Il dispositivo e il principio di funzionamento degli alternatori

Un generatore di corrente elettrica è un dispositivo progettato per convertire tipi di energia non elettrica (chimica, meccanica, termica) in energia elettrica. Inoltre, il suo design si basa sull'uso del principio dell'induzione elettromagnetica.

Il principio di funzionamento e il dispositivo dell'alternatore più semplice

L'induzione elettromagnetica è un fenomeno scoperto nel 1831 dal fisico britannico Michael Faraday (1791-1867), che scoprì che quando un flusso magnetico variabile nel tempo passa attraverso un circuito conduttivo chiuso, una corrente elettrica sorge in quest'ultimo. È questo principio che sta alla base di qualsiasi generatore.

In pratica, il principio dell'induzione elettromagnetica è implementato come segue: una corrente elettrica si presenta in un telaio chiuso (rotore) quando si interseca con un campo magnetico rotante, formato a seconda dello scopo e del design del generatore da magneti permanenti o speciali avvolgimenti di eccitazione. Quando la cornice ruota, l'entità del flusso magnetico cambia. Più veloce ruota, maggiore è la tensione di uscita.

Nel 1827, questo effetto fu scoperto e usato per creare il modello originale di un generatore di corrente elettrica dal fisico ungherese Agnos Istvan Jedlik (1800-1895). Tuttavia, considerato famoso, lo scienziato non brevettò la sua scoperta e annunciò la creazione della prima dinamo solo nel 1850.

Per rimuovere la corrente elettrica, il telaio è dotato di un collettore di corrente, che lo trasforma in un circuito chiuso e fornisce un contatto costante del telaio rotante con elementi fissi del generatore. Le spazzole a molla vengono premute contro gli anelli del collettore e quindi la corrente elettrica viene fornita ai terminali di uscita del generatore.

Ruotando, le metà del telaio passano in sequenza vicino ai poli del magnete. In questo caso, si verifica un cambiamento ciclico nella direzione del movimento della corrente emergente: ad ogni polo la corrente si sposta in una direzione.

A seconda del design del collettore, il generatore può generare sia corrente continua che alternata.

• Nei generatori DC, per ogni metà dell'avvolgimento nel nodo del collettore, ci sono anelli isolati l'uno dall'altro. A causa del fatto che questi semianelli cambiano costantemente le spazzole, la corrente non cambia direzione, ma pulsa semplicemente.
• Negli alternatori, le estremità del telaio sono legate ad anelli di contatto e l'intera struttura ruota attorno al proprio asse. Quando si ruota il telaio, le spazzole, ciascuna delle quali è strettamente adiacente al suo anello, forniscono un conduttore discendente affidabile. In questo caso, non si verifica un cambiamento ciclico nella posizione dei pennelli.

La parte rotante del generatore si chiama rotore e la parte stazionaria si chiama statore.

Il principio di funzionamento dei generatori di corrente alternata e diretta è identico. Differiscono tra loro nel design degli anelli di contatto situati su un rotore rotante e nella configurazione degli avvolgimenti.

Nei generatori di corrente alternata, viene spesso utilizzata una soluzione tecnica originale, basata sul fatto che l'EMF appare nel conduttore non solo quando ruota in un campo magnetico, ma anche nel caso in cui il campo magnetico stesso ruoti rispetto a un conduttore stazionario.

Questo effetto è ampiamente utilizzato dagli sviluppatori che posizionano magneti elettrici o permanenti su un rotore rotante. In questo caso, la tensione viene rimossa dall'avvolgimento montato fisso, il che rende possibile sbarazzarsi dei disegni complessi dei gruppi di collettori.

Generatori di corrente alternata

Viene prodotto un numero enorme di generatori CA più diversi. Possono essere classificati in base ai seguenti parametri:

• progettazione costruttiva;
• metodo di eccitazione;
• numero di fasi.

Con il metodo di eccitazione per il consumatore, si possono trovare aggregati:

• con eccitazione indipendente - l'avvolgimento di eccitazione è alimentato con corrente continua proveniente da una fonte di alimentazione indipendente;
• con autoeccitazione: una corrente rettificata dal generatore stesso viene fornita all'avvolgimento di eccitazione;
• con eccitazione da magneti permanenti - nessun avvolgimento di eccitazione;
• con l'eccitazione dell'agente patogeno: un generatore DC a bassa potenza, "seduto" sullo stesso albero con il generatore servito.

Per numero di fasi, i generatori elettrici sono:

• monofase;
• bifase;
• trifase.

In pratica, si trovano spesso alternatori trifase. Ciò è dovuto a una serie di vantaggi caratteristici di questo tipo di aggregati:

• ottenere un effetto economico nello sviluppo di sistemi per la trasmissione di elettricità su lunghe distanze - riducendo il consumo di materiale dei trasformatori e dei cavi di alimentazione; Ciò contribuisce alla presenza di un campo magnetico circolare;
• aumento delle risorse operative, che garantisce l'equilibrio del sistema;
• uso simultaneo di tensione lineare e di fase.

Strutturalmente, un generatore elettrico trifase ha tre avvolgimenti indipendenti situati nello statore attorno alla circonferenza con un offset di 120 ° l'uno rispetto all'altro. Inoltre, ogni avvolgimento è un generatore monofase, che è in grado di fornire tensione alternata al consumatore R. Tale avvolgimento singolo è chiamato "fase". Gli avvolgimenti di fase possono essere interconnessi da un "triangolo" o "stella".

Esistono altri schemi per collegare gli avvolgimenti, ad esempio il sistema Tesla a sei fili o la connessione Slavyanka (una combinazione di sei avvolgimenti sotto forma di una "stella" e un "triangolo"), ma non sono stati ampiamente utilizzati.

Il ruolo del frame nei dispositivi che generano corrente alternata è svolto da un elettromagnete che, ruotando, sposta le variabili EMF indotte negli avvolgimenti di un terzo di un ciclo l'una rispetto all'altra.

Tra i molti alternatori, ci sono due tipi principali del loro design: sincrono e asincrono. Di recente, dato il gran numero di complessi dispositivi elettronici controllati da microprocessori, è apparso un nuovo tipo di generatore elettrico: l'inverter.

Generatori di corrente sincroni

Un alternatore sincrono è costituito da due parti: un rotore mobile e uno statore fisso.

Quando il rotore viene ruotato, che è un elettromagnete con un nucleo e un avvolgimento di eccitazione, collegato a una fonte di alimentazione esterna mediante un meccanismo a spazzola, un avvolgimento elettromagnetico viene indotto nell'avvolgimento dello statore, che viene alimentato ai terminali di uscita del generatore. Questo design elimina la necessità di contatti striscianti, il che semplifica notevolmente il design dell'unità. Inizialmente, il flusso magnetico viene eccitato da un eccitatore di terze parti montato su un albero comune e collegato al sistema mediante un accoppiamento.

Nei generatori sincroni a bassa potenza, l'avvolgimento di campo è alimentato da una corrente rettificata. In questo caso, il circuito elettrico si forma a causa dell'attivazione dei trasformatori inclusi nel circuito di carico. È incluso anche un raddrizzatore a semiconduttore. Il circuito elettrico principale comprende:

• avvolgimento di campo;
• reostato di regolazione.

La caratteristica principale del generatore sincrono è che la frequenza della corrente elettrica generata è proporzionale alla velocità del rotore.

Generatori di corrente asincroni

Un alternatore asincrono differisce da uno sincrono in assenza di una connessione rigida tra le velocità del rotore e l'emf indotto. La differenza tra questi parametri si chiama "slip". C'è uno spazio d'aria tra il rotore e lo statore del generatore asincrono. Allo stesso tempo, la coppia frenante che si verifica quando il carico è collegato e impedisce la rotazione del rotore influisce sulla frequenza dell'EMF generato. Pertanto, l'elettricità nei generatori asincroni viene generata ad una maggiore velocità del rotore.

Il design dei generatori asincroni è semplice, ma presenta le peggiori caratteristiche tecniche rispetto alle unità sincrone: l'errore in frequenza può raggiungere il 4% e in tensione fino al 10%. Inoltre, i generatori asincroni sono fondamentali per la corrente di spunto. Pertanto, si consiglia di farli funzionare insieme agli stabilizzatori e, in alcuni casi, ad esempio, per un avvio regolare del motore elettrico, potrebbe essere necessario un convertitore di frequenza.

Generatori di inverter

Un generatore di inverter è un generatore asincrono convenzionale, all'uscita del quale è installato un ulteriore stabilizzatore di parametri di uscita.

Funziona come segue: la tensione generata da un generatore asincrono va all'inverter, dove viene prima rettificata, e quindi gli impulsi di una data frequenza e ciclo di lavoro vengono formati dalla tensione CC risultante. All'uscita del dispositivo, questi impulsi vengono convertiti in una tensione sinusoidale con caratteristiche tecniche quasi perfette.

Alternatore

In condizioni domestiche, il rotore del generatore è azionato da motori a combustione interna (ICE) che funzionano con carburanti come benzina o diesel. Allo stesso tempo, la vita operativa dei generatori di benzina dotati di ICE push-pull è di circa 500 ore all'anno (non più di 4 ore al giorno); ICE a quattro tempi raggiunge le 5000 ore all'anno.

Si consiglia di utilizzare generatori elettrici a benzina per brevi interruzioni di corrente e / o per uscire in campagna.

I generatori alimentati a gasolio sono caratterizzati da potenza elevata e benzina molto più resistente. Tra questi ci sono modelli con raffreddamento ad aria e liquido. Si consiglia l'uso di unità raffreddate ad aria in luoghi in cui l'elettricità viene spesso spenta per lungo tempo.

L'uso di tali elettrodomestici è estremamente semplice: è necessario riempire il carburante nel serbatoio, girare la chiave per avviare il motore e collegare il carico. Il loro pannello di controllo è dotato di tutte le iscrizioni e i simboli necessari e intuitivi.

I generatori diesel raffreddati a liquido sono dispositivi in ​​una categoria completamente diversa. Sono in grado di funzionare per giorni e sono utilizzati principalmente nelle aziende come fonti di energia di backup.

I generatori industriali progettati per generare corrente alternata e fornirla ai consumatori su lunghe distanze utilizzando linee elettriche ad alta tensione (linee di trasmissione) funzionano attivando turbine idrauliche o a vapore. In tali unità, il meccanismo del rotore è collegato direttamente alla ruota della turbina.

I generatori di turbine sono caratterizzati da una potenza elevata (fino a 100.000 kW) e sono in grado di generare corrente alternata con tensione fino a 16 kV. La lunghezza e il diametro del loro rotore possono raggiungere rispettivamente 6,5 e 15 metri e la velocità di rotazione di quest'ultimo è compresa tra 1500 e 3000 giri / min.Installare tali unità in locali separati su supporti in calcestruzzo appositamente preparati.

Opzioni e capacità dei generatori elettrici domestici

Per facilità d'uso, i produttori forniscono ai loro prodotti una serie di opzioni utili, tra cui:

• dispositivo per l'avvio automatico dell'unità durante un'interruzione di corrente;
• la presenza di un interruttore differenziale incorporato, scollegando il dispositivo dalla rete durante la rottura dell'isolamento e la comparsa di una corrente di dispersione;
• controllare i parametri e visualizzarli sul display;
• protezione da sovraccarico.

Quando un carico è collegato a un generatore elettrico, il cui valore sarà inferiore a quello nominale, l'unità inizierà a "consumare" parte del combustibile liquido per nulla, senza sfruttare appieno le sue capacità.

Non sarà superfluo avere nel set di consegna un involucro di silenziamento speciale, un serbatoio del carburante maggiorato, un involucro che protegge l'unità dall'esposizione a basse temperature, ecc.

Funzionalità di installazione

Un potenziale proprietario di un alternatore deve occuparsi della preparazione del sito di installazione prima dell'acquisto. Indipendentemente da dove verrà installata tale unità, all'interno o all'esterno, richiederà una piattaforma piatta e solida. L'installazione di un generatore elettrico su un sito irregolare comporta un aumento delle vibrazioni, che accelera l'usura delle parti e può provocare il guasto di un dispositivo costoso.

Quando si installa il generatore in una stanza, è importante prevedere la presenza di ventilazione di scarico. Inoltre, durante il funzionamento dell'unità, si consiglia di lasciare aperta la porta della stanza, che a sua volta richiederà l'installazione di una griglia sulla porta che impedisce agli estranei, e soprattutto ai bambini, di accedere alla zona di pericolo.

Il generatore elettrico è collegato alla rete in stretta conformità con i requisiti stabiliti nelle istruzioni per l'uso. In questo caso, il cavo elettrico deve essere collegato dopo la macchina introduttiva e il contatore elettrico.