Jak fungují AC a DC generátory?

Termín „generace“ v elektrotechnice pochází z latinského jazyka. Znamená to „narození“. Pokud jde o energii, můžeme říci, že generátory jsou technická zařízení, která vyrábějí elektřinu.

V tomto případě je třeba poznamenat, že elektrický proud lze vyrobit přeměnou různých druhů energie, například:

• chemikálie;

• světlo;

• termální a další.

Historicky jsou generátory struktury, které přeměňují kinetickou energii rotace na elektřinu.

Podle typu vyrobené elektřiny jsou generátory:

1. stejnosměrný proud;

2. variabilní.

Princip činnosti nejjednoduššího generátoru

Fyzikální zákony, které umožňují vytvořit moderní elektrické instalace pro výrobu elektřiny transformací mechanické energie, objevili vědci Oersted a Faraday.

Platí jakákoli konstrukce generátoru princip elektromagnetické indukcekdy dochází k indukci elektrického proudu v uzavřeném rámu v důsledku jeho průniku s rotujícím magnetickým polem, které se vytváří permanentní magnety ve zjednodušených modelech pro domácí použití nebo budicí cívky na průmyslových výrobcích se zvýšeným výkonem.

Když otočíte lunetou, změní se velikost magnetického toku.

Elektromotorická síla indukovaná ve smyčce závisí na rychlosti změny magnetického toku pronikajícího do smyčky v uzavřené smyčce S a je přímo úměrná její hodnotě. Čím rychleji se rotor otáčí, tím vyšší je generované napětí.

Aby bylo možné vytvořit uzavřenou smyčku a odvést z ní elektrický proud, bylo nutné vytvořit kolektor a kartáč, který zajišťuje stálý kontakt mezi rotujícím rámem a stacionární částí obvodu.

Díky konstrukci odpružených kartáčů přitlačených ke kolektorovým deskám je elektrický proud přenášen na výstupní svorky a z nich pak do sítě spotřebiče.

Princip činnosti nejjednoduššího stejnosměrného generátoru

Jak se rám otáčí kolem osy, jeho levá a pravá polovina obíhají kolem jižního nebo severního pólu magnetů. Pokaždé v nich dochází ke změně směru proudů v opačném směru, takže na každém pólu tečou jedním směrem.

Pro vytvoření stejnosměrného proudu ve výstupním obvodu je v uzlu kolektoru vytvořen půlkroužek pro každou polovinu cívky. Kartáče přiléhající k prstenci odstraňují potenciál pouze jejich znaménka: pozitivní nebo negativní.

Vzhledem k tomu, že půlkruh rotačního rámu je otevřený, vznikají v něm momenty, když proud dosáhne maximální hodnoty nebo chybí. Aby byl zachován nejen směr, ale také konstantní hodnota generovaného napětí, je rám vyroben podle speciálně připravené technologie:

• nepoužívá jednu cívku, ale několik - v závislosti na velikosti plánovaného napětí;

• počet snímků není omezen na jednu kopii: snaží se vytvořit dostatečný počet pro optimální udržení úbytku napětí na stejné úrovni.

U stejnosměrného generátoru jsou vinutí rotoru umístěna ve štěrbinách magnetický obvod… To umožňuje snížit ztrátu indukovaného elektromagnetického pole.

Konstrukční vlastnosti stejnosměrných generátorů

Hlavní prvky zařízení jsou:

• externí napájecí rám;

• magnetické póly;

• stator;

• rotující rotor;

• spínací blok s kartáči.

Rám vyrobený z ocelových slitin nebo litiny pro zajištění mechanické pevnosti celkové konstrukce. Dalším úkolem pouzdra je přenášet magnetický tok mezi póly.

Póly magnetů připevněné k tělu pomocí kolíků nebo šroubů. Na nich je namontována cívka.

Stator, nazývaný také jho nebo kostra, je vyroben z feromagnetických materiálů. Na něm je umístěna cívka budicí cívky. Jádro statoru vybavené magnetickými póly tvořícími jeho magnetické pole.

Rotor má synonymum: kotva. Jeho magnetické jádro se skládá z laminovaných desek, které omezují vznik vířivých proudů a zvyšují účinnost. V kanálech jádra jsou uložena vinutí rotoru a/nebo samobuzení.

Spínací uzel s kartáči, může mít různý počet pólů, ale vždy je násobkem dvou. Materiál kartáče je obvykle grafit. Kolektorové desky jsou vyrobeny z mědi, jako nejoptimálnějšího kovu vhodného pro elektrické vlastnosti vedení proudu.

Díky použití spínače je na výstupních svorkách stejnosměrného generátoru generován pulzující signál.

Hlavní typy konstrukcí stejnosměrných generátorů

Podle typu napájení budicí cívky se rozlišují zařízení:

1. se samobuzením;

2. fungující na základě nezávislého začleňování.

První produkty mohou:

• používat permanentní magnety;

• nebo fungují z externích zdrojů, např. baterií, větrných turbín...

Nezávisle spínané generátory pracují z vlastního vinutí, které lze připojit:

• postupně;

• bočníky nebo paralelní buzení.

Jedna z možností takového připojení je znázorněna na obrázku.

Příkladem stejnosměrného generátoru je konstrukce, která byla v minulosti často používána v automobilovém průmyslu. Jeho struktura je stejná jako u indukčního motoru.

Takové struktury kolektorů mohou pracovat současně v režimu motoru nebo generátoru. Z tohoto důvodu se rozšířily ve stávajících hybridních vozidlech.

Proces tvorby kotvy

K tomu dochází v klidovém režimu, když je tlak kartáče nesprávně nastaven, což vytváří suboptimální režim tření. To může vést ke snížení magnetických polí nebo požáru v důsledku zvýšeného jiskření.

Způsoby, jak snížit, jsou:

• kompenzace magnetických polí připojením dalších pólů;

• nastavení offsetu polohy sběrných kartáčů.

Výhody stejnosměrných generátorů

Obsahují:

• bez ztrát způsobených hysterezí a tvorbou vířivých proudů;

• práce v extrémních podmínkách;

• snížená hmotnost a malé rozměry.

Princip činnosti nejjednoduššího alternátoru

Uvnitř tohoto designu jsou použity stejné detaily jako v předchozím analogu:

• magnetické pole;

• otočný rám;

• kolektorový blok s proudovými kartáči.

Hlavní rozdíl spočívá v konstrukci sestavy kolektoru, která je navržena tak, že při otáčení rámu kartáči dochází neustále ke kontaktu s polovinou rámu bez cyklické změny jejich polohy.

Proto je proud, který se mění podle zákonů harmonických v každé polovině, zcela nezměněn na kartáče a poté přes ně do obvodu spotřebiče.

Rám přirozeně vzniká navíjením nikoli z jedné otáčky, ale z jejich vypočítaného počtu pro dosažení optimálního napětí.

Princip fungování stejnosměrných a střídavých generátorů je tedy společný a konstrukční rozdíly jsou ve výrobě:

• rotující rotorová kolektorová sestava;

• konfigurace vinutí rotoru.

Konstrukční vlastnosti průmyslových alternátorů

Zvažte hlavní části průmyslového indukčního generátoru, ve kterém rotor přijímá rotační pohyb z nedaleké turbíny. Konstrukce statoru zahrnuje elektromagnet (i když magnetické pole může být vytvořeno soustavou permanentních magnetů) a vinutí rotoru s určitým počtem závitů.

V každé smyčce se indukuje elektromotorická síla, která se v každé z nich postupně sčítá a tvoří na výstupních svorkách celkovou hodnotu napětí dodávaného do napájecího obvodu připojených spotřebičů.

Pro zvýšení amplitudy EMF na výstupu generátoru se používá speciální konstrukce magnetického systému, vyrobená ze dvou magnetických obvodů díky použití speciálních tříd elektrooceli ve formě laminovaných desek s kanály. Uvnitř jsou instalovány cívky.

V krytu generátoru je jádro statoru s kanály pro umístění cívky, která vytváří magnetické pole.

Rotor rotující na ložiskách má také štěrbinový magnetický obvod uvnitř, ve kterém je namontována cívka, která přijímá indukované EMF. Obvykle se pro osu otáčení volí horizontální směr, i když existují generátory s vertikálním uspořádáním a odpovídajícím provedením ložisek.

Mezi statorem a rotorem je vždy vytvořena mezera, která je nezbytná pro zajištění rotace a zabránění zadření. Ale zároveň v něm dochází ke ztrátě energie magnetické indukce. Snaží se jej proto co nejmenší, přičemž oba požadavky optimálně zohledňují.

Budič, umístěný na stejné hřídeli jako rotor, je generátor stejnosměrného proudu s relativně nízkým výkonem. Jeho účel: dodávat elektřinu do vinutí elektrocentrály ve stavu nezávislého buzení.

Takové budiče se nejčastěji používají u konstrukcí turbín nebo hydrogenerátorů při vytváření primárního nebo záložního způsobu buzení.

Fotografie průmyslového generátoru ukazuje uspořádání sběracích kroužků a kartáčů pro zachycení proudů z rotující konstrukce rotoru. Během provozu je toto zařízení vystaveno neustálému mechanickému a elektrickému namáhání. K jejich překonání je vytvořena složitá struktura, která během provozu vyžaduje pravidelné kontroly a preventivní opatření.

Ke snížení vzniklých provozních nákladů se používá jiná, alternativní technologie, která rovněž využívá interakce mezi rotujícími elektromagnetickými poli. Na rotor jsou umístěny pouze permanentní nebo elektrické magnety a ze stacionární cívky je odstraněno napětí.

Při vytváření takového obvodu lze takovou strukturu nazvat termínem «alternátor». Používá se v synchronních generátorech: vysokofrekvenční, automobilové, dieselové lokomotivy a lodě, elektrárenské instalace pro výrobu elektřiny.

Charakteristika synchronních generátorů

Princip fungování

Název a charakteristický rys akce spočívá ve vytvoření tuhého spojení mezi frekvencí střídavé elektromotorické síly indukované ve vinutí statoru «f» a rotací rotoru.

Ve statoru je namontováno třífázové vinutí a na rotoru elektromagnet s jádrem a budícím vinutím napájeným stejnosměrnými obvody přes kartáčový kolektor.

Rotor je poháněn do rotace zdrojem mechanické energie — hnacím motorem se stejnou rychlostí. Jeho magnetické pole dělá stejný pohyb.

Ve vinutí statoru se indukují elektromotorické síly stejné velikosti, ale posunuté o 120 stupňů ve směru, čímž vzniká třífázový symetrický systém.

Při jejich připojení na konce vinutí spotřebitelských obvodů začnou v obvodu působit fázové proudy, které tvoří magnetické pole rotující stejným způsobem: synchronně.

Forma výstupního signálu indukovaného EMF závisí pouze na zákonu rozložení vektoru magnetické indukce v mezeře mezi póly rotoru a deskami statoru. Proto se snaží vytvořit takový návrh, když se velikost indukce mění podle sinusového zákona.

Když je mezera konstantní, vektor proudění uvnitř mezery je lichoběžníkový, jak je znázorněno na spojnicovém grafu 1.

Pokud je však tvar proužků na pólech korigován na zkosení změnou mezery na maximální hodnotu, pak je možné dosáhnout sinusového tvaru rozdělení, jak je znázorněno na řádku 2. Tato technika se v praxi používá.

Budicí obvody pro synchronní generátory

Magnetomotorická síla vznikající na budícím vinutí rotoru «OB» vytváří jeho magnetické pole. K tomu existují různé konstrukce stejnosměrného budiče založené na:

1. způsob kontaktu;

2. bezkontaktní metoda.

V prvním případě se používá samostatný generátor nazývaný budič «B». Jeho budicí cívka je napájena přídavným generátorem na principu paralelního buzení, nazývaným budič «PV».

Všechny rotory jsou umístěny na společné hřídeli. Proto se otáčejí úplně stejně. Reostaty r1 a r2 slouží k regulaci proudů v obvodech buzení a zesilovače.

U bezkontaktní metody nejsou na rotoru žádné sběrací kroužky. Přímo na něm je namontováno třífázové vinutí budiče. Otáčí se synchronně s rotorem a přenáší elektrický stejnosměrný proud přes souběžně rotující usměrňovač přímo do vinutí budiče «B».

Typy bezkontaktních obvodů jsou:

1. systém samobuzení z vlastního vinutí statoru;

2. automatizované schéma.

V první metodě je napětí z vinutí statoru přiváděno do redukčního transformátoru a poté do polovodičového usměrňovače «PP», který generuje stejnosměrný proud.

U této metody vzniká počáteční buzení vlivem jevu zbytkového magnetismu.

Automatické schéma pro vytváření samobuzení zahrnuje použití:

• napěťový transformátor VT;

• automatický regulátor buzení ATS;

• proudový transformátor TT;

• usměrňovač VT;

• tyristorový měnič TP;

• ochranný blok BZ.

Charakteristika asynchronních generátorů

Hlavním rozdílem mezi těmito konstrukcemi je nedostatek pevného vztahu mezi rychlostí rotoru (nr) a EMF indukovaným v cívce (n). Vždy je mezi nimi rozdíl, kterému se říká „skluz“. Označuje se latinským písmenem „S“ a vyjadřuje se vzorcem S = (n-nr) / n.

Když je zátěž připojena ke generátoru, vzniká brzdný moment, který otáčí rotorem. Ovlivňuje frekvenci generovaného EMF, vytváří negativní skluz.

Konstrukce rotoru pro asynchronní generátory je provedena:

• zkrat;

• fáze;

• dutý.

Asynchronní generátory mohou mít:

1. nezávislé vzrušení;

2. samobuzení.

V prvním případě je použit externí zdroj střídavého napětí a ve druhém jsou použity polovodičové měniče nebo kondenzátory v primárním, sekundárním nebo obou typech obvodů.

Alternátory a generátory stejnosměrného proudu mají tedy mnoho společného v principech konstrukce, liší se však v provedení určitých prvků.