Ahojte, znalci sveta elektrikárov a elektroniky. Ak sa často pozeráte na našu stránku, pravdepodobne si pamätáte, že nedávno sme publikovali pomerne objemný materiál o tom, ako je usporiadaný a funguje generátor jednosmerného prúdu. Podrobne sme opísali jeho štruktúru od najjednoduchších laboratórnych prototypov až po moderné pracovné jednotky. Ak ste tak ešte neurobili, určite si to prečítajte.

Dnes túto tému rozvinieme a zistíme, aký je princíp alternátora. Povedzme si o oblastiach jeho použitia, odrodách a oveľa viac.

Začnime tým najzákladnejším – striedavý prúd sa od jednosmerného líši tým, že s určitou periodicitou mení smer pohybu. Zmení sa aj hodnota, ktorej sa budeme podrobnejšie venovať neskôr.

Po určitom časovom úseku, ktorý budeme nazývať „T“, sa hodnoty aktuálnych parametrov zopakujú, čo možno na grafe znázorniť ako sínusoidu – vlnovku prechádzajúcu s rovnakou amplitúdou stredom. riadok.

Základné princípy

Účelom a zariadením generátorov striedavého prúdu, predtým nazývaných alternátor, je teda premena kinetickej energie, teda mechanickej, na elektrickú energiu. Prevažná väčšina moderných generátorov využíva rotujúce magnetické pole.

• Takéto zariadenia fungujú vďaka elektromagnetickej indukcii, keď pri rotácii cievky z vodivého materiálu (zvyčajne medeného drôtu) v magnetickom poli v nej vzniká elektromotorická sila (EMF).
• Prúd sa začína vytvárať v momente, keď vodiče začnú križovať magnetické čiary silového poľa.

• Okrem toho sa špičková hodnota EMF vo vodiči dosiahne, keď prechádza cez hlavné póly magnetického poľa. V tých okamihoch, keď sa posúvajú pozdĺž siločiar, nedochádza k indukcii a EMF klesne na nulu. Pozrite sa na ktorýkoľvek z uvedených diagramov - prvý stav bude pozorovaný, keď rám zaujme zvislú polohu, a druhý - keď bude vodorovný.

• Pre lepšie pochopenie prebiehajúcich procesov si treba zapamätať pravidlo pravej ruky, ktoré v škole študoval každý, no málokto si ho pamätá. Jeho podstata spočíva v tom, že ak umiestnite pravú ruku tak, aby do nej vstupovali siločiary magnetického poľa zo strany dlane, palec položený nabok bude udávať smer pohybu vodiča a zvyšné prsty budú udávať smer. emf vznikajúceho v ňom.
• Pozrite sa na vyššie uvedený diagram, pozícia "a". V tomto momente je EMF v rámci nula. Šípky ukazujú smer jeho pohybu - časť rámu A sa pohybuje smerom k severnému pólu magnetu a B - južný, pričom EMF bude maximálne. Použitím vyššie opísaného pravidla pravej ruky vidíme, že prúd začína prúdiť v časti „B“ našim smerom a v časti „A“ - preč od nás.
• Rám sa otáča ďalej a prúd v obvode začína klesať, kým rám opäť nezíska vodorovnú polohu (c).
• Ďalšie otáčanie spôsobí, že prúd začne prúdiť v opačnom smere, pretože časti rámu zmenili miesto v porovnaní s počiatočnou polohou.

Po pol otáčke sa všetko vráti do pôvodného stavu a cyklus sa znova opakuje. Výsledkom bolo, že počas úplného otočenia rámu sa prúd dvakrát zvýšil na maximum a klesol na nulu a raz zmenil svoj smer vzhľadom na počiatočný pohyb.

Striedavý prúd

Všeobecne sa uznáva, že trvanie periódy cirkulácie je 1 sekunda a počet periód "T" je frekvencia elektrického prúdu. V štandardných elektrických sieťach v Rusku a Európe prúd za jednu sekundu zmení svoj smer 50-krát - 50 periód za sekundu.

V elektronike jedno takéto obdobie označuje špeciálna jednotka pomenovaná po nemeckom fyzikovi G. Hertzovi. To znamená, že v danom príklade ruských sietí je aktuálna frekvencia 50 hertzov.

Všeobecne platí, že striedavý prúd našiel veľmi široké uplatnenie v elektronike vďaka tomu, že: jeho napätie sa veľmi ľahko mení pomocou transformátorov, ktoré nemajú pohyblivé časti; môže byť vždy premenený na jednosmerný prúd; zariadenie takýchto generátorov je oveľa spoľahlivejšie a jednoduchšie ako na výrobu jednosmerného prúdu.

Konštrukcia alternátora

Ako je generátor striedavého prúdu usporiadaný v zásade, je pochopiteľné, ale pri porovnaní s kolegom na generovanie konštantného prúdu nie je možné okamžite zachytiť rozdiel.

Hlavné pracovné časti a ich spojenie

Ak ste si prečítali predchádzajúci materiál, pravdepodobne si pamätáte, že rám v najjednoduchšom obvode bol pripojený ku kolektoru rozdelenému na izolované kontaktné dosky a ten bol zase spojený s kefami, ktoré sa po ňom posúvali, cez ktoré bol pripojený vonkajší obvod. .

Vzhľadom na to, že kolektorové dosky sa neustále menia kefami, nedochádza k žiadnej zmene smeru prúdu - jednoducho pulzuje, pohybuje sa jedným smerom, to znamená, že kolektor je usmerňovač.

• Pre striedavý prúd takéto zariadenie nie je potrebné, preto je nahradené zbernými krúžkami, ku ktorým sú priviazané konce rámu. Celá konštrukcia sa spoločne otáča okolo stredovej osi. K krúžkom priliehajú kefy, ktoré sa po nich aj posúvajú a zabezpečujú tak neustály kontakt.
• Rovnako ako v prípade jednosmerného prúdu, EMF, ktorý sa vyskytuje v rôznych častiach slučky, sa spočíta a vytvorí výslednú hodnotu tohto parametra. V tomto prípade bude vo vonkajšom obvode prepojenom cez kefy prúdiť elektrický prúd (ak k nemu pripojíte zaťažovací odpor RH).
• Vo vyššie uvedenom príklade sa "T" rovná úplnému otočeniu rámu. Z toho môžeme vyvodiť logický záver, že frekvencia prúdu generovaného generátorom priamo závisí od rýchlosti otáčania kotvy (rámu), alebo inými slovami rotora, za sekundu. To však platí len pre takýto jednoduchý generátor.

Ak zvýšite počet párov pólov, počet úplných zmien prúdu na otáčku kotvy sa úmerne zvýši v generátore a jeho frekvencia sa bude merať odlišne podľa vzorca: f = np, kde f je frekvencia, n je počet otáčok za sekundu, p - počet párov magnetických pólov zariadenia.

• Ako sme písali vyššie, tok striedavého prúdu je graficky znázornený sínusoidou, preto sa takýto prúd nazýva aj sínusový. Okamžite môžete identifikovať hlavné podmienky, ktoré špecifikujú stálosť charakteristík takéhoto prúdu - to je rovnomernosť magnetického poľa (jeho konštantná hodnota) a konštantná rýchlosť otáčania kotvy, v ktorej je indukovaný.
• Aby bolo zariadenie dostatočne výkonné, používa elektrické magnety. Vinutie rotora, v ktorom je indukovaná EMF, tiež nie je rámom v prevádzkových jednotkách, ako sme ukázali na vyššie uvedených schémach. Používa sa veľmi veľké množstvo vodičov, ktoré sú navzájom spojené podľa určitej schémy.

Zaujímavé vedieť! K tvorbe EMF dochádza nielen vtedy, keď je vodič posunutý vzhľadom na magnetické pole, ale naopak, keď sa samotné pole pohybuje vzhľadom na vodič, čo aktívne využívajú konštruktéri elektromotorov a generátorov.

• Táto vlastnosť umožňuje umiestniť vinutie, v ktorom je indukované EMF, nielen na otočnú centrálnu časť zariadenia, ale aj na pevnú časť. V tomto prípade sa magnet, teda póly, dáva do pohybu.

• Pri tejto konštrukcii nepotrebuje vonkajšie vinutie generátora, to znamená napájací obvod, žiadne pohyblivé časti (krúžky a kefy) - spojenie je pevné, často skrutkované.
• Áno, ale možno dôvodne tvrdiť, že tieto isté prvky bude potrebné nainštalovať na budiace vinutie. Je to však tak, že prúd, ktorý tu tečie, bude oveľa menší ako celkový výkon generátora, čo značne zjednodušuje organizáciu dodávky prúdu. Prvky budú malé čo do veľkosti a hmotnosti a budú veľmi spoľahlivé, vďaka čomu je tento dizajn najobľúbenejší, najmä pre výkonné jednotky, napríklad hnacie jednotky inštalované na dieselových lokomotívach.
• Ak hovoríme o generátoroch s nízkym výkonom, kde odber prúdu nepredstavuje žiadne ťažkosti, často sa používa „klasický“ obvod s vinutím otočnej kotvy a pevným magnetom (induktorom).

Poradte! Mimochodom, pevná časť alternátora sa nazýva stator, pretože je statická, a rotujúca časť sa nazýva rotor.

Typy alternátorov

Generátory možno klasifikovať a rozlišovať podľa niekoľkých kritérií. Poďme si ich vymenovať.

Trojfázové generátory

Môžu sa líšiť počtom fáz a môžu byť jedno-, dvoj- a trojfázové. V praxi je najpoužívanejšia posledná možnosť.

• Ako je zrejmé z obrázku vyššie, výkonová časť jednotky má tri nezávislé vinutia umiestnené na statore v kruhu, navzájom posunuté o 120 stupňov.
• Rotor je v tomto prípade elektromagnet, ktorý pri otáčaní indukuje premenlivé EMF vo vinutiach, ktoré sú vzájomne posunuté v čase o jednu tretinu periódy "T", to znamená cyklu. V skutočnosti je každé vinutie samostatným jednofázovým generátorom, ktorý napája svoj vonkajší obvod R striedavým prúdom. To znamená, že máme tri hodnoty prúdu I (1,2,3) a rovnaký počet obvodov. Každé takéto vinutie spolu s vonkajším obvodom sa nazýva fáza.

• Na zníženie počtu vodičov vedúcich ku generátoru sú tri spätné vodiče vedúce k nemu od spotrebiteľov energie nahradené jedným spoločným vodičom, cez ktorý prechádzajú prúdy z každej fázy. Takýto bežný drôt sa nazýva nula
• Spojenie všetkých vinutí takéhoto generátora, keď sú ich konce navzájom spojené, sa nazýva hviezda. Samostatné tri vodiče spájajúce začiatok vinutia so spotrebiteľmi elektriny sa nazývajú lineárne - používajú sa na prenos.
• Ak je zaťaženie všetkých fáz rovnaké, potom potreba neutrálneho vodiča úplne zmizne, pretože celkový prúd v ňom bude nulový. Ako sa to stane, pýtate sa? Všetko je veľmi jednoduché - pre koncept princípu stačí pridať algebraické hodnoty každého sínusového prúdu, posunuté vo fáze o 120 stupňov. Vyššie uvedený diagram vám pomôže pochopiť tento princíp, ak si predstavíte, že krivky na ňom sú zmenou prúdu v troch fázach generátora.
• Ak zaťaženie vo fázach nie je rovnaké, potom neutrálny vodič začne prechádzať prúdom. Preto je bežné 4-vodičové hviezdicové zapojenie, ktoré umožňuje ušetriť elektrospotrebiče, ktoré sú v danom momente pripojené do siete.

• Napätie medzi linkovými vodičmi sa nazýva lineárne, zatiaľ čo napätie na každej fáze sa nazýva fáza. Prúdy tečúce vo fázach sú tiež lineárne.
• Schéma zapojenia hviezdy nie je jediná. Existuje ďalšia možnosť zapojenia troch vinutí do série, keď je koniec jedného spojený so začiatkom druhého atď., kým sa nevytvorí uzavretý krúžok (pozri obrázok vyššie „b“). Drôty prichádzajúce z generátora sú spojené na spojoch vinutí.
• V tomto prípade bude fázové a lineárne napätie rovnaké a prúd lineárneho drôtu bude väčší ako fázový s rovnakým zaťažením.
• Takéto pripojenie tiež nepotrebuje neutrálny vodič, čo je hlavná výhoda trojfázového generátora. Vďaka menšiemu počtu drôtov je to jednoduchšie a lacnejšie, pretože sa používa menej neželezných kovov.

Ďalšou črtou schémy trojfázového pripojenia je vzhľad rotujúceho magnetického poľa, ktoré vám umožňuje vytvárať jednoduché a spoľahlivé asynchrónne elektromotory.

To však nie je všetko. Pri usmernení jednofázového prúdu sa na výstupe usmerňovača získa napätie so zvlnením od nuly po maximálnu hodnotu. Dôvod, myslíme si, je jasný, ak pochopíte základný princíp fungovania takéhoto zariadenia. Keď dôjde k fázovému posunu v čase, zvlnenie sa výrazne zníži a nepresiahne 8%.

rozdiel vo vzhľade

Generátory sa líšia aj vzhľadom, z ktorých sú 2:

• Synchrónny alternátor- hlavným znakom takejto jednotky je tuhé spojenie medzi frekvenciou premennej EMF, ktorá je indukovaná vo vinutí a synchrónnou rýchlosťou, to znamená otáčaním rotora.

1. Pozrite sa na diagram vyššie. Na ňom vidíme stator s trojfázovým vinutím zapojeným do trojuholníka, ktorý sa príliš nelíši od toho na indukčnom motore.
2. Na rotore generátora je umiestnený elektromagnet s budiacim vinutím, napájaný jednosmerným prúdom, ktorý je možné naň priviesť akýmkoľvek známym spôsobom - to bude podrobnejšie popísané neskôr.
3. Namiesto elektromagnetu sa dá použiť konštanta, potom úplne odpadá potreba posuvných častí obvodu v podobe kefiek a zberacích krúžkov, takýto generátor nebude dostatočne výkonný a nebude schopný normálne stabilizovať výstupné napätia.
4. K hriadeľu rotora je pripojený pohon - akýkoľvek motor, ktorý vytvára mechanickú energiu a je uvedený do pohybu pri určitej synchrónnej rýchlosti.
5. Pretože magnetické pole hlavných pólov rotuje s rotorom, indukcia premenlivého EMF začína vo vinutí statora, ktoré možno označiť ako E1, E2 a E3. Tieto premenné budú mať rovnakú hodnotu, ale ako už bolo viackrát povedané, fázovo posunuté o 120 stupňov. Tieto hodnoty spolu tvoria trojfázový EMF systém, ktorý je symetrický.
6. K bodom C1, C2 a C3 je pripojená záťaž a na fázach vinutia statora sa objavujú prúdy I1, I2 a I. V tomto čase sa každá fáza statora sama stáva silným elektromagnetom a vytvára rotujúce magnetické pole.
7. Frekvencia otáčania magnetického poľa statora bude zodpovedať frekvencii otáčania rotora.

• Asynchrónne generátory- líšia sa od príkladu opísaného vyššie v tom, že frekvencie EMF a rotácia rotora nie sú navzájom pevne spojené. Rozdiel medzi týmito parametrami sa nazýva sklz.

1. Elektromagnetické pole takéhoto generátora v normálnom prevádzkovom režime vyvíja brzdný moment na rotáciu rotora pri zaťažení, takže frekvencia zmien magnetického poľa bude menšia.
2. Tieto jednotky nevyžadujú vytváranie zložitých zostáv a použitie drahých materiálov, preto sú široko používané ako elektromotory pre vozidlá, kvôli ľahkej údržbe a jednoduchosti samotného zariadenia. Tieto generátory sú odolné voči preťaženiu a skratu, nie sú však použiteľné pre zariadenia, ktoré sú vysoko závislé od frekvencie prúdu.

Metódy budenia vinutia

Posledný rozdiel medzi modelmi, ktorého by som sa chcel dotknúť, súvisí so spôsobom napájania budiaceho vinutia.

Sú tu 4 typy:

1. Napájanie je dodávané do vinutia cez zdroj tretej strany.
2. Samobudené generátory- Energia sa odoberá zo samotného generátora, pričom sa napätie usmerňuje. V neaktívnom stave však takýto generátor nebude schopný generovať dostatočné napätie na spustenie, na čo je v obvode použitá batéria, ktorá sa pri štarte aktivuje.
3. Možnosť s budiacim vinutím napájaným iným generátorom s nižším výkonom inštalovaným na tej istej hriadeli. Druhý generátor by sa už mal spustiť zo zdroja tretej strany, napríklad z rovnakej batérie.
4. Posledná odroda vôbec nemusí napájať budiace vinutie, pretože ho nemá, pretože v zariadení je použitý permanentný magnet.

Využitie alternátorov v praxi

Takéto generátory sa používajú takmer vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, kde je potrebná elektrická energia. Princíp jeho extrakcie sa navyše líši len v spôsobe uvedenia hriadeľa zariadenia do pohybu. Takto fungujú vodné, tepelné a dokonca aj jadrové elektrárne.

Tieto stanice napájajú verejné siete drôtom, na ktorý je pripojený koncový spotrebiteľ, teda my všetci. Existuje však veľa objektov, do ktorých nie je možné dodávať elektrickú energiu týmto spôsobom, napríklad doprava, staveniská ďaleko od elektrického vedenia, veľmi vzdialené dediny, posuny, vrtné súpravy a pod.

To znamená jediné – potrebujete vlastný generátor a motor, ktorý ho uvedie do pohybu. Pozrime sa na niekoľko malých a bežných zariadení v našom živote.

Automobilové alternátory

Na fotografii - elektrický generátor pre auto

Niekto by mohol okamžite povedať: „Ako? Je to DC generátor! Áno, skutočne je to tak, ale iba prítomnosť usmerňovača to robí tak, že tento prúd je konštantný. Základný princíp činnosti sa nelíši - všetci rovnaký rotor, všetci rovnaký elektromagnet atď.

Toto zariadenie funguje tak, že nezávisle od rýchlosti otáčania hriadeľa generuje napätie 12V, ktoré zabezpečuje regulátor, cez ktorý je napájané budiace vinutie. Spustí sa budiace vinutie, napájané z autobatérie, rotor agregátu je poháňaný motorom auta cez kladku, po ktorej sa začne indukovať EMF.

Na usmernenie trojfázového prúdu sa používa niekoľko diód.

Generátor kvapalného paliva

Zariadenie benzínového alternátora, presne ako naftový, sa príliš nelíši od toho, čo je nainštalované vo vašom aute, s výnimkou nuansy, že podľa očakávania bude produkovať striedavý prúd.

Z vlastností je možné rozlíšiť, že rotor jednotky sa musí vždy otáčať rovnakou rýchlosťou, pretože s poklesom sa výroba energie zhoršuje. To je významná nevýhoda takýchto zariadení - podobný efekt nastáva, keď sa diely opotrebujú.

Zaujímavé vedieť! Ak je ku generátoru pripojená záťaž, ktorá je nižšia ako pracovná, potom nevyužije svoj plný výkon a spotrebuje časť tekutého paliva za nič.

Na trhu je veľký výber takýchto jednotiek, určených pre rôzne kapacity. Sú veľmi obľúbené vďaka svojej pohyblivosti. Zároveň je návod na použitie mimoriadne jednoduchý - naplňte palivo vlastnými rukami, naštartujte motor otočením kľúča a pripojte ...

Na tomto snáď skončíme. Účel a všeobecné usporiadanie týchto zariadení sme analyzovali čo najjednoduchšie. Dúfame, že sa vám alternátor a princíp jeho fungovania o niečo priblížili a s naším návrhom sa budete chcieť ponoriť do fascinujúceho sveta elektrotechniky.