כיצד פועלים גנרטורים AC ו-DC?

המונח "דור" בהנדסת חשמל מגיע מהשפה הלטינית. זה אומר "לידה". לגבי אנרגיה, אפשר לומר שגנרטורים הם מכשירים טכניים שמייצרים חשמל.

במקרה זה, יש לציין כי ניתן להפיק זרם חשמלי על ידי המרת סוגים שונים של אנרגיה, למשל:

• כִּימִי;

• אוֹר;

• תרמי ואחרים.

מבחינה היסטורית, גנרטורים הם מבנים הממירים את האנרגיה הקינטית של הסיבוב לחשמל.

על פי סוג החשמל המופק, הגנרטורים הם:

1. זרם ישר;

2. משתנה.

עקרון הפעולה של הגנרטור הפשוט ביותר

החוקים הפיזיקליים המאפשרים ליצור מתקנים חשמליים מודרניים להפקת חשמל על ידי הפיכת אנרגיה מכנית התגלו על ידי המדענים אורסטד ופאראדיי.

כל עיצוב גנרטור חל עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטיתכאשר יש אינדוקציה של זרם חשמלי במסגרת סגורה עקב הצטלבותו עם שדה מגנטי מסתובב שנוצר מגנטים קבועים בדגמים פשוטים לשימוש ביתי או סלילי עירור במוצרים תעשייתיים בעלי הספק מוגבר.

כאשר אתה מסובב את הלוח, גודל השטף המגנטי משתנה.

הכוח האלקטרומוטיבי המושרה בלולאה תלוי בקצב השינוי של השטף המגנטי החודר ללולאה בלולאה סגורה S והוא פרופורציונלי ישר לערכו. ככל שהרוטור מסתובב מהר יותר, כך המתח שנוצר גבוה יותר.

על מנת ליצור לולאה סגורה ולהסיט ממנה זרם חשמלי, היה צורך ליצור קולט ומברשת המספקים מגע מתמיד בין המסגרת המסתובבת לחלק נייח במעגל.

עקב בניית מברשות קפיציות הנלחצות על לוחות הקולטים, הזרם החשמלי מועבר למסופי המוצא ומהם עובר לרשת הצרכן.

עקרון הפעולה של גנרטור DC הפשוט ביותר

כאשר המסגרת מסתובבת סביב הציר, החצאים השמאלי והימני שלה מסתובבים סביב הקוטב הדרומי או הצפוני של המגנטים. בכל פעם בהם יש שינוי בכיוון הזרמים הפוך, כך שבכל קוטב הם זורמים בכיוון אחד.

כדי ליצור זרם ישר במעגל המוצא, נוצרת חצי טבעת בצומת האספן עבור כל חצי של הסליל. מברשות הסמוכות לטבעת מסירות את הפוטנציאל רק של הסימן שלהן: חיובי או שלילי.

מכיוון שהטבעת למחצה של המסגרת המסתובבת פתוחה, נוצרים בה רגעים כאשר הזרם מגיע לערכו המקסימלי או נעדר. על מנת לשמור לא רק על הכיוון, אלא גם על ערך קבוע של המתח שנוצר, המסגרת מיוצרת על פי טכנולוגיה שהוכנה במיוחד:

• הוא לא משתמש בסליל אחד, אלא במספר - תלוי בגודל המתח המתוכנן;

• מספר הפריימים אינו מוגבל לעותק אחד: הם מנסים ליצור מספר מספיק כדי לשמור בצורה מיטבית על מפל המתח באותה רמה.

בגנרטור DC, פיתולי הרוטור ממוקמים בחריצים מעגל מגנטי... זה מאפשר להפחית את אובדן השדה האלקטרומגנטי המושרה.

תכונות עיצוב של גנרטורים DC

המרכיבים העיקריים של המכשיר הם:

• מסגרת כוח חיצוני;

• קטבים מגנטיים;

• גַלגַל מְכַוֵן;

• רוטור מסתובב;

• להחליף בלוק עם מברשות.

מסגרת עשויה מסגסוגות פלדה או ברזל יצוק כדי לתת חוזק מכני למבנה הכללי. משימה נוספת של הדיור היא העברת השטף המגנטי בין הקטבים.

מוטות מגנטים המחוברים לגוף בסיכות או ברגים. סליל מותקן עליהם.

סטטור, הנקרא גם עול או שלד, עשוי מחומרים פרומגנטיים. את הסליל של סליל העירור מניחים עליו. ליבת סטטור מצוידת בקטבים מגנטיים היוצרים את השדה המגנטי שלה.

לרוטור יש מילה נרדפת: עוגן. הליבה המגנטית שלו מורכבת מלוחות למינציה המפחיתים את היווצרותם של זרמי מערבולת ומגבירים את היעילות. פיתולי הרוטור ו/או עירור עצמי מונחים בתעלות הליבה.

צומת מיתוג עם מברשות, יכול להיות לו מספר שונה של קטבים, אבל הוא תמיד כפולה של שניים. חומר המברשת הוא בדרך כלל גרפיט. לוחות הקולטים עשויים מנחושת, כמתכת האופטימלית ביותר המתאימה לתכונות החשמליות של הולכת זרם.

הודות לשימוש במתג, נוצר אות פועם במסופי המוצא של מחולל DC.

הסוגים העיקריים של קונסטרוקציות של גנרטורים DC

על פי סוג אספקת החשמל של סליל העירור, התקנים נבדלים:

1. עם ריגוש עצמי;

2. פועלים על בסיס הכלה עצמאית.

המוצרים הראשונים יכולים:

• להשתמש במגנטים קבועים;

• או לפעול ממקורות חיצוניים, למשל סוללות, טורבינות רוח...

גנרטורים עם מיתוג עצמאי פועלים מפיתול משלהם, אותו ניתן לחבר:

• ברצף;

• shunts או עירור מקביל.

אחת האפשרויות לחיבור כזה מוצגת בתרשים.

דוגמה לגנרטור DC היא עיצוב ששימש לעתים קרובות בהנדסת רכב בעבר. המבנה שלו זהה לזה של מנוע אינדוקציה.

מבני אספן כאלה יכולים לפעול בו זמנית במצב מנוע או גנרטור. בשל כך, הם הפכו נפוצים בכלי רכב היברידיים קיימים.

תהליך היווצרות עוגן

זה מתרחש במצב סרק כאשר לחץ המברשת מותאם בצורה שגויה, יוצר מצב חיכוך לא אופטימלי. זה יכול להוביל להפחתת שדות מגנטיים או שריפה עקב ניצוץ מוגבר.

הדרכים להפחית הן:

• פיצוי של שדות מגנטיים על ידי חיבור קטבים נוספים;

• התאמת ההיסט של מיקום מברשות האספנים.

יתרונות של גנרטורים DC

הם כוללים:

• ללא הפסדים עקב היסטרזיס והיווצרות זרם מערבולת;

• עבודה בתנאים קיצוניים;

• משקל מופחת וממדים קטנים.

עקרון הפעולה של האלטרנטור הפשוט ביותר

בתוך עיצוב זה משתמשים באותם פרטים כמו באנלוגי הקודם:

• שדה מגנטי;

• מסגרת מסתובבת;

• בלוק אספן עם מברשות ניקוז נוכחיות.

ההבדל העיקרי טמון בעיצוב מכלול האספנים, אשר מתוכנן כך שכאשר המסגרת מסתובבת דרך המברשות, נוצר כל הזמן מגע עם חצי מהמסגרת מבלי לשנות באופן מחזורי את מיקומן.

לכן, הזרם, המשתנה לפי חוקי ההרמוניות בכל חצי, מועבר ללא שינוי לחלוטין אל המברשות, ולאחר מכן דרכן למעגל הצרכן.

באופן טבעי, המסגרת נוצרת על ידי סלילה לא מסיבוב אחד, אלא מספר מחושב מהם כדי להשיג את המתח האופטימלי.

לפיכך, עקרון הפעולה של גנרטורים DC ו-AC נפוץ, והבדלי התכנון הם בייצור של:

• מכלול אספן רוטור מסתובב;

• תצורת מתפתל הרוטור.

תכונות עיצוב של אלטרנטורים תעשייתיים

שקול את החלקים העיקריים של גנרטור אינדוקציה תעשייתי שבו הרוטור מקבל תנועה סיבובית מטורבינה סמוכה. מבנה הסטטור כולל אלקטרומגנט (אם כי השדה המגנטי יכול להיווצר על ידי קבוצה של מגנטים קבועים) ורוטור מתפתל עם מספר מסויים של סיבובים.

בכל לולאה מושרה כוח אלקטרו-מוטיבי, שמתווסף ברציפות בכל אחד מהם ויוצר במסופי המוצא את הערך הכולל של המתח המסופק למעגל האספקה ​​של הצרכנים המחוברים.

כדי להגדיל את משרעת ה-EMF במוצא הגנרטור, נעשה שימוש בעיצוב מיוחד של המערכת המגנטית, העשוי משני מעגלים מגנטיים עקב שימוש בדרגות מיוחדות של פלדה חשמלית בצורה של לוחות למינציה עם תעלות. סלילים מותקנים בתוכם.

בבית הגנרטור, יש ליבת סטטור עם תעלות לקליטת סליל היוצר שדה מגנטי.

לרוטור המסתובב על מיסבים יש גם מעגל מגנטי מחורץ שבתוכו מותקן סליל המקבל EMF מושרה. בדרך כלל, הכיוון האופקי נבחר עבור ציר הסיבוב, אם כי ישנם גנרטורים עם סידור אנכי והעיצוב המתאים של המסבים.

תמיד נוצר פער בין הסטטור לרוטור, הכרחי כדי להבטיח סיבוב ולמנוע חסימה. אך יחד עם זאת, יש בו אובדן של אנרגיית אינדוקציה מגנטית. לכן, הם מנסים לעשות את זה קטן ככל האפשר, תוך התחשבות בשתי הדרישות בצורה אופטימלית.

ממוקם על אותו פיר כמו הרוטור, המעורר הוא מחולל זרם ישר בהספק נמוך יחסית. מטרתו: אספקת חשמל לפיתולים של מחולל חשמל במצב של עירור עצמאי.

מעוררים כאלה משמשים לרוב עם עיצובי טורבינה או גנרטור הידראולי בעת יצירת שיטת עירור ראשונית או גיבוי.

התמונה של גנרטור תעשייתי מראה את סידור טבעות החלקה ומברשות ללכידת זרמים ממבנה רוטור מסתובב. במהלך הפעולה, מכשיר זה נתון ללחץ מכני וחשמלי מתמיד. כדי להתגבר עליהם, נוצר מבנה מורכב, אשר במהלך הפעולה דורש בדיקות תקופתיות ואמצעי מניעה.

כדי להפחית את עלויות התפעול שנוצרות, נעשה שימוש בטכנולוגיה חלופית אחרת המשתמשת גם באינטראקציה בין שדות אלקטרומגנטיים מסתובבים. רק מגנטים קבועים או חשמליים מונחים על הרוטור והמתח מוסר מהסליל הנייח.

בעת יצירת מעגל כזה, מבנה כזה יכול להיקרא המונח "אלטרנטור". הוא משמש בגנרטורים סינכרוניים: בתדר גבוה, רכב, קטרי דיזל וספינות, מתקני תחנות כוח לייצור חשמל.

מאפיינים של גנרטורים סינכרוניים

עקרון הפעולה

השם והתכונה הייחודית של הפעולה טמונים ביצירת קשר נוקשה בין תדירות הכוח האלקטרו-מוטיבי לסירוגין המושרה בפיתול הסטטור «f» לבין סיבוב הרוטור.

סלילה תלת פאזי מותקנת בסטטור, ועל הרוטור יש אלקטרומגנט עם ליבה וסלילה מרגשת המוזנת על ידי מעגלי DC דרך אספן מברשות.

הרוטור מונע לסיבוב על ידי מקור אנרגיה מכנית - מנוע הנעה באותה מהירות. השדה המגנטי שלו עושה את אותה תנועה.

כוחות אלקטרו-מוטיביים באותו גודל אך מוזזים ב-120 מעלות בכיוון מושרים בפיתולי הסטטור, ויוצרים מערכת סימטרית תלת פאזית.

כאשר הם מחוברים לקצות הפיתולים של מעגלי צרכנים, זרמי פאזה מתחילים לפעול במעגל, היוצרים שדה מגנטי המסתובב באותו אופן: סינכרוני.

צורת אות המוצא של EMF המושרה תלויה רק ​​בחוק ההפצה של וקטור האינדוקציה המגנטי בפער בין קטבי הרוטור ולוחות הסטטור. לכן, הם מבקשים ליצור עיצוב כזה כאשר גודל האינדוקציה משתנה לפי חוק סינוסואידי.

כאשר הפער קבוע, וקטור הזרימה בתוך הפער הוא טרפזי, כפי שמוצג בגרף קו 1.

עם זאת, אם מתקנים את צורת השוליים בקטבים כדי להיות מוטים על ידי שינוי הפער לערך המקסימלי, אזי ניתן להשיג צורה סינוסואידאלית של ההתפלגות כפי שמוצג בשורה 2. טכניקה זו משמשת בפועל.

מעגלי עירור עבור גנרטורים סינכרוניים

הכוח המגנטו-מוטיבציה הנובע על פיתול העירור של הרוטור «OB» יוצר את השדה המגנטי שלו. לשם כך ישנם עיצובים שונים של מעוררי DC המבוססים על:

1. אופן התקשרות;

2. שיטה ללא מגע.

במקרה הראשון, נעשה שימוש במחולל נפרד הנקרא מעורר «B». סליל העירור שלו מופעל על ידי גנרטור נוסף על פי עקרון העירור המקביל, הנקרא מעורר «PV».

כל הרוטורים ממוקמים על פיר משותף. לכן, הם מסתובבים בדיוק באותו אופן. ריאוסטטים r1 ו-r2 משמשים לוויסות הזרמים במעגלי העירור והמגבר.

בשיטת ללא מגע, אין טבעות החלקה על הרוטור. סלילה תלת פאזי מעורר מותקן ישירות עליו. הוא מסתובב באופן סינכרוני עם הרוטור ומעביר זרם ישר חשמלי דרך המיישר המסתובב ישירות לסיבוב המעורר «B».

סוגי המעגלים ללא מגע הם:

1. מערכת עירור עצמית מפיתול הסטטור עצמו;

2. סכמה אוטומטית.

בשיטה הראשונה, המתח מפיתולי הסטטור מוזרם לשנאי הירידה, ולאחר מכן למיישר המוליך למחצה «PP», שיוצר זרם ישר.

בשיטה זו נוצר העירור הראשוני עקב תופעת מגנטיות שיורית.

הסכימה האוטומטית ליצירת עירור עצמי כוללת שימוש ב:

• שנאי מתח VT;

• וסת עירור אוטומטי ATS;

• שנאי זרם TT;

• מיישר VT;

• ממיר תיריסטור TP;

• בלוק הגנה BZ.

מאפיינים של גנרטורים אסינכרוניים

ההבדל העיקרי בין העיצובים הללו הוא היעדר קשר נוקשה בין מהירות הרוטור (nr) לבין EMF המושרה בסליל (n). תמיד יש הבדל ביניהם, שנקרא "סליפ". הוא מסומן באות הלטינית "S" ומתבטא בנוסחה S = (n-nr) / n.

כאשר העומס מחובר לגנרטור, נוצר מומנט בלימה לסובב את הרוטור. זה משפיע על התדירות של EMF שנוצר, יוצר החלקה שלילית.

בניית הרוטור עבור גנרטורים אסינכרוניים נעשית:

• קצר;

• שלב;

• חָלוּל.

למחוללים אסינכרונים יכולים להיות:

1. ריגוש עצמאי;

2. עירור עצמי.

במקרה הראשון, נעשה שימוש במקור מתח AC חיצוני, ובשני, ממירים או קבלים מוליכים למחצה משמשים במעגלים הראשוניים, המשניים או בשני סוגי המעגלים.

לפיכך, לאלטרנטורים ומחוללי זרם ישר יש הרבה מן המשותף בעקרונות הבנייה, אך שונים בעיצובם של אלמנטים מסוימים.