Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Energia elektryczna jest jedynym rodzajem energii, który można łatwo przekazać na duże odległości, a następnie przekształcić w mechaniczne, termiczne lub przekształcić w promieniowanie świetlne. Sama energia elektryczna może być również uzyskiwana na różne sposoby: chemiczną, termiczną, mechaniczną, fotoelektryczną itp. Ale to metoda mechaniczna opiera się na wykorzystaniu generatorów, które okazały się najbardziej wydajne. Wśród tych źródeł energii elektrycznej jest powszechnie stosowany alternator synchroniczny.
Praktycznie cała energia elektryczna zużywana w domu iw pracy jest wytwarzana przez generatory tego typu. Zasługują na bliższe przyjrzenie się ich urządzeniom i zrozumienie zasady działania tych niesamowitych maszyn synchronicznych.
Urządzenie
Konstrukcja generatorów synchronicznych wykorzystuje dwie główne części robocze - obrotowy wirnik i nieruchomy stojan. Magnesy stałe lub uzwojenia polowe znajdują się na wale wirnika. Magnesy mają postrzępiony kształt z biegunami skierowanymi w przeciwną stronę.
Bezszczotkowe generatory.
Uzwojenia stojana są umieszczone w taki sposób, że ich rdzenie pokrywają się z występami biegunów magnetycznych wirnika lub z rdzeniami cewek wirnika. Liczba zębów magnesu zwykle nie przekracza 6. Przy takiej konstrukcji generowany prąd jest usuwany bezpośrednio z uzwojeń stojana. Innymi słowy, stojan działa jak kotwica.
Zasadniczo magnesy trwałe można umieścić na stojanie, a uzwojenia robocze, w których indukowana będzie EMF - na wirniku. Skuteczność generatora nie ulegnie zmianie z tego powodu, ale pierścienie i szczotki będą potrzebne, aby zmniejszyć napięcie uzwojenia twornika, a to często nie jest racjonalne.
Schematyczne przedstawienie bezszczotkowego generatora bez uzwojeń wzbudzenia pokazano na ryc. 1
Wyjaśnienie:
- układ urządzenia;
- układ biegunów magnetycznych na kotwicy. Tutaj litery NS oznaczają koncentryczny magnes z biegunami, a litera R oznacza stalowy rdzeń magnetyczny wirnika w postaci końcówek w kształcie pazurów.
- model przekrojowy generatora. Wyjścia uzwojenia fazowego stojana są połączone „gwiazdą”.
Maszyny synchroniczne z cewkami indukcyjnymi.
Należy zauważyć, że magnesy trwałe są używane jako wirniki w alternatorach o małej mocy. W mocnych maszynach elektrycznych zawsze stosowane są uzwojenia cewki indukcyjnej z niezależnym wzbudzeniem. Niezależnym źródłem zasilania jest generator prądu stałego o niskiej mocy zamontowany na wale silnika synchronicznego.
Istnieją konstrukcje synchronicznych generatorów o małej i średniej mocy, z samowzbudnymi uzwojeniami. Aby indukować cewkę indukcyjną, prąd wyprostowany uzwojenia fazowego jest doprowadzany przez szczotki do pierścieni znajdujących się na wale stojana. Strukturę takiego alternatora pokazano na rys. 2
Zwróć uwagę na obecność szczotek zasilanych z niezależnego źródła.
Przez liczbę faz synchroniczne generatory są podzielone na:
- jedna faza;
- dwufazowy;
- trzy fazy.
Zgodnie z konstrukcją rotora możliwe jest odróżnienie generatorów z jawnymi biegunami i niejawnymi biegunami. W niejawnym wirniku polarnym nie ma rzutów, a cewki drutu twornika są ukryte w szczelinach stojana.
Zgodnie z metodą łączenia uzwojeń fazowych rozróżnia się generatory trójfazowe:
- połączone sześciożyłowym systemem Tesli (nie znalazły praktycznego zastosowania);
- „Gwiazda”;
- „Trójkąt”;
- połączenie sześciu uzwojeń połączonych w postaci jednej „gwiazdy” i „trójkąta”. Ten związek jest również nazywany „Slavyanka”.
Najczęstszym połączeniem jest „gwiazda” z przewodem neutralnym.
Zasada działania
Rozważmy zasadę generowania prądu na przykładzie ramki konturowej umieszczonej między biegunami magnetycznymi. (Rys. 3)
Jeśli obrócisz ramę (w kierunku strzałek), przekroczy ona magnetyczne linie siły. W tym przypadku, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, w ramce indukowany jest prąd elektryczny, który manifestuje się, gdy obciążenie jest podłączone do szczotek. Jego kierunek może być określony przez świder reguły. Diagram pokazuje kierunek prądu w czarnych strzałach.
Zauważ, że w częściach klatki ab i cd prąd płynie w przeciwnych kierunkach. Kierunki te zmieniają się, gdy części ramy przemieszczają się z jednego bieguna na drugi biegun magnesu. Jeśli każde wyjście klatki jest podłączone do oddzielnego pierścienia (na rysunku są podłączone do kolektora!), Wtedy otrzymamy prąd przemienny na wyjściu.
Wielkość prądu jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika. Dodatkowo prąd przemienny charakteryzuje się innym parametrem - częstotliwością. Wartość ta zależy bezpośrednio od częstotliwości obrotu wału.
Częstotliwość prądu w sieciach elektrycznych jest ściśle przestrzegana. W Rosji iw niektórych innych krajach jest to 50 Hz, czyli 50 oscylacji na sekundę.
Ten parametr jest dość łatwy do obliczenia na podstawie takich rozważań: jeden obrót kierunku prądu występuje na obrót ramy (lub bipolarny magnes). Jeśli wał generatora synchronicznego wykonuje 1 obrót na sekundę, częstotliwość prądu przemiennego będzie wynosić 1 Hz. Aby uzyskać częstotliwość 50 Hz, konieczne jest zapewnienie 50 obrotów stojana na sekundę lub 3000 obrotów na minutę.
Wraz ze wzrostem liczby biegunów częstotliwość zadana jest utrzymywana przez zmniejszenie prędkości obrotowej stojana. (odwrotnie proporcjonalna zależność). Zatem dla stojana czterobiegunowego (liczba biegunów jest dwa razy większa), aby utrzymać częstotliwość 50 Hz, prędkość obrotowa wału musi zostać zmniejszona o połowę. W związku z tym, jeżeli stosuje się 6 biegunów, prędkość obrotowa wału powinna zmniejszyć się o współczynnik od 3 do 1000 obr./min.
Zauważ, że w niektórych krajach, takich jak USA, Japonia, itp., Istnieją inne standardy - 60 Hz, a naprzemienne 400 Hz jest używane na przykład w sieci pokładowej nowoczesnych samolotów.
Kontrola częstotliwości
Osiągnij wymagane parametry częstotliwości na 2 sposoby:
- Zaprojektować generator z określoną liczbą biegunów elektromagnesów.
- Zapewnić odpowiednią znamionową prędkość wału.
Na przykład w wolnoobrotowych turbinach wodnych obracających się z prędkością 150 obr / min. dla regulacji częstotliwości liczba biegunów generatorów synchronicznych jest zwiększona do 40. W elektrowniach wysokoprężnych, przy prędkościach obrotowych 750 obr / min, optymalna liczba biegunów wynosi 8.
Regulacja EMF
Ze względu na zmiany parametrów aktywnych obciążeń istnieje potrzeba wyrównania napięć znamionowych. Pomimo faktu, że EMF indukcji generatora synchronicznego jest związana z prędkością obrotową wirnika, jednak ze względu na wymagania dotyczące utrzymania stałej częstotliwości, tej metody nie można zmienić w ten sposób. Ale parametry indukcji magnetycznej można zmienić, zmniejszając lub zwiększając strumień magnetyczny, który zależy od liczby zwojów uzwojenia cewki indukcyjnej i wielkości prądu wzbudzenia.
Regulacja odbywa się poprzez włączenie cewek wzbudzenia w obwodzie dodatkowych reostatów, obwodów elektronicznych lub poprzez regulację prądu generatora-patogenu (rys. 4). W przypadku stosowania alternatorów z magnesami trwałymi, w takich urządzeniach napięcie jest regulowane przez zewnętrzne stabilizatory.
Ze względu na niską masę i doskonałe charakterystyki prądowe, synchroniczne alternatory były stosowane we wszystkich nowoczesnych samochodach. Ponieważ sieć pokładowa samochodu wykorzystuje prąd stały, konstrukcje alternatorów samochodowych są wyposażone w prostownik trójfazowy. W przypadku prostujących prądów przemiennych częstotliwość nie ma znaczenia, ale napięcie musi być stabilne. Osiąga się to za pomocą zewnętrznych urządzeń elektronicznych. Rysunek 5 przedstawia obwód elektryczny podłączenia generatora do sieci pokładowej nowoczesnego samochodu.
Aplikacja
Synchroniczne alternatory mają jedną ważną cechę: mogą być synchronizowane z innymi podobnymi maszynami elektrycznymi. W tym przypadku synchroniczne prędkości i emfs równoległych alternatorów pokrywają się, a przesunięcie fazowe wynosi zero. Ta okoliczność pozwala na wykorzystanie urządzeń w energetyce przemysłowej i podłączenie generatorów rezerwowych, gdy nominalne wydajności zostaną przekroczone w godzinach szczytu.
Trójfazowe generatory trakcji są stosowane w lokomotywach spalinowych. Zmienne prądy do zasilania silników są prostowane za pomocą urządzeń półprzewodnikowych. Obecnie w Rosji produkowane są lokomotywy spalinowe oparte na asynchronicznych silnikach elektrycznych, które nie wymagają bieżącej rektyfikacji. W trybie hamowania działają jako generatory asynchroniczne.
Synchroniczne generatory są instalowane w samochodach hybrydowych w celu połączenia silnika trakcyjnego i silników trakcyjnych. Opracowując moc czynną przy nominalnych obciążeniach, oszczędzają drogie paliwo.
Istnieje wiele innych zastosowań. Na przykład mobilne mini-elektrownie, generatory prądu domowego, jako silnik jednofazowy itp.