Un generator de curent electric este un dispozitiv conceput pentru a converti tipuri de energie neelectrice (chimice, mecanice, termice) în energie electrică. Mai mult, proiectarea sa se bazează pe utilizarea principiului inducției electromagnetice.
Principiul funcționării și dispozitivul celui mai simplu alternator
Inducția electromagnetică este un fenomen care a fost descoperit în 1831 de către fizicianul britanic Michael Faraday (1791-1867), care a descoperit că atunci când un flux magnetic care variază în timp trece printr-un circuit conductiv închis, un curent electric apare în acesta din urmă. Acest principiu este cel care stă la baza oricărui generator.
În practică, principiul inducției electromagnetice este implementat după cum urmează: un curent electric apare într-un cadru închis (rotorul) atunci când se intersectează cu un câmp magnetic rotativ, format în funcție de scopul și proiectarea generatorului de către magneți permanenți sau înfășurări speciale de excitație. Când cadrul se rotește, mărimea fluxului magnetic se schimbă. Cu cât se rotește mai repede, cu atât tensiunea de ieșire este mai mare.
În 1827, acest efect a fost descoperit și utilizat pentru a crea modelul original al unui generator de curent electric de către fizicianul maghiar Agnos Istvan Jedlik (1800-1895). Cu toate acestea, considerând-o faimoasă, savantul nu și-a brevetat descoperirea și a anunțat crearea primei dinamouri abia în 1850.
Pentru a elimina curentul electric, cadrul este echipat cu un colector de curent, care îl transformă într-o buclă închisă și asigură un contact constant al cadrului rotativ cu elemente staționare ale generatorului. Periile cu arcuri sunt presate pe inelele colectorului și astfel curentul electric este furnizat la bornele de ieșire ale generatorului.
Rotind, jumătățile cadrului trec secvențial în apropierea poliilor magnetului. În acest caz, se produce o schimbare ciclică a direcției de mișcare a curentului emergent - la fiecare pol curentul se mișcă într-o direcție.
În funcție de proiectarea colectorului, generatorul poate genera atât curent direct, cât și curent alternativ.
- În generatoarele de curent continuu, pentru fiecare jumătate a înfășurării din nodul colector, există inele izolate unele de altele. Datorită faptului că aceste jumătate de inele schimbă permanent pensulele, curentul nu își schimbă direcția, ci pur și simplu pulsează.
- În alternatoare, capetele cadrului sunt legate de inele de alunecare și toată această structură se rotește în jurul axei sale. La rotirea cadrului, periile, fiecare dintre ele fiind în apropiere de inelul său, asigură un conductor de încredere în jos. În acest caz, nu se produce o schimbare ciclică a poziției periilor.
Partea rotativă a generatorului se numește rotor, iar partea staționară se numește stator.
Principiul funcționării generatoarelor de curent alternativ și direct este identic. Ele diferă între ele prin proiectarea inelelor de alunecare amplasate pe un rotor rotativ și configurația înfășurărilor.
În generatoarele de curent alternativ, se folosește adesea o soluție tehnică originală, bazată pe faptul că EMF apare în conductor nu numai atunci când se rotește într-un câmp magnetic, ci și în cazul în care câmpul magnetic propriu-zis se rotește în raport cu un conductor staționar.
Acest efect este utilizat pe scară largă de dezvoltatorii care plasează magneți electrici sau permanenți pe un rotor rotativ. În acest caz, tensiunea este îndepărtată de înfășurarea montată staționar, ceea ce face posibilă scăparea de proiectele complexe ale ansamblurilor de colecționare.
Generatoare de curent alternativ
Sunt produse un număr foarte mare dintre cele mai diverse generatoare de curent alternativ. Acestea pot fi clasificate după următorii parametri:
- proiectare constructivă;
- metoda excitației;
- numărul de faze.
Prin metoda de excitare a consumatorului, se pot găsi agregate:
- cu excitație independentă - înfășurarea de excitație este alimentată cu curent direct de la o sursă de alimentare independentă;
- cu autoexcitare - un curent rectificat de la generator însuși este furnizat înfășurării de excitație;
- cu excitație din magneți permanenți - fără înfășurare de excitație;
- cu excitație de la agentul patogen - un generator de curent continuu cu putere redusă, „așezat” pe același arbore cu generatorul servit.
După numărul de faze, generatoarele electrice sunt:
- fază singulară;
- două faze;
- trei faze.
În practică, cel mai des se găsesc alternatoare trifazice. Acest lucru se datorează mai multor avantaje caracteristice acestui tip de agregate:
- obținerea unui efect economic în dezvoltarea sistemelor de transmisie a energiei pe distanțe lungi - reducerea consumului de materiale al dispozitivelor transformatoare și a firelor de alimentare; Aceasta contribuie la prezența unui câmp magnetic circular;
- resurse operaționale sporite, care asigură echilibrul sistemului;
- utilizarea simultană a tensiunii liniare și a fazei.
Din punct de vedere structural, un generator electric trifazic are trei înfășurări independente amplasate în stator în jurul circumferinței cu o decalare de 120 ° una față de cealaltă. În plus, fiecare înfășurare este un generator monofazat, care este capabil să furnizeze consumatorului tensiune alternativă R. O astfel de înfășurare este denumită „fază”. Înfășurările de fază pot fi interconectate printr-un "triunghi" sau "stea".
Există alte scheme de conectare a înfășurărilor, de exemplu, sistemul Tesla cu șase fire sau conexiunea Slavyanka (o combinație de șase înfășurări sub forma unei „stele” și a unui „triunghi”), dar nu au fost utilizate pe scară largă.
Rolul cadrului în dispozitivele care generează curent alternativ este jucat de un electromagnet, care, rotind, schimbă variabilele EMF induse în înfășurări cu o treime dintr-un ciclu unul față de celălalt.
Dintre numeroasele alternatoare, există două tipuri principale ale designului lor: sincron și asincron. Recent, având în vedere numărul mare de dispozitive electronice complexe controlate de microprocesoare, a apărut un nou tip de generator electric - inverter.
Generatoare de energie sincronă
Un alternator sincron este format din două părți - un rotor mobil și un stator fix.
Atunci când rotorul se rotește, care este un electromagnet cu miez și o înfășurare de excitație, conectat la o sursă de alimentare externă folosind un mecanism de perie, este produs un EMF în înfășurarea statorului, care este alimentată la bornele de ieșire ale generatorului. Acest design elimină nevoia de contacte glisante, ceea ce simplifică foarte mult designul unității. Inițial, fluxul magnetic este excitat de la un excitator terț montat pe un arbore comun și conectat la sistem folosind un cuplaj.
În generatoarele sincrone de putere mică, înfășurarea pe câmp este alimentată de un curent rectificat. În acest caz, circuitul electric se formează datorită activării transformatoarelor incluse în circuitul de încărcare. Un redresor semiconductor este, de asemenea, inclus. Circuitul electric principal include:
- înfășurare pe câmp;
- reglarea reostatului.
Principala caracteristică a generatorului sincron este că frecvența curentului electric generat este proporțională cu viteza rotorului.
Generatoare asincrone de energie
Un alternator asincron diferă de unul sincron în absența unei conexiuni rigide între vitezele rotorului și emf indus. Diferența dintre acești parametri se numește „alunecare”. Există un decalaj de aer între rotor și statorul generatorului asincron. În același timp, cuplul de frânare care apare atunci când sarcina este conectată și împiedică rotirea rotorului să afecteze frecvența EMF generată. Prin urmare, energia electrică în generatoare asincrone este generată cu o viteză mai mare a rotorului.
Proiectarea generatoarelor asincrone este simplă, dar are cele mai proaste caracteristici tehnice în comparație cu unitățile sincrone - eroarea în frecvență poate ajunge la 4%, iar în tensiune până la 10%. În plus, generatoarele asincrone sunt critice pentru curentul de intrare. De aceea, se recomandă acționarea lor împreună cu stabilizatori, iar în unele cazuri, de exemplu, pentru o pornire lină a motorului electric, poate fi necesar un convertor de frecvență.
Generatoare de invertor
Un generator invertor este un generator asincron convențional, la ieșirea căruia este instalat un stabilizator suplimentar al parametrilor de ieșire.
Funcționează după cum urmează: tensiunea generată de un generator asincron merge la invertor, unde este mai întâi rectificată, iar apoi, din tensiunea de curent continuă, se formează impulsuri ale unei frecvențe și ciclu dat. La ieșirea dispozitivului, aceste impulsuri sunt transformate într-o tensiune sinusoidală cu caracteristici tehnice aproape perfecte.
Unitate de alternator
În condiții interne, rotorul generatorului este condus de motoarele cu combustie internă (ICE) care funcționează pe combustibili, cum ar fi benzina sau motorina. În același timp, durata de funcționare a generatoarelor de benzină echipate cu CI-uri push-pull este de aproximativ 500 de ore pe an (nu mai mult de 4 ore pe zi); ICE în patru timpi ajunge la 5000 de ore pe an.
Este recomandabil să folosiți generatoare electrice pe benzină pentru întreruperi scurte de energie și / sau pentru ieșirea în mediul rural.
Generatoarele care funcționează pe motorină sunt caracterizate de o putere mare și o benzină mult mai durabilă. Printre ele există modele cu răcire cu aer și lichid. Unitățile răcite cu aer sunt recomandate pentru a fi utilizate în locuri în care electricitatea este adesea oprită mult timp.
Folosirea unor astfel de aparate electrocasnice este extrem de simplă - trebuie să umpleți combustibilul în rezervor, rotiți cheia pentru a porni motorul și conectați sarcina. Panoul lor de control este echipat cu toate inscripțiile și simbolurile necesare și intuitive.
Generatoarele diesel răcite cu lichid sunt dispozitive dintr-o categorie complet diferită. Acestea sunt capabile să lucreze zile întregi și sunt utilizate în principal în întreprinderi ca surse de alimentare de rezervă.
Generatoarele industriale concepute pentru a genera curent alternativ și a furniza consumatorilor pe distanțe lungi, folosind linii electrice de înaltă tensiune (linii de alimentare) funcționează prin activarea turbinelor hidraulice sau cu abur. În astfel de unități, mecanismul rotorului este conectat direct la roata turbinei.
Generatoarele de turbină sunt caracterizate de o putere mare (până la 100.000 kW) și sunt capabile să genereze curent alternativ cu tensiune de până la 16 kV. Lungimea și diametrul rotorului lor pot atinge 6,5 și respectiv 15 metri, iar viteza de rotație a acestuia din urmă se situează în intervalul 1500 ... 3000 rpm.Instalați astfel de unități în încăperi separate pe substraturi de beton special pregătite.
Opțiuni și capacități ale generatoarelor electrice de uz casnic
Pentru o utilizare ușoară, producătorii își echipează produsele cu o serie de opțiuni utile, printre care se numără:
- dispozitiv pentru pornirea automată a unității în timpul unei întreruperi de curent;
- prezența unui RCD încorporat, care deconectează dispozitivul de la rețea în timpul defalcării izolației și apariția unui curent de scurgere;
- parametrii de control și afișarea lor pe afișaj;
- protecție la suprasarcină.
Atunci când o sarcină este conectată la un generator electric, a cărui valoare va fi mai mică decât cea nominală, unitatea va începe să „mănânce” o parte din combustibil lichid pentru nimic, fără a-i folosi pe deplin capacitățile.
Nu va fi de prisos să aveți în setul de livrare o carcasă de amortizare specială, un rezervor de combustibil crescut, o carcasă care protejează unitatea de expunerea la temperaturi scăzute etc.
Caracteristici de instalare
Un potențial proprietar al unui alternator trebuie să aibă grijă de pregătirea locului de instalare înainte de a cumpăra. Indiferent de locul în care o astfel de unitate va fi instalată, în interior sau în exterior, va necesita o platformă plată și solidă. Instalarea unui generator electric pe un site inegal va duce la o creștere a vibrațiilor, ceea ce va accelera uzura pieselor și poate provoca defecțiunea unui dispozitiv scump.
Când instalați generatorul într-o cameră, este important să se prevadă prezența ventilației de evacuare. În plus, în timpul funcționării unității, este recomandat să lăsați ușa camerei deschise, care, la rândul său, va necesita instalarea unei grile în ușa care blochează persoanele din afară și, mai important, copiii, de accesarea zonei de pericol.
Generatorul electric este conectat la rețea în conformitate cu cerințele stabilite în instrucțiunile de exploatare. În acest caz, cablul electric trebuie conectat după mașina introductivă și contorul electric.
