレータは、いくつかの基準に従って分類および区別できます。それらに名前を付けましょう。

三相発電機

それらは相の数が異なり、1相、2相、および3相である可能性があります。実際には、後者のオプションが最も広く使用されています。

上の写真からわかるように、ユニットの電源部分には、固定子に円を描くように配置された3つの独立した巻線があり、互いに120度オフセットされています。
この場合の回転子は電磁気学であり、回転すると、巻線に可変EMFが誘導され、「T」周期、つまりサイクルの3分の1だけ時間的に互いにシフトします。実際、各巻線は、外部回路Rに交流を供給する個別の単相発電機です。つまり、電流I（1,2,3）の3つの値と、同じ数の回路があります。このような各巻線は、外部回路とともに、相と呼ばれます。

発電機につながるワイヤの数を減らすために、エネルギー消費者から発電機につながる3本のリターンワイヤが1本の共通ワイヤに置き換えられ、各相からの電流が流れます。このような一般的なワイヤはゼロと呼ばれます
そのような発電機のすべての巻線の接続は、それらの端が互いに接続されている場合、スターと呼ばれます。巻線の始まりと電力の消費者を接続する別々の3本のワイヤーは線形と呼ばれます-それらは伝送に使用されます。
すべての相の負荷が同じである場合、中性線の合計電流がゼロになるため、中性線の必要性は完全になくなります。それはどのように起こりますか？すべてが非常に単純です-原理の概念としては、各正弦波電流の代数値を120度位相をずらして追加するだけで十分です。上の図は、その上の曲線が発電機の3つのフェーズでの電流の変化であると想像すると、この原理を理解するのに役立ちます。
相の負荷が同じでない場合、中性線は電流を流し始めます。そのため、4線式スター接続が一般的です。これにより、その時点でネットワークに接続されている電化製品を節約できます。

ラインワイヤ間の電圧は線形と呼ばれ、各相の電圧は相と呼ばれます。相に流れる電流も線形です。
スター接続方式だけではありません。 3つの巻線を直列に接続する別のオプションがあります。1つの巻線の端が2番目の巻線の先頭に接続されている場合など、閉じたリングが形成されるまで続きます（上の図「b」を参照）。発電機から来るワイヤーは、巻線の接合部で接続されています。
この場合、相電圧と線形電圧は同じになり、線形ワイヤの電流は、同じ負荷で相よりも大きくなります。
このような接続には、三相発電機の主な利点である中性線も必要ありません。ワイヤーの数が少ないと、使用される非鉄金属が少なくなるため、簡単で安価になります。

三相接続方式のもう1つの特徴は、回転磁界の出現です。これにより、シンプルで信頼性の高い非同期電気モーターを作成できます。

しかし、それだけではありません。単相電流を整流すると、整流器の出力にゼロから最大値までのリップルの電圧が得られます。そのような装置の動作原理を理解すれば、その理由は明らかだと思います。時間に位相シフトがある場合、リップルは大幅に減少し、8％を超えません。

見た目の違い

ジェネレーターも外観が異なり、2つあります。

同期オルタネーター-このようなユニットの主な特徴は、巻線に誘導される可変EMFの周波数と同期速度、つまりローターの回転との間の強固な接続です。

上の図を見てください。その上に、三角パターンで接続された三相巻線を備えた固定子があります。これは、誘導電動機のものと大差ありません。
励起巻線を備えた電磁石は、直流によって電力が供給される発電機の回転子に配置されており、既知の方法で印加することができます。これについては、後で詳しく説明します。
電磁石の代わりに定数を使用することができます。そうすれば、ブラシやスリップリングの形で回路のスライド部分の必要性が完全になくなります。そのような発電機は十分に強力ではなく、通常は安定させることができません。出力電圧。
ドライブはローターシャフト（機械的エネルギーを生成するモーター）に接続され、特定の同期速度で動作します。
主極の磁界は回転子とともに回転するため、可変EMFの誘導は固定子巻線で始まります。これは、E1、E2、およびE3として表すことができます。これらの変数の値は同じですが、何度も言われているように、位相が120度ずれています。一緒に、これらの値は対称的な三相EMFシステムを形成します。
負荷は点C1、C2、C3に接続され、電流I1、I2、Iが固定子の巻線相に現れます。このとき、各固定子相自体が強力な電磁石になり、回転磁界を生成します。
固定子の磁場の回転数は、回転子の回転数に対応します。

非同期発電機-EMFの周波数とローターの回転が互いにしっかりと結びついていないという点で、上記の例とは異なります。これらのパラメータの違いはスリップと呼ばれます。

通常の動作モードでのこのような発電機の電磁場は、負荷がかかった状態でローターの回転にブレーキトルクを及ぼすため、磁場の変化の頻度は低くなります。
これらのユニットは、複雑なアセンブリの作成や高価な材料の使用を必要としないため、デバイス自体のメンテナンスが容易でシンプルなため、車両の電気モーターとして広く使用されています。これらの発電機は過負荷や短絡に耐性がありますが、電流の周波数に大きく依存するデバイスには適用できません。

巻線励起法

私が触れたいモデル間の最後の違いは、励起巻線への電力供給方法に関連しています。

ここには4つのタイプがあります。

電力はサードパーティの電源を介して巻線に供給されます。
自励式発電機-電力は発電機自体から取得され、電圧は整流されます。ただし、非アクティブ状態では、このような発電機は始動するのに十分な電圧を生成できず、そのために回路でバッテリーが使用され、始動中に作動します。
同じシャフトに取り付けられた低電力の別の発電機によって電力を供給される励起巻線を備えたオプション。 2番目のジェネレーターは、同じバッテリーなどのサードパーティのソースから既に起動している必要があります。
後者の種類は、デバイスに永久磁石が使用されているため、励起巻線がないため、励起巻線に電力を供給する必要はありません。

実際のオルタネーターの使用

このような発電機は、電気エネルギーが必要とされる人間の活動のほとんどすべての分野で使用されます。さらに、その抽出の原理は、デバイスのシャフトを動かす方法のみが異なります。これが、水力発電所、熱発電所、さらには原子力発電所の仕組みです。

これらのステーションは、エンドコンシューマー、つまり私たち全員が接続されている有線でパブリックネットワークに電力を供給します。しかし、輸送、送電線から遠く離れた建設現場、非常に遠い村、シフト、掘削リグなど、この方法で電気エネルギーを供給することが不可能な多くのオブジェクトがあります。

これはただ一つのことを意味します-あなたはあなた自身の発電機とそれを動かすエンジンを必要とします。私たちの生活の中でいくつかの小さくて一般的なデバイスを見てみましょう。

自動車用オルタネーター

写真-車用の発電機

誰かがすぐにこう言うかもしれません。 DC発電機です！はい、確かにそうですが、整流器の存在だけがそうするので、これは非常に電流が一定になります。動作の基本原理も同じです。すべて同じローター、すべて同じ電磁石などです。

この装置は、シャフトの回転速度に関係なく、12Vの電圧を生成するように機能します。この電圧は、励起巻線に電力を供給するレギュレーターによって提供されます。励起巻線が始まり、車のバッテリーから電力が供給され、ユニットのローターが車のエンジンによってプーリーを介して駆動され、その後、EMFが誘導され始めます。

三相電流を整流するために、いくつかのダイオードが使用されています。