Generatore corrente alternata- Cos'è? Questa è una macchina elettrica che converte l'energia dell'interazione meccanica in elettricità. Come funziona? La legge dell'induzione elettromagnetica è fondamentale per i principi di funzionamento di un dispositivo come un generatore di corrente alternata. Come è noto dalle leggi dell'elettromagnetismo, la forza elettromotrice (EMF) può essere indotta (creata) solo in diversi casi: quando cambiano i parametri del flusso magnetico attorno al conduttore stesso o quando il conduttore si muove in campi magnetici. Un campo magnetico è un mezzo materiale che può essere rilevato esclusivamente empiricamente ( empiricamente). Cioè, per identificare la presenza o l'assenza di un tale campo di forza nella sua area possibile azioneè necessario introdurre un conduttore con corrente o un corpo magnetizzato.

Caratteristiche del generatore

In un dispositivo come un alternatore, la parte principale è occupata da un elettromagnete. È costituito da un nucleo ferrimagnetico e una bobina ed è progettato per generare flusso magnetico. Esistono una serie di requisiti di base che si applicano a tali macchine: un intervallo di rotazione da 50 a 12.000 giri al minuto, la gamma di potenza più ampia possibile (da diversi watt a centinaia di megawatt), peso e dimensioni minime, elevata affidabilità e prestazioni.

Alternatore trifase

Di solito una macchina del genere è sincrona. Il suo compito principale è convertire qualsiasi tipo di energia in elettricità. Tradizionalmente, questa è energia meccanica. Perché un alternatore è chiamato sincrono? Si tratta di una macchina senza spazzole in cui la velocità di rotazione è costante e ad una determinata frequenza è determinata dal numero di poli. Il generatore di corrente alternata è diventato estremamente diffuso nell'industria manifatturiera e nei trasporti ferroviari. È grazie alla rotazione sincrona che viene utilizzato su sezioni refrigerate e locomotive diesel.

Generatore di corrente alternata: dispositivo e principi di base di funzionamento

Se si ruota il rotore e l'induttore, una fem inizierà ad essere indotta negli avvolgimenti dello statore. È questo fenomeno che costituisce la base per il funzionamento sia delle macchine trifase che monofase. A causa del loro ampio utilizzo nelle locomotive diesel, il motore principale di tali generatori sincroni di trazione può essere anche un motore diesel (motore a combustione interna). La parte fissa di un alternatore è lo statore, che consiste in un nucleo e un alloggiamento.

Nelle fessure dello statore viene inserito un avvolgimento, grazie al quale viene indotta una forza elettromagnetica. Il nucleo è costituito da lamiere compresse di acciaio elettrico speciale. Il rotore è l'albero su cui sono fissati i nuclei dei poli del generatore. Ci sono poli forti e debolmente espressi. L'avvolgimento è costituito da fili di rame, solitamente di sezione trasversale rotonda o rettangolare. Le estremità dell'avvolgimento vengono portate agli anelli collettori. Con l'aiuto delle spazzole installate nei portaspazzole, che vengono premute contro le superfici di contatto mediante molle, viene effettuata la raccolta della corrente. Dato il design semplice, è del tutto possibile realizzare un generatore di corrente alternata con le proprie mani. Il suo principio di funzionamento è estremamente semplice. Il rotore ruota con l'aiuto di un motore. Il campo magnetico del rotore ruota con esso. È su questo principio che funziona un generatore di corrente alternata.

Storia

I sistemi che producono corrente alternata sono noti in forme semplici sin dalla scoperta dell'induzione magnetica della corrente elettrica. Le prime macchine furono sviluppate da pionieri come Michael Faraday e Hippolyte Pixie.

Faraday sviluppò un "triangolo rotante" la cui azione era multipolare- ciascun conduttore attivo è stato fatto passare in sequenza attraverso un'area in cui il campo magnetico era in direzioni opposte. La prima dimostrazione pubblica del più potente "sistema alternatore" ebbe luogo nel 1886. Un grande generatore di corrente alternata bifase fu costruito dall'elettricista britannico James Edward Henry Gordon nel 1882. Lord Kelvin e Sebastian Ferranti svilupparono anche un primo alternatore che produceva frequenze comprese tra 100 e 300 hertz. Nel 1891 Nikola Tesla brevettò un pratico alternatore "ad alta frequenza" (che funzionava a una frequenza di circa 15.000 hertz). Dopo il 1891 furono introdotti gli alternatori multifase.

Il principio di funzionamento del generatore si basa sull'azione dell'induzione elettromagnetica: la presenza di tensione elettrica nell'avvolgimento dello statore situato in un campo magnetico alternato. Viene creato con l'aiuto di un elettromagnete rotante - rotore quando la corrente continua passa attraverso il suo avvolgimento. La tensione alternata viene convertita in tensione continua da un raddrizzatore a semiconduttore.

Generatore per auto

Alternatore per auto. La cinghia di trasmissione è stata rimossa.

L'alternatore viene utilizzato nelle auto moderne per caricare la batteria e per fornire energia all'impianto elettrico dell'auto. Gli alternatori non utilizzano un commutatore, questo offre un grande vantaggio rispetto ai generatori corrente continua: Sono più semplici, leggeri ed economici. Gli alternatori automobilistici utilizzano una serie di raddrizzatori (ponte a diodi) per convertire la corrente alternata in corrente continua. Per produrre corrente continua a basso ripple, generatori per auto AC hanno avvolgimento trifase e un raddrizzatore trifase.

I moderni alternatori per automobili hanno un regolatore di tensione integrato. In precedenza venivano installati solo regolatori di tensione analogici. Attualmente i regolatori a relè sono passati a un canale digitale, il cosiddetto bus CAN.

Alternatori marini

Generatori marini di corrente alternata negli yacht con adeguato adattamento agli ambienti di acqua salata.

Alternatori senza spazzole

Un generatore brushless è costituito da due generatori su un unico albero. I piccoli generatori brushless possono sembrare un'unica unità, ma le due parti sono facilmente identificabili sull'immagine grandi generatori. La parte più grande dei due è il generatore principale e la parte più piccola è l'eccitatore. L'eccitatore ha bobine di campo stazionarie e un'armatura rotante (bobine di potenza). Il generatore principale utilizza configurazioni di campo rotante opposte e bobine stazionarie. Il raddrizzatore a ponte (raddrizzatore rotante) è montato su una piastra fissata al rotore. Non vengono utilizzate spazzole o anelli collettori, riducendo così il numero di parti soggette ad usura.

Generatore di induzione

A differenza di altri generatori, il funzionamento di un generatore ad induzione non si basa su un campo magnetico rotante, ma su uno pulsante, in altre parole, il campo cambia non in funzione dello spostamento, ma in funzione del tempo, che alla fine (induzione di EMF) dà lo stesso risultato.

La progettazione dei generatori ad induzione prevede il posizionamento sia di un campo costante che di bobine per indurre EMF sullo statore, mentre il rotore rimane libero da avvolgimenti, ma deve avere una forma a dente, poiché l'intero funzionamento del generatore si basa sulle armoniche dei denti del rotore.

Generatori per piccola energia

Per potenze fino a 100 kW ampia applicazione trovato generatori monofase e trifase con eccitazione da magneti permanenti. L'uso di magneti permanenti ad alta energia della composizione neodimio-ferro-boro ha permesso di semplificare la progettazione e ridurre significativamente le dimensioni e il peso dei generatori, che sono fondamentali per l'energia eolica su piccola scala.

Progettazione dell'alternatore

Nel vero caso generale, il generatore di corrente alternata trifase più comunemente utilizzato è costituito da un rotore a poli salienti con una coppia di poli (generatori ad alta velocità a bassa potenza) o 2 coppie di essi, disposti trasversalmente (i generatori più comuni con potenze fino a diversi cento kilowatt.Questa struttura non solo consente un utilizzo più efficiente del materiale, ma anche una frequenza industriale AC di 50 Hz fornisce una velocità operativa del rotore di 1500 giri/min, che è in buon accordo con la velocità di trazione dei motori diesel di questa potenza ), nonché uno statore con 3 (nel primo caso) o 6 (nel secondo) avvolgimenti e poli di potenza. La tensione proveniente dagli avvolgimenti di potenza è quella fornita al consumatore.

Il rotore può essere realizzato con magneti permanenti solo per i generatori di bassissima potenza; in tutti gli altri casi è provvisto del cosiddetto avvolgimento. avvolgimento di eccitazione, cioè è un elettromagnete in corrente continua, alimentato in un rotore rotante attraverso un gruppo spazzola-commutatore con semplici contatti ad anello, più resistenti all'usura rispetto al commutatore a lamelle spezzate delle macchine in corrente continua.

In qualsiasi potente generatore di corrente alternata con un avvolgimento di eccitazione sul rotore, sorge inevitabilmente la domanda: quale entità della corrente di eccitazione dovrebbe essere fornita alla bobina? Dopotutto, la tensione di uscita di un tale generatore dipende da questo. E questa tensione deve essere mantenuta entro determinati limiti, ad esempio 380 Volt, indipendentemente dalla corrente nel circuito del consumatore, un valore significativo del quale può anche ridurre significativamente la tensione di uscita del generatore. Inoltre, il carico tra le fasi può generalmente essere molto irregolare.

Questo problema viene risolto nei generatori moderni, di norma, introducendo trasformatori di corrente elettromagnetici nei circuiti di uscita delle fasi del generatore, collegati da avvolgimenti secondari in un triangolo o stella, e producendo in uscita una tensione trifase alternata con un'ampiezza di uno - decine di volt, strettamente proporzionale e in fase con il valore della corrente di carico del generatore di fasi - maggiore è la corrente attualmente consumata in una data fase, maggiore è la tensione all'uscita della fase corrispondente del corrispondente trasformatore di corrente. In questo modo si ottiene un effetto stabilizzante e autoregolante. Tutte e tre le fasi di controllo degli avvolgimenti secondari dei trasformatori di corrente vengono quindi collegate ad un convenzionale raddrizzatore trifase da 6 diodi semiconduttori, e alla sua uscita si ottiene una corrente continua dell'entità richiesta, che viene fornita all'avvolgimento di eccitazione del rotore attraverso il gruppo spazzola-commutatore. Il circuito può essere integrato con un'unità reostato per una certa libertà nella regolazione della corrente di eccitazione.

Nei generatori obsoleti o a bassa potenza, invece dei trasformatori di corrente, veniva utilizzato un sistema di potenti reostati, con l'isolamento della corrente di eccitazione operativa modificando la caduta di tensione attraverso il resistore quando cambia la corrente che lo attraversa. Questi schemi erano meno accurati e molto meno economici.

In entrambi i casi, c'è il problema della comparsa della tensione iniziale sugli avvolgimenti di potenza del generatore nel momento in cui inizia a funzionare - infatti, se non c'è ancora eccitazione, allora la corrente negli avvolgimenti secondari dei trasformatori di corrente non ha da nessuna parte venire. Il problema, tuttavia, è risolto dal fatto che il ferro della forcella del rotore ha una certa capacità di farlo magnetizzazione residua, tale magnetizzazione residua risulta essere sufficiente ad eccitare negli avvolgimenti di potenza una tensione di alcuni volt, sufficiente ad autoeccitare il generatore e a raggiungere le sue caratteristiche di funzionamento.

Nei generatori autoeccitati un grave pericolo è rappresentato dalla fornitura accidentale di tensione esterna da una rete elettrica industriale agli avvolgimenti di potenza dello statore. Sebbene ciò non comporti conseguenze negative per gli avvolgimenti del generatore stesso, il potente campo magnetico alternato proveniente dalla rete esterna smagnetizza efficacemente lo statore, per cui il generatore perde la capacità di autoeccitarsi. In questo caso è necessaria una prima fornitura di tensione di eccitazione da una fonte esterna, ad es. batteria dell'auto, a volte tale procedura cura completamente lo statore, ma in alcuni casi la necessità di fornire un'eccitazione esterna rimane per sempre.

Alternatore principale

Il generatore principale è costituito da un rotante campo magnetico, come già detto, e raccordi fissi (avvolgimenti del generatore)

Auto ibride

Guarda anche

Collegamenti

• Alternatori. Editoria integrata (TPub.com).
• Alternatore in legno a basso numero di giri. ForceField, Fort Collins, Colorado, Stati Uniti.

Un generatore sincrono è una macchina (meccanismo) a corrente alternata che converte un certo tipo di energia in elettricità. Tali dispositivi includono macchine elettrostatiche, celle galvaniche, pannelli solari, termopile, ecc. L'uso di ciascun tipo di dispositivi elencati è determinato dalle loro caratteristiche tecniche.

Area di applicazione

Le unità sincrone sono utilizzate come fonti di elettricità a corrente alternata: sono utilizzate in potenti centrali termiche, idroelettriche e nucleari, nelle centrali elettriche mobili e nei sistemi di trasporto (automobili, aeroplani, locomotive diesel). Un'unità sincrona è in grado di funzionare in modo autonomo - come un generatore che alimenta qualsiasi carico ad esso collegato, oppure in parallelo alla rete - ad esso sono collegati altri generatori.

Un'unità sincrona può accendere dispositivi in ​​luoghi in cui non è presente un'alimentazione centrale reti elettriche. Questi dispositivi possono essere utilizzati nelle aziende agricole situate lontano dalle aree popolate.

Descrizione del dispositivo

Il design di un generatore sincrono è determinato dalla presenza di elementi come:

• Un rotore, o induttore (in movimento, rotante), nel quale entra l'avvolgimento di eccitazione.
• Un'armatura, o statore (immobile), a cui è collegato l'avvolgimento.
• Avvolgimento dell'unità.
• Interruttore bobina statore.
• Raddrizzatore.
• Diversi cavi.
• Struttura di compounding elettrico.
• Saldatrice.
• Bobina del rotore.
• Alimentazione costante e regolata.

Il generatore sincrono funziona come generatori e motori. Può passare dal programma di funzionamento del generatore al programma di funzionamento del motore, ciò dipende dall'azione della forza di rotazione o frenatura del dispositivo. Nel grafico del generatore entra l'energia meccanica ed esce l'energia elettrica. Nella grafica del motore entra l'energia elettrica ed esce l'energia meccanica.

Il dispositivo è collegato al circuito di corrente alternata tipi diversi resistenze non lineari. Le unità sincrone sono generatori di corrente alternata nelle centrali elettriche e i motori sincroni vengono utilizzati quando è necessario un motore che funzioni a una frequenza di rotazione costante.

Principio di funzionamento dell'unità

Il funzionamento di un generatore sincrono viene effettuato secondo il principio dell'induzione elettromagnetica. Durante il movimento al minimo, la bobina dell'armatura (statore) è aperta, quindi il campo magnetico dell'unità è formato da un avvolgimento del rotore. Quando il rotore ruota da un motore a filo, ha una frequenza costante, il campo magnetico del rotore si muove attraverso i conduttori degli avvolgimenti di fase dello statore e induce correnti alternate ripetute - forza elettromotrice (EMF). I campi elettromagnetici sono di natura sinusoidale, non sinusoidale o pulsante.

L'avvolgimento di eccitazione è progettato per creare un campo magnetico iniziale nel generatore per indurre una forza motrice elettrica nella bobina dell'armatura. Se l'armatura di un generatore sincrono è azionata dalla rotazione ad una certa velocità, quindi eccitata da una sorgente di correnti continue, il flusso di eccitazione passa attraverso i conduttori delle bobine dello statore e nelle fasi della bobina vengono indotti campi elettromagnetici alternati.

Dispositivo trifase

Trifase generatore sincrono- un dispositivo avente una struttura di corrente alternata trifase, che ha un'enorme distribuzione pratica. Un elettromagnete rotante è in grado di generare un flusso magnetico (alternato), che si muove attraverso le tre fasi dell'avvolgimento statorico esistente. E il risultato di ciò è che nelle fasi si verifica un EMF alternato della stessa frequenza, lo sfasamento avviene con un angolo pari a un terzo del periodo di rotazione dei campi magnetici.

Un generatore sincrono trifase è attrezzato in modo tale che l'armatura sul suo albero sia un elettromagnete e sia alimentata dal generatore. Quando l'albero ruota, ad esempio di una turbina, il generatore fornisce corrente elettrica, mentre l'avvolgimento del rotore è alimentato dalla corrente fornita. Da questo l'armatura diventa un magnete elettrico e, ruotando con lo stesso albero, eroga un campo elettromagnetico rotante.

I generatori idroelettrici e turbo trifase sincroni producono la maggior parte dell'elettricità. Le unità sincrone vengono utilizzate anche come motori elettrici in dispositivi con una potenza superiore a 50 kW. Durante il funzionamento di un'unità sincrona nel programma del motore, il rotore stesso è collegato a una sorgente di corrente continua e lo statore è collegato a un cavo trifase.

Strutture di eccitazione

Qualsiasi turbo, idro, generatori diesel,Compensatori sincroni, i motori attualmente prodotti sono dotati delle più recenti strutture di semiconduttori, come l'eccitazione dei generatori sincroni. Queste strutture utilizzano il metodo di raddrizzamento delle correnti alternate trifase di eccitatori ad alta frequenza o industriali o della tensione dell'unità eccitata.

Il design del generatore è tale che le strutture di eccitazione possono fornire parametri operativi dell'unità come:

• La prima fase dell'eccitazione, cioè la fase iniziale.
• Lavoro inattivo.
• Connessione alla rete tramite sincronizzazione precisa o autosincronizzazione.
• Lavorare nella struttura energetica con carichi o sovraccarichi esistenti.
• L'eccitazione dei dispositivi sincroni può essere forzata secondo criteri quali tensione e corrente aventi una data molteplicità.
• Frenatura elettrica del dispositivo.

Progettazione del generatore

Al momento vengono prodotti molti tipi di dispositivi a induzione, ma il dispositivo generatore è progettato in modo tale da contenere le stesse parti:

• Un elettromagnete o magnete permanente che produce un campo magnetico.
• Avvolgimento con FEM variabile indotta.

Per ottenere il massimo flusso magnetico, tutti i generatori utilizzano una speciale struttura magnetica, costituita da due nuclei di acciaio.

Gli avvolgimenti che creano un campo magnetico sono installati nelle fessure di uno dei nuclei e gli avvolgimenti indotti dall'EMF sono installati nelle fessure dell'altro. Uno dei nuclei, quello interno, interagisce con il suo avvolgimento e ruota attorno a un'asta orizzontale o verticale. Tale asta è chiamata rotore. Il nucleo immobile con avvolgimento è chiamato armatura (statore).

Caratteristiche del dispositivo

Per valutare la funzione dei generatori sincroni vengono utilizzate le stesse caratteristiche utilizzate nei generatori di corrente continua. Solo alcune condizioni differiscono e sono integrate.

Le principali caratteristiche di un generatore sincrono sono:

• Il minimo è Dipendenza dai campi elettromagnetici dispositivo dalle correnti di eccitazione, allo stesso tempo è un indicatore della magnetizzazione dei circuiti magnetici della macchina.
• Una caratteristica esterna è la dipendenza della tensione del dispositivo dalle correnti di carico. La tensione dell'unità cambia in modo diverso a seconda dell'aumento del carico per i suoi diversi tipi. Le ragioni che causano tali cambiamenti sono le seguenti:

1. Caduta di tensione attraverso la resistenza induttiva e attiva degli avvolgimenti del dispositivo. Aumenta all'aumentare del carico del dispositivo, cioè della sua corrente.
2. Variazione della fem dell'unità. Si verifica in base alla reazione dello statore. Con carichi attivi, una diminuzione della tensione sarà causata da una caduta di tensione in tutti gli avvolgimenti, poiché la reazione dello statore comporta un aumento della fem del generatore. Per carichi di tipo attivo-capacitivo l'effetto di magnetizzazione provoca un aumento del valore della tensione corrente rispetto al valore nominale.

• Le caratteristiche di controllo di un generatore sincrono sono la dipendenza delle correnti di eccitazione dalle correnti di carico. Durante il funzionamento delle unità sincrone, è necessario mantenere una tensione costante ai loro terminali, indipendentemente dalla natura e dall'entità dei carichi. Questo è facile da ottenere se si regola la FEM del generatore. Ciò può essere fatto modificando automaticamente le correnti di eccitazione in base alle variazioni dei carichi, ovvero quando carico attivo-capacitivoè necessario ridurre la corrente di eccitazione per mantenerla Tensione CC e con aumento attivo-induttivo e attivo.

La potenza di un generatore sincrono è determinata dai seguenti valori:

• Tensione adeguata nella rete elettrica.
• È EMF.
• Angolo di misurazione.

Apparecchio AC

Un generatore di corrente alternata sincrono è una macchina elettrica che converte l'energia di rotazione meccanica in energia elettrica di correnti alternate. Sono installati potenti generatori di tali correnti:

• turbogeneratore idrogeneratore - nelle centrali elettriche;
• Dispositivi CA di potenza relativamente bassa - nei sistemi di alimentazione autonomi (centrale elettrica con turbina a gas, centrale elettrica diesel) e in convertitori di frequenza(motore-generatore).

Attualmente vengono prodotti molti tipi di tali dispositivi, ma tutti lo hanno dispositivo generale elementi principali:

• armatura (statore) - stazionaria;
• rotore che ruota attorno ad un asse.

Nei grandi generatori industriali ruota un elettromagnete, che è un rotore. Allo stesso tempo, gli avvolgimenti con campi elettromagnetici indotti, posizionati nelle cave dello statore, rimangono fermi.

In dispositivi come un generatore sincrono a bassa potenza, il campo magnetico è creato da un magnete permanente rotante.

Tipi di unità sincrone

Esistono i seguenti tipi di generatori sincroni:

1. Idroelettrico: in esso il rotore ha una differenza dovuta alla presenza di poli pronunciati, viene utilizzato nella produzione di elettricità e funziona a basse velocità.
2. Turbo - si differenzia per la struttura polare non saliente del generatore, prodotto da turbine tipi diversi, la velocità di rotazione è piuttosto elevata, raggiungendo circa 6000 giri al minuto.
3. Compensatore sincrono: questa unità fornisce potenza reattiva e viene utilizzata per migliorare la qualità dell'elettricità al fine di stabilizzare la tensione.
4. Unità asincrona a doppia potenza: la caratteristica di questo tipo di generatore è che collega sia gli avvolgimenti del rotore che quelli dello statore dal fornitore di correnti con frequenze diverse. Viene creato un programma di lavoro asincrono. Si distingue anche per il suo programma operativo stabile e per il fatto che converte diverse correnti di fase e viene utilizzato per risolvere problemi con una specializzazione ristretta.
5. Unità di impatto bipolare: funziona secondo un programma di cortocircuito, agisce brevemente, in millisecondi. Testa anche i dispositivi ad alta tensione.

Tipi di unità

Il generatore sincrono (motore) è suddiviso in diversi modelli, progettati per vari scopi:

• Passo-passo (impulso): utilizzato per azionamenti di meccanismi con ciclo operativo start-stop o dispositivi di movimento continuo con un segnale di controllo a impulsi (contatori, unità a nastro, azionamenti di macchine CNC, ecc.).
• Gearless - per l'utilizzo in sistemi autonomi.
• Senza contatto: utilizzato per funzionare come centrali elettriche sulle navi della flotta marittima e fluviale.
• Isteresi - utilizzata per contatori di tempo, negli azionamenti elettrici inerziali, nei sistemi di controllo automatico;
• Motori a induzione - per l'alimentazione di impianti elettrici.

Separazione per tipo di rotore

In base al tipo di dispositivo rotore, il dispositivo generatore è suddiviso in:

• Polo saliente - con poli sporgenti o pronunciati. Questi rotori vengono utilizzati in generatori silenziosi la cui velocità di rotazione non supera i 1000 giri al minuto.
• Un polo non saliente è un rotore a forma di cilindro che non ha poli salienti. Queste armature sono disponibili nei tipi bipolare e quadripolare.

Nel primo caso il rotore è costituito da una traversa sulla quale sono fissati i nuclei polari o gli avvolgimenti di campo. In secondo luogo, unità ad alta velocità con una velocità di 1500 o 3000. Il rotore è realizzato sotto forma di un cilindro di acciaio di qualità piuttosto elevata con scanalature, al loro interno è installato un avvolgimento di eccitazione costituito da singoli avvolgimenti di diverse larghezze.

Generatore di corrente alternata ad induzione. Negli alternatori a induzione, l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica. Un generatore ad induzione è costituito da due parti: una mobile, chiamata rotore, e una stazionaria, chiamata statore. Il funzionamento del generatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. I generatori ad induzione hanno una struttura relativamente semplice e consentono di ottenere correnti elevate con una tensione sufficientemente elevata. Oggi sono disponibili molti tipi di generatori a induzione, ma sono tutti costituiti dalle stesse parti di base. Si tratta, in primo luogo, di un elettromagnete o magnete permanente che crea un campo magnetico e, in secondo luogo, di un avvolgimento costituito da spire collegate in serie in cui viene indotta una variabile forza elettromotiva. Poiché le forze elettromotrici indotte nelle spire collegate in serie si sommano, l'ampiezza della forza elettromotrice di induzione nell'avvolgimento è proporzionale al numero di spire in esso contenute.

Riso. 6.9

Il numero di linee di forza che attraversano ogni giro varia continuamente da un valore massimo quando si trova attraverso il campo a zero quando linee elettriche scorrere lungo la bobina. Di conseguenza, quando la bobina ruota tra i poli del magnete, ad ogni mezzo giro la direzione della corrente cambia nella direzione opposta e nella bobina appare una corrente alternata. La corrente viene deviata nel circuito esterno mediante contatti striscianti. A questo scopo vengono fissati anelli collettori sull'asse dell'avvolgimento e fissati alle estremità dell'avvolgimento. Le piastre fisse - spazzole - vengono premute contro gli anelli e collegano l'avvolgimento con il circuito esterno (Fig. 6.9).

Lasciamo che una bobina di filo ruoti in un campo magnetico uniforme con velocità angolare costante. Qui il flusso magnetico che penetra nella bobina cambia secondo la legge S– zona della bobina. Secondo la legge di Faraday nell'avvolgimento viene indotta una forza elettromotrice di induzione che è definita come segue:

Dove N– numero di spire dell'avvolgimento. Pertanto, la forza elettromotrice di induzione nell'avvolgimento varia secondo una legge sinusoidale ed è proporzionale al numero di spire dell'avvolgimento e alla frequenza di rotazione.

In un esperimento con un avvolgimento rotante, lo statore è un magnete e contatti tra i quali è posizionato l'avvolgimento. Nei grandi generatori industriali, un elettromagnete, che è il rotore, ruota, mentre gli avvolgimenti, nei quali viene indotta la forza elettromotrice, sono posti nelle cave dello statore e rimangono fermi. Nelle centrali termoelettriche, le turbine a vapore vengono utilizzate per ruotare il rotore. Le turbine, a loro volta, sono azionate da getti di vapore acqueo prodotto in enormi caldaie a vapore bruciando carbone o gas (centrali termoelettriche) o da materia in decomposizione (centrali nucleari). Le centrali idroelettriche utilizzano turbine idrauliche per far girare il rotore, che viene fatto ruotare dall'acqua che cade da una grande altezza.

I generatori elettrici svolgono un ruolo vitale nello sviluppo della nostra civiltà tecnologica, poiché ci consentono di ricevere energia in un luogo e di utilizzarla in un altro. Un motore a vapore, ad esempio, può convertire l'energia della combustione del carbone in lavoro utile, ma questa energia può essere utilizzata solo dove sono installati un focolare a carbone e una caldaia a vapore. Una centrale elettrica può essere posizionata molto lontano dai consumatori di elettricità e, tuttavia, rifornire con essa fabbriche, case, ecc.

Si dice (molto probabilmente, questa è solo una bellissima favola) che Faraday mostrò un prototipo di generatore elettrico a John Peel, il Cancelliere dello Scacchiere britannico, e questi chiese allo scienziato: "Va bene, signor Faraday, tutto questo è molto interessante, ma a che serve tutto questo?”

"Qual e il punto? – Faraday sarebbe rimasto sorpreso. "Sa, signore, quante tasse questa cosa porterà all'erario nel tempo?!"

Trasformatore.

Trasformatore. La forza elettromotrice dei potenti generatori delle centrali elettriche è notevole, ma l’uso pratico dell’elettricità spesso ne richiede poca alta tensione, e il trasferimento di energia, al contrario, è molto elevato.

Per ridurre le perdite dovute al riscaldamento dei cavi, è necessario ridurre la corrente nella linea di trasmissione e, quindi, per mantenere la potenza, aumentare la tensione. La tensione prodotta dai generatori (di solito intorno ai 20 kV) viene aumentata a 75 kV, 500 kV e anche 1,15 MV, a seconda della lunghezza della linea di trasmissione. Aumentando la tensione da 20 a 500 kV, cioè di 25 volte, le perdite di linea si riducono di 625 volte.

La conversione della corrente alternata di una certa frequenza, alla quale la tensione aumenta o diminuisce più volte senza praticamente alcuna perdita di potenza, viene effettuata da un dispositivo elettromagnetico privo di parti mobili: un trasformatore elettrico. Un trasformatore è un elemento importante di molti dispositivi e meccanismi elettrici. Caricabatterie e giocattoli linee ferroviarie, radio e televisori: i trasformatori funzionano ovunque, abbassando o aumentando la tensione. Tra loro ce ne sono sia di minuscoli, non più grandi di un pisello, sia di veri e propri colossi che pesano centinaia di tonnellate o più.

Riso. 6.10

Il trasformatore è costituito da un nucleo magnetico, ovvero un insieme di piastre solitamente realizzate in materiale ferromagnetico (Fig. 6.10). Ci sono due avvolgimenti sul circuito magnetico: primario e secondario. Quello degli avvolgimenti che è collegato alla sorgente Tensione CA, si chiama primario, e quello a cui è collegato il “carico”, cioè i dispositivi che consumano elettricità, si chiama secondario. Il ferromagnete aumenta il numero delle linee del campo magnetico di circa 10.000 volte e localizza al suo interno il flusso dell'induzione magnetica, in modo che gli avvolgimenti del trasformatore possano essere separati spazialmente e tuttavia rimanere accoppiati induttivamente.

Il funzionamento di un trasformatore si basa sui fenomeni di mutua induzione e autoinduzione. L'induzione tra l'avvolgimento primario e quello secondario è reciproca, cioè la corrente che circola nell'avvolgimento secondario induce una forza elettromotrice nel primario, così come l'avvolgimento primario induce una forza elettromotrice nel secondario. Inoltre, dal momento che i turni avvolgimento primario coprono le proprie linee di forza, in essi nasce la forza elettromotrice di autoinduzione. La forza elettromotrice di autoinduzione si osserva anche nell'avvolgimento secondario.

Lascia che l'avvolgimento primario sia collegato a una sorgente di corrente alternata con una forza elettromotrice, in modo che al suo interno si formi una corrente alternata, creando un flusso magnetico alternato nel circuito magnetico del trasformatore ? , che è concentrato all'interno del nucleo magnetico e penetra in tutte le spire degli avvolgimenti primari e secondari.

In assenza di carico esterno, la potenza rilasciata nel trasformatore è prossima allo zero, cioè l'intensità della corrente è prossima allo zero. Applichiamo la legge di Ohm al circuito primario: la somma della forza elettromotrice di induzione e di tensione nel circuito è uguale al prodotto della corrente e della resistenza. Assumendo , possiamo scrivere: quindi, , Dove F– il flusso che permea ciascuna spira dell'avvolgimento primario. In un trasformatore ideale, tutte le linee di forza passano attraverso tutte le spire di entrambi gli avvolgimenti, e poiché il campo magnetico variabile produce la stessa forza elettromotrice in ogni spira, la forza elettromotrice totale indotta nell'avvolgimento è proporzionale al numero totale dei suoi giri. Quindi, .

Il rapporto di trasformazione della tensione è uguale al rapporto tra la tensione nel circuito secondario e la tensione nel circuito primario. Per i valori di ampiezza delle tensioni sugli avvolgimenti possiamo scrivere:

Pertanto, il rapporto di trasformazione è definito come il rapporto tra il numero di giri avvolgimento secondario al numero di spire dell'avvolgimento primario. Se il coefficiente è , il trasformatore sarà un trasformatore step-up, se è un trasformatore step-down.

Le relazioni scritte sopra, in senso stretto, sono applicabili solo ad un trasformatore ideale in cui non vi è dissipazione del flusso magnetico e nessuna perdita di energia dovuta al calore Joule. Queste perdite possono essere associate alla presenza di resistenza attiva degli avvolgimenti stessi e alla presenza di correnti di induzione (correnti di Foucault) nel nucleo.

Toki Fuko.

Toki Fuko. Le correnti di induzione possono formarsi anche in conduttori solidi e massicci. In questo caso, nello spessore del conduttore stesso si forma un circuito chiuso di corrente di induzione quando si muove in un campo magnetico o sotto l'influenza di un campo magnetico alternato. Queste correnti prendono il nome dal fisico francese J.B.L. Foucault, che nel 1855 scoprì il riscaldamento dei nuclei ferromagnetici macchine elettriche e altri corpi metallici in un campo magnetico alternato e spiegava questo effetto con l'eccitazione di correnti indotte. Queste correnti sono ora chiamate correnti parassite o correnti di Foucault.

Se il nucleo di ferro si trova in un campo magnetico alternato, quindi sotto l'influenza dell'induzione campo elettrico vengono indotte correnti parassite interne - correnti di Foucault, che portano al suo riscaldamento. Poiché la forza elettromotrice dell'induzione è sempre proporzionale alla frequenza di oscillazione del campo magnetico e la resistenza dei conduttori massicci è piccola, allora quando alta frequenza nei conduttori, secondo la legge di Joule-Lenz, si sprigionerà una grande quantità di calore.

In molti casi, le correnti di Foucault sono indesiderabili, quindi è necessario adottare misure speciali per ridurle. In particolare tali correnti provocano il riscaldamento dei nuclei ferromagnetici dei trasformatori e delle parti metalliche delle macchine elettriche. Per ridurre le perdite energia elettrica A causa della presenza di correnti parassite, i nuclei del trasformatore non sono costituiti da un pezzo solido di ferromagnete, ma da piastre metalliche separate isolate l'una dall'altra da uno strato dielettrico.

Riso. 6.11

Le correnti parassite sono ampiamente utilizzate per la fusione dei metalli nei cosiddetti forni a induzione (Fig. 6.11), per il riscaldamento e la fusione di pezzi metallici e per la produzione di leghe e composti metallici particolarmente puri. Per fare ciò, il pezzo di metallo viene posto in un forno a induzione (un solenoide attraverso il quale viene fatta passare la corrente alternata). Quindi, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, all'interno del metallo si formano correnti di induzione che riscaldano il metallo e possono fonderlo. Creando il vuoto nel forno e utilizzando il riscaldamento a levitazione (in questo caso, le forze del campo elettromagnetico non solo riscaldano il metallo, ma lo tengono anche sospeso fuori dal contatto con la superficie della camera), soprattutto i metalli e le leghe puri vengono ottenuto.

Convertire vari tipi energia in energia elettrica, vengono utilizzati dispositivi speciali. Uno dei meccanismi più semplici è un generatore di corrente continua, che può essere acquistato in qualsiasi negozio di articoli elettrici o assemblato con le proprie mani.

Un generatore DC è un dispositivo che converte l'energia meccanica in energia elettrica per un ulteriore utilizzo in un circuito esterno. Fonte energia meccanica in questo caso può servire qualsiasi forza meccanica: ruotare una maniglia speciale, collegare un motore al dispositivo. Va notato che la stragrande maggioranza degli appartamenti e delle case in qualsiasi città sono alimentati proprio con l'aiuto di tali generatori, solo di tipo industriale.

Foto – Generatore DC

Un generatore di corrente elettrica può agire in modo completamente opposto. La conversione inversa dell'energia elettrica in energia meccanica viene effettuata mediante un motore elettrico. Molti motori sono dotati di un azionamento manuale (meccanico), che quando connessione corretta può trasformare l’energia e le reti nella direzione opposta.

Principio di funzionamento e dispositivo

Un generatore DC è costituito da due parti principali: lo statore e il rotore. Altri dettagli:

1. Alloggiamento: telaio esterno del generatore. Spesso realizzato in ghisa o acciaio. L'alloggiamento fornisce resistenza meccanica all'intera struttura del generatore (o motore elettrico). Trasmette anche il flusso magnetico generato dai poli;
2. Poli magnetici. Sono collegati all'alloggiamento mediante viti o bulloni e su di essi viene posizionato l'avvolgimento;
3. Lo statore, il nucleo o il giogo sono realizzati in leghe ferromagnetiche, su questa parte è installata una bobina di eccitazione. I nuclei sono dotati di poli che aiutano a determinare la direzione del flusso delle particelle cariche. Sono le punte magnetiche che generano il campo magnetico necessario al funzionamento del dispositivo;
4. Rotore: armatura del generatore. Il nucleo è assemblato da singole piastre di acciaio, questo aiuta ad aumentare l'efficienza del generatore e a ridurre la formazione di correnti parassite. Durante l'installazione delle piastre, si formano delle depressioni in cui viene avvolto l'avvolgimento dell'indotto o l'avvolgimento di autoeccitazione;
5. Commutatore e spazzole. Le spazzole sono fatte di grafite e ce ne sono almeno due nel generatore. Puoi scoprire il numero di spazzole contando i poli: questo indicatore è identico.

Foto: progettazione dell'armatura del generatore permanente

Per collegare i terminali del circuito vengono utilizzate piastre collettrici, realizzate in rame, noto come ottimo conduttore di segnali elettrici.

Il principio di funzionamento di un generatore DC si basa sulla formula:

Secondo esso, quando un conduttore si muove in un campo magnetico (che consente di accorciare le linee di forza magnetiche), nel conduttore viene prodotta dinamicamente una fem indotta. L'entità dell'EMF generato può essere specificata utilizzando l'equazione del generatore DC.

Una delle funzioni principali di un dispositivo per convertire la corrente alternata è generare la fem in corrente continua. La direzione dell'EMF generata cambierà attraverso ciascun conduttore attraverso il quale passa l'energia mentre il rotore ruota. Utilizzando un commutatore, all'uscita del generatore si forma un flusso costante di particelle cariche. Il segnale di uscita sarà quindi simile al seguente:

Foto – Segnale di uscita del generatore CC

Tipi

Esistono questi tipi di generatori CC: autoeccitati e funzionanti secondo il principio della commutazione indipendente (schema sotto). Le modalità di eccitazione dipendono dal tipo di alimentazione del dispositivo. Un generatore elettrico autoeccitante funziona da fonti esterne, può essere una batteria o un generatore eolico. Anche sistema esterno l'eccitazione viene spesso implementata utilizzando magneti (principalmente su dispositivi a bassa potenza, fino a diverse decine di watt).

Foto - circuito di un generatore con commutazione indipendente

Il generatore indipendente è eccitato dalla potenza dell'avvolgimento del dispositivo. Questi dispositivi sono anche suddivisi in tipi:

1. Eccitazione shunt o parallela;
2. Coerente.

I primi si distinguono per il collegamento parallelo dell'avvolgimento dell'indotto con l'avvolgimento di campo, i secondi rispettivamente connessione seriale questi dettagli.

Reazione di ancoraggio

Questo è un evento abbastanza comune quando il generatore è al minimo. È caratterizzato dalla sovrapposizione dei campi magnetici risultanti tra lo statore e il rotore, che riduce la tensione e riduce il campo magnetico. Di conseguenza, la forza elettromotrice del dispositivo diminuisce, si osservano interruzioni di funzionamento, il generatore sincrono può addirittura surriscaldarsi o prendere fuoco a causa delle scintille che compaiono a causa dell'attrito improprio delle spazzole.

Foto - poli del generatore

Se si verifica questo problema, è possibile effettuare le seguenti operazioni:

1. Compensare il campo magnetico utilizzando poli aggiuntivi. Ciò aiuterà a far fronte al calo di questa caratteristica nei singoli punti del circuito;
2. Le riparazioni vengono spesso eseguite semplicemente spostando le spazzole del commutatore.

Scopo

A differenza degli alternatori, i dispositivi con tipo permanente l'energia elettrica richiede un gruppo di continuità che fornisca costantemente corrente continua all'avvolgimento dell'indotto. Per questo motivo il campo di applicazione di tali dispositivi è piuttosto altamente specializzato; al momento vengono utilizzati raramente ovunque.

Foto: principio di funzionamento del generatore

Sono spesso utilizzati per alimentare i veicoli elettrici nelle città. I generatori CC vengono utilizzati anche per azionare un'auto elettrica, una motocicletta o come eccitatori navali o inverter per saldatura. Sono utilizzati come motori a bassa velocità per le turbine eoliche.

Un generatore DC diesel può essere utilizzato come motore elettrico per potenti macchine industriali (trattore, mietitrebbia, ecc.) e come dinamo tachimetrica. Allo stesso tempo, per controllare il trattore è necessaria un'unità potente, che specifiche non inferiore a 300 - 400 kW. Allo stesso tempo, il diesel può anche sostituire il gas.

Foto: dispositivo generatore di auto

Il generatore DC ha le seguenti caratteristiche (il calcolo viene effettuato con n=cost):

1. Al minimo E=f(iâ)
2. Formula per eccitazione sequenziale U=f(I)
3. Eccitazione parallela U=f(I)

Lo studio mostra che le caratteristiche possono essere calcolate sulla base di n=0.

Puoi trovare indicatori standard nel passaporto del dispositivo e spesso si discostano di diversi punti percentuali (il possibile errore è indicato anche nelle istruzioni per il generatore). I generatori fatti in casa potrebbero avere caratteristiche eccellenti da quelli presentati è possibile selezionare i dati necessari utilizzando i libri di consultazione. Puoi controllarli misurando i parametri esistenti, c'è diversi modi, a seconda del tipo di generatore.

Vantaggi di un generatore DC:

1. A differenza di un dispositivo di tipo alternato, non perde energia a causa dell'isteresi, né a causa delle correnti parassite;
2. Può funzionare in condizioni estreme;
3. Ha un peso relativamente leggero e un design piccolo;

Questo dispositivo presenta anche degli svantaggi. La cosa principale è la necessità di una fonte di alimentazione esterna. Ma a volte questa funzione viene utilizzata come regolatore di una macchina elettrica.

Puoi acquistare generatori DC nei negozi online, nei siti di importazione, nonché nelle fabbriche e nei mercati. Le vendite vengono effettuate anche di seconda mano, ma sconsigliamo di utilizzare quelle usate dispositivi elettrici. Il costo dipende dallo scopo e dalla potenza del dispositivo. Il prezzo per 4GPEM varia tra 30.000 rubli e PM-45 - 60.000 Al momento dell'acquisto è necessario presentare l'opera.