Pojem „generácia“ v elektrotechnike pochádza z latinského jazyka. Znamená to „narodenie“. Vo vzťahu k energii môžeme povedať, že generátory sa nazývajú technické zariadenia, ktoré sa podieľajú na výrobe elektriny.

Zároveň je potrebné poznamenať, že elektrický prúd je možné vyrábať premenou rôznych druhov energie, napr.

chemický;

svetlo;

termálne a iné.

Historicky sa generátory nazývali štruktúry, ktoré premieňajú kinetickú energiu rotácie na elektrinu.

Podľa typu vyrobenej elektriny sú generátory:

1. DC;

2. premenlivý.

Fyzikálne zákony, ktoré umožňujú vytvorenie moderných elektrických inštalácií na výrobu elektriny transformáciou mechanickej energie, objavili vedci Oersted a Faraday.

Pri konštrukcii akéhokoľvek generátora sa realizuje, keď sa elektrický prúd generuje v uzavretej slučke v dôsledku jeho priesečníka s rotujúcim magnetickým poľom, ktoré sa vytvára v zjednodušených modeloch pre domácnosť alebo budiacimi vinutiami na priemyselných výrobkoch s vysokým výkonom.

Keď sa rám otáča, mení sa veľkosť magnetického toku.

Elektromotorická sila indukovaná v cievke závisí od rýchlosti zmeny magnetického toku prenikajúceho do slučky v uzavretom obvode S a je priamo úmerná jej hodnote. Čím rýchlejšie sa rotor otáča, tým vyššie je generované napätie.

Aby sa vytvoril uzavretý okruh a odklonil sa z neho elektrický prúd, bolo potrebné vytvoriť zostavu kolektora a kefy, ktorá zaisťuje stály kontakt medzi otočným rámom a stacionárnou časťou okruhu.

Vďaka konštrukcii odpružených kief, pritlačených ku kolektorovým doskám, sa elektrický prúd prenáša na výstupné svorky a z nich potom vstupuje do siete spotrebiteľa.

Princíp činnosti najjednoduchšieho generátora jednosmerného prúdu

Keď sa rám otáča okolo osi, jeho ľavá a pravá polovica prechádzajú cyklicky okolo južného alebo severného pólu magnetov. V nich zakaždým dôjde k zmene smeru prúdov na opačný, takže pri každom póle prúdia jedným smerom.

Aby sa vo výstupnom obvode vytvoril jednosmerný prúd, na uzle kolektora sa pre každú polovicu vinutia vytvorí polovičný krúžok. Kefy priľahlé k krúžku odstraňujú potenciál iba ich znamienka: pozitívne alebo negatívne.

Pretože je polkruh otočného rámu otvorený, vytvárajú sa v ňom momenty, keď prúd dosiahne maximálnu hodnotu alebo chýba. Aby sa zachoval nielen smer, ale aj konštantná hodnota generovaného napätia, je rám vyrobený špeciálne pripravenou technológiou:

nepoužíva jednu otáčku, ale niekoľko - v závislosti od veľkosti plánovaného napätia;

počet snímok nie je obmedzený na jednu inštanciu: snažia sa ich vytvoriť dostatok na optimálne udržanie poklesu napätia na rovnakej úrovni.

V DC generátore sú vinutia rotora umiestnené v drážkach. To umožňuje znížiť straty indukovaného elektromagnetického poľa.

Konštrukčné vlastnosti generátorov jednosmerného prúdu

Hlavné prvky zariadenia sú:

externý napájací rám;

magnetické póly;

stator;

rotujúci rotor;

spínacia jednotka s kefami.

Telo je vyrobené z oceľových zliatin alebo liatiny, aby celková konštrukcia dodala mechanickú pevnosť. Ďalšou úlohou puzdra je prenášať magnetický tok medzi pólmi.

Póly magnetov sú pripevnené k telu pomocou čapov alebo skrutiek. Na nich je namontované vinutie.

Stator, tiež nazývaný jarmo alebo jadro, je vyrobený z feromagnetických materiálov. Na ňom je umiestnené vinutie budiacej cievky. Jadro statora vybavený magnetickými pólmi, ktoré tvoria jeho magnetické silové pole.

Rotor má synonymum: kotva. Jeho magnetický obvod tvoria laminované platne, ktoré znižujú tvorbu vírivých prúdov a zvyšujú účinnosť. Sloty jadra obsahujú rotorové a/alebo samobudiace vinutia.

Prepínací uzol so štetcami môže mať rôzny počet pólov, ale vždy je to násobok dvoch. Materiál kefy je zvyčajne grafit. Kolektorové dosky sú vyrobené z medi, ako najoptimálnejšieho kovu, vhodného pre elektrické vlastnosti prúdovej vodivosti.

Použitím komutátora sa na výstupných svorkách generátora jednosmerného prúdu generuje pulzujúci signál.

Hlavné typy návrhov generátorov jednosmerného prúdu

Podľa typu napájania budiaceho vinutia sa rozlišujú zariadenia:

1. so samobudením;

2. fungujúce na báze samostatného začlenenia.

Prvé produkty môžu:

používať permanentné magnety;

alebo fungujú z externých zdrojov, ako sú batérie, veterné turbíny...

Generátory s nezávislým spínaním pracujú z vlastného vinutia, ktoré je možné pripojiť:

postupne;

bočníky alebo paralelné budenie.

Jedna z možností takéhoto pripojenia je znázornená na obrázku.

Príkladom jednosmerného generátora je konštrukcia, ktorá sa v minulosti často používala v automobilovej technike. Jeho zariadenie je rovnaké ako u asynchrónneho motora.

Takéto kolektorové štruktúry sú schopné pracovať súčasne v režime motora alebo generátora. Vďaka tomu sa rozšírili v existujúcich hybridných vozidlách.

Proces tvorby kotevnej reakcie

Vyskytuje sa v kľudovom režime pri nesprávnom nastavení prítlačnej sily kefy, čo vytvára neoptimálny režim ich trenia. Ak tak urobíte, môže dôjsť k zníženiu magnetických polí alebo požiaru v dôsledku zvýšenej tvorby iskier.

Spôsoby, ako to znížiť, sú:

kompenzácia magnetických polí pripojením ďalších pólov;

nastavenie posunu polohy kefiek komutátora.

Výhody DC generátorov

Tie obsahujú:

žiadna strata hysterézy a tvorba vírivých prúdov;

práca v extrémnych podmienkach;

znížená hmotnosť a malé rozmery.

Princíp činnosti najjednoduchšieho alternátora

Vo vnútri tohto dizajnu sú použité všetky rovnaké detaily ako v predchádzajúcom náprotivku:

magnetické pole;

otočný rám;

kolektorová jednotka s kefami na odvádzanie prúdu.

Hlavný rozdiel spočíva v konštrukcii kolektorovej jednotky, ktorá je navrhnutá tak, že pri otáčaní rámu cez kefy dochádza k neustálemu kontaktu s jeho polovicou rámu bez cyklickej zmeny ich polohy.

Vďaka tomu sa prúd, ktorý sa mení podľa zákonov harmonických v každej polovici, prenáša úplne nezmenený na kefy a potom cez ne do obvodu spotrebiča.

Prirodzene, rám vznikol navíjaním nie z jednej otáčky, ale z ich vypočítaného počtu, aby sa dosiahlo optimálne napätie.

Princíp činnosti jednosmerných a striedavých generátorov je teda bežný a konštrukčné rozdiely sú vo výrobe:

kolektorová zostava rotujúceho rotora;

konfigurácie vinutia na rotore.

Konštrukčné vlastnosti priemyselných alternátorov

Zvážte hlavné časti priemyselného indukčného generátora, v ktorom rotor prijíma rotačný pohyb z neďalekej turbíny. Konštrukcia statora zahŕňa elektromagnet (aj keď magnetické pole môže byť vytvorené sústavou permanentných magnetov) a vinutie rotora s určitým počtom závitov.

Vo vnútri každého závitu sa indukuje elektromotorická sila, ktorá sa v každom z nich postupne sčítava a tvorí na výstupných svorkách celkovú hodnotu napätia dodávaného do napájacieho obvodu pripojených spotrebičov.

Na zvýšenie amplitúdy EMF na výstupe generátora sa používa špeciálna konštrukcia magnetického systému, vyrobená z dvoch magnetických obvodov pomocou špeciálnych druhov elektroocele vo forme laminovaných dosiek s drážkami. Vnútri sú namontované vinutia.

V kryte generátora je jadro statora so štrbinami na uloženie vinutia, ktoré vytvára magnetické pole.

Rotor otáčajúci sa na ložiskách má tiež magnetický obvod s drážkami, vo vnútri ktorých je namontované vinutie, ktoré prijíma indukované EMF. Zvyčajne sa horizontálny smer volí tak, aby vyhovoval osi otáčania, aj keď existujú konštrukcie generátorov s vertikálnym usporiadaním a zodpovedajúcim dizajnom ložísk.

Medzi statorom a rotorom je vždy vytvorená medzera, ktorá je potrebná na zabezpečenie rotácie a zabránenie zaseknutiu. Zároveň však stráca energiu magnetickej indukcie. Preto sa ho snažia robiť čo najmenší, pričom optimálne zohľadňujú obe tieto požiadavky.

Budič umiestnený na rovnakom hriadeli ako rotor je jednosmerný elektrický generátor s relatívne nízkym výkonom. Jeho účelom je dodávať energiu vinutiam elektrocentrály v stave nezávislého budenia.

Takéto budiče sa najčastejšie používajú pri konštrukciách turbínových alebo hydraulických generátorov pri vytváraní hlavného alebo záložného spôsobu budenia.

Na obrázku priemyselného generátora je znázornené umiestnenie zberných krúžkov a kief na zber prúdov z rotujúcej konštrukcie rotora. Táto zostava je počas prevádzky vystavená konštantnému mechanickému a elektrickému zaťaženiu. Na ich prekonanie je vytvorená zložitá štruktúra, ktorá si počas prevádzky vyžaduje pravidelné kontroly a vykonávanie preventívnych opatrení.

Na zníženie vzniknutých prevádzkových nákladov sa používa iná, alternatívna technológia, ktorá využíva aj interakciu medzi rotujúcimi elektromagnetickými poľami. Na rotor sú umiestnené iba permanentné alebo elektrické magnety a z trvalo umiestneného vinutia je odstránené napätie.

Pri vytváraní takéhoto obvodu možno takýto dizajn nazvať pojmom "alternátor". Používa sa v synchrónnych generátoroch: vysokofrekvenčné, automobilové, dieselové lokomotívy a lode, inštalácie elektrární na výrobu energie.

Vlastnosti synchrónnych generátorov

Princíp fungovania

Názov a rozlišovací znak akcie spočíva vo vytvorení pevného spojenia medzi frekvenciou premennej elektromotorickej sily indukovanej vo vinutí statora "f" a rotáciou rotora.

V statore je namontované trojfázové vinutie a na rotor je namontovaný elektromagnet s jadrom a budiacim vinutím napájaným z jednosmerných obvodov cez zostavu kefového kolektora.

Rotor je poháňaný zo zdroja mechanickej energie – hnacieho motora s rovnakými otáčkami. Jeho magnetické pole robí rovnaký pohyb.

Vo vinutiach statora sa indukujú elektromotorické sily rovnakej veľkosti, ale posunuté v smere o 120 stupňov, čím vzniká trojfázový symetrický systém.

Po pripojení na konce vinutí spotrebiteľských obvodov začnú v obvode pôsobiť fázové prúdy, ktoré tvoria magnetické pole, ktoré sa otáča presne rovnakým spôsobom: synchrónne.

Tvar výstupného signálu indukovaného EMF závisí len od zákona rozloženia vektora magnetickej indukcie vo vnútri medzery medzi pólmi rotora a doskami statora. Preto sa snažia vytvoriť taký dizajn, keď sa veľkosť indukcie mení podľa sínusového zákona.

Keď má medzera konštantnú charakteristiku, potom je vektor magnetickej indukcie vo vnútri medzery vytvorený vo forme lichobežníka, ako je znázornené na čiarovom grafe 1.

Ak sa na druhej strane tvar hrán na póloch koriguje na šikmé so zmenou medzery na maximálnu hodnotu, potom možno dosiahnuť sínusové rozloženie, ako ukazuje čiara 2. Táto technika sa používa v prax.

Budiace obvody pre synchrónne generátory

Magnetomotorická sila vznikajúca na budiacom vinutí „OB“ rotora vytvára jeho magnetické pole. Na tento účel existujú rôzne konštrukcie jednosmerných budičov na základe:

1. kontaktná metóda;

2. bezkontaktným spôsobom.

V prvom prípade sa používa samostatný generátor, nazývaný budič "B". Jeho budiace vinutie je napájané prídavným generátorom podľa princípu paralelného budenia, nazývaným "PV" subbudič.

Všetky rotory sú umiestnené na spoločnom hriadeli. Vďaka tomu sa otáčajú úplne rovnako. Reostaty r1 a r2 sa používajú na reguláciu prúdov v obvodoch budiča a podbudiča.

Bezkontaktnou metódou Chýbajú klzné krúžky rotora. Priamo na ňom je namontované trojfázové vinutie budiča. Otáča sa synchrónne s rotorom a prostredníctvom súbežne rotujúceho usmerňovača prenáša elektrický jednosmerný prúd priamo do budiaceho vinutia "B".

Odrody bezkontaktných obvodov sú:

1. samobudiaci systém z vlastného vinutia statora;

2. automatizovaná schéma.

S prvým spôsobom napätie z vinutia statora sa privádza do zostupného transformátora a potom do polovodičového usmerňovača "PP", ktorý generuje jednosmerný prúd.

Pri tejto metóde je počiatočná excitácia vytvorená fenoménom zvyškového magnetizmu.

Automatická schéma vytvárania samobudenia zahŕňa použitie:

transformátor napätia TN;

automatický regulátor budenia AVR;

prúdový transformátor TT;

usmerňovací transformátor VT;

tyristorový menič TP;

Ochranná jednotka BZ.

Vlastnosti asynchrónnych generátorov

Základným rozdielom medzi týmito štruktúrami je absencia pevného spojenia medzi otáčkami rotora (nr) a EMF indukovaným vo vinutí (n). Vždy je medzi nimi rozdiel, ktorý sa nazýva „sklz“. Označuje sa latinským písmenom „S“ a vyjadruje sa vzorcom S=(n-nr)/n.

Keď je záťaž pripojená ku generátoru, vytvára sa brzdný moment na otáčanie rotora. Ovplyvňuje frekvenciu generovaného EMF, vytvára negatívny sklz.

Konštrukcia rotora pre asynchrónne generátory je vyrobená:

skratovaný;

fáza;

dutý.

Asynchrónne generátory môžu mať:

1. nezávislé budenie;

2. samobudenie.

V prvom prípade je použitý externý zdroj striedavého napätia a v druhom sú použité polovodičové meniče alebo kondenzátory v primárnom, sekundárnom alebo oboch typoch obvodov.

Generátory striedavého prúdu a jednosmerného prúdu majú teda veľa spoločných znakov v princípoch konštrukcie, ale líšia sa dizajnom určitých prvkov.