Come funzionano i generatori AC e DC?

Il termine "generazione" in ingegneria elettrica deriva dalla lingua latina. Significa "nascita". Per quanto riguarda l'energia, possiamo dire che i generatori sono dispositivi tecnici che generano elettricità.

In questo caso, va notato che la corrente elettrica può essere prodotta convertendo diversi tipi di energia, ad esempio:

• chimico;

• leggero;

• termico e altri.

Storicamente, i generatori sono strutture che convertono l'energia cinetica di rotazione in elettricità.

In base al tipo di energia elettrica generata, i generatori sono:

1. corrente continua;

2. variabile.

Il principio di funzionamento del generatore più semplice

Le leggi fisiche che consentono di creare moderni impianti elettrici per generare elettricità trasformando l'energia meccanica sono state scoperte dagli scienziati Oersted e Faraday.

Si applica qualsiasi progetto di generatore principio dell'induzione elettromagneticaquando c'è un'induzione di una corrente elettrica in un telaio chiuso a causa della sua intersezione con un campo magnetico rotante che si crea magneti permanenti in modelli semplificati per uso domestico o bobine di eccitazione su prodotti industriali con potenza maggiorata.

Quando si ruota la lunetta, l'entità del flusso magnetico cambia.

La forza elettromotrice indotta nella spira dipende dalla velocità di variazione del flusso magnetico che penetra nella spira in una spira chiusa S ed è direttamente proporzionale al suo valore. Più velocemente gira il rotore, maggiore è la tensione generata.

Per creare un circuito chiuso e deviarne la corrente elettrica, è stato necessario creare un collettore e una spazzola che garantissero un contatto costante tra il telaio rotante e una parte fissa del circuito.

A causa della costruzione di spazzole caricate a molla premute contro le piastre del collettore, la corrente elettrica viene trasmessa ai terminali di uscita e da questi passa alla rete dell'utenza.

Il principio di funzionamento del generatore DC più semplice

Mentre la cornice ruota attorno all'asse, le sue metà sinistra e destra ruotano attorno ai poli sud o nord dei magneti. Ogni volta in essi c'è un cambiamento nella direzione delle correnti al contrario, così che ad ogni polo scorrono in una direzione.

Per creare una corrente continua nel circuito di uscita, viene creato un semianello sul nodo del collettore per ciascuna metà della bobina. Le spazzole adiacenti all'anello rimuovono il potenziale solo del loro segno: positivo o negativo.

Poiché il semianello del telaio rotante è aperto, in esso vengono creati dei momenti quando la corrente raggiunge il suo valore massimo o è assente. Per mantenere non solo la direzione, ma anche un valore costante della tensione generata, il telaio è realizzato secondo una tecnologia appositamente predisposta:

• non utilizza una bobina, ma diverse, a seconda dell'entità della tensione pianificata;

• il numero di frame non è limitato a una copia: cercano di fare un numero sufficiente per mantenere in modo ottimale la caduta di tensione allo stesso livello.

Nel generatore DC, gli avvolgimenti del rotore si trovano nelle fessure circuito magnetico… Questo permette di ridurre la perdita del campo elettromagnetico indotto.

Caratteristiche di progettazione dei generatori DC

Gli elementi principali del dispositivo sono:

• quadro elettrico esterno;

• poli magnetici;

• statore;

• rotore rotante;

• blocco interruttori con spazzole.

Telaio realizzato in leghe di acciaio o ghisa per conferire robustezza meccanica alla struttura complessiva. Un ulteriore compito dell'alloggiamento è quello di trasferire il flusso magnetico tra i poli.

Poli di magneti attaccati al corpo con perni o bulloni. Su di essi è montata una bobina.

Uno statore, chiamato anche giogo o scheletro, è realizzato con materiali ferromagnetici. La bobina della bobina di eccitazione è posizionata su di essa. Nucleo statorico dotato di poli magnetici che formano il suo campo magnetico.

Rotor ha un sinonimo: ancora. Il suo nucleo magnetico è costituito da piastre laminate che riducono la formazione di correnti parassite e aumentano l'efficienza. Gli avvolgimenti del rotore e/o dell'autoeccitazione sono disposti nei canali del nucleo.

Un nodo di commutazione a spazzole, può avere un numero di poli diverso, ma è sempre multiplo di due. Il materiale del pennello è solitamente grafite. Le piastre del collettore sono realizzate in rame, come il metallo più adatto alle proprietà elettriche della conduzione di corrente.

Grazie all'utilizzo di un interruttore, viene generato un segnale pulsante ai terminali di uscita del generatore DC.

I principali tipi di costruzioni di generatori DC

In base al tipo di alimentazione della bobina di eccitazione, si distinguono i dispositivi:

1. con autoeccitazione;

2. operare sulla base di inclusione indipendente.

I primi prodotti possono:

• utilizzare magneti permanenti;

• o funzionare da fonti esterne, ad esempio batterie, turbine eoliche...

I generatori a commutazione indipendente funzionano dal proprio avvolgimento, che può essere collegato:

• in sequenza;

• shunt o eccitazione parallela.

Una delle opzioni per tale connessione è mostrata nel diagramma.

Un esempio di generatore CC è un design che è stato spesso utilizzato in passato nell'ingegneria automobilistica. La sua struttura è la stessa di un motore asincrono.

Tali strutture di collettori possono funzionare simultaneamente in modalità motore o generatore. Per questo motivo, si sono diffusi nei veicoli ibridi esistenti.

Processo di formazione dell'ancora

Ciò si verifica in modalità inattiva quando la pressione della spazzola viene regolata in modo errato, creando una modalità di attrito non ottimale. Ciò può causare una riduzione dei campi magnetici o un incendio a causa dell'aumento delle scintille.

I modi per ridurre sono:

• compensazione dei campi magnetici collegando poli aggiuntivi;

• regolazione dell'offset della posizione delle spazzole del collettore.

Vantaggi dei generatori DC

Loro includono:

• senza perdite per isteresi e formazione di correnti parassite;

• lavorare in condizioni estreme;

• peso ridotto e dimensioni ridotte.

Il principio di funzionamento dell'alternatore più semplice

All'interno di questo design, vengono utilizzati gli stessi dettagli del precedente analogo:

• campo magnetico;

• telaio rotante;

• blocco collettore con spazzole di scarico corrente.

La differenza principale sta nel design del gruppo collettore, progettato in modo tale che quando il telaio ruota attraverso le spazzole, il contatto viene costantemente effettuato con metà del telaio senza cambiarne ciclicamente la posizione.

Pertanto, la corrente, che varia secondo le leggi delle armoniche in ciascuna metà, viene trasferita completamente invariata alle spazzole e quindi, attraverso di esse, al circuito di consumo.

Naturalmente, il telaio viene creato avvolgendo non da un giro, ma un numero calcolato di essi per ottenere la tensione ottimale.

Pertanto, il principio di funzionamento dei generatori CC e CA è comune e le differenze di progettazione sono nella produzione di:

• gruppo collettore rotore rotante;

• configurazione di avvolgimento del rotore.

Caratteristiche costruttive degli alternatori industriali

Consideriamo le parti principali di un generatore industriale a induzione in cui il rotore riceve il moto rotatorio da una turbina vicina. La costruzione dello statore comprende un elettromagnete (sebbene il campo magnetico possa essere creato da un insieme di magneti permanenti) e un avvolgimento del rotore con un certo numero di spire.

In ciascuna spira viene indotta una forza elettromotrice, che viene successivamente aggiunta in ciascuna di esse e forma ai terminali di uscita il valore totale della tensione fornita al circuito di alimentazione delle utenze collegate.

Per aumentare l'ampiezza dell'EMF all'uscita del generatore, viene utilizzato un design speciale del sistema magnetico, costituito da due circuiti magnetici grazie all'utilizzo di gradi speciali di acciaio elettrico sotto forma di piastre laminate con canali. Le bobine sono installate al loro interno.

Nell'alloggiamento del generatore è presente un nucleo dello statore con canali per accogliere una bobina che crea un campo magnetico.

Il rotore rotante su cuscinetti ha anche un circuito magnetico scanalato all'interno del quale è montata una bobina che riceve un EMF indotto. Di solito, per l'asse di rotazione viene scelta la direzione orizzontale, sebbene esistano generatori con disposizione verticale e il corrispondente design dei cuscinetti.

Viene sempre creato uno spazio tra lo statore e il rotore, necessario per garantire la rotazione ed evitare inceppamenti. Ma allo stesso tempo, c'è una perdita di energia di induzione magnetica in esso. Pertanto, cercano di renderlo il più piccolo possibile, tenendo conto di entrambi i requisiti in modo ottimale.

Situato sullo stesso albero del rotore, l'eccitatore è un generatore di corrente continua di potenza relativamente bassa. Il suo scopo: fornire elettricità agli avvolgimenti di un generatore di corrente in uno stato di eccitazione indipendente.

Tali eccitatori vengono spesso utilizzati con progetti di turbine o generatori idraulici durante la creazione di un metodo di eccitazione primario o di riserva.

La foto di un generatore industriale mostra la disposizione dei collettori rotanti e delle spazzole per catturare le correnti da una struttura a rotore rotante. Durante il funzionamento, questo dispositivo è sottoposto a continue sollecitazioni meccaniche ed elettriche. Per superarli si crea una struttura complessa, che durante il funzionamento richiede controlli periodici e misure preventive.

Per ridurre i costi operativi generati, viene utilizzata una tecnologia diversa e alternativa che utilizza anche l'interazione tra campi elettromagnetici rotanti. Sul rotore vengono posizionati solo magneti permanenti o elettrici e la tensione viene rimossa dalla bobina stazionaria.

Quando si crea un tale circuito, una tale struttura può essere chiamata il termine "alternatore". Viene utilizzato nei generatori sincroni: alta frequenza, automotive, locomotive e navi diesel, impianti di centrali elettriche per la produzione di energia elettrica.

Caratteristiche dei generatori sincroni

Principio operativo

Il nome e la caratteristica distintiva dell'azione risiede nella creazione di un collegamento rigido tra la frequenza della forza elettromotrice alternata indotta nell'avvolgimento statorico «f» e la rotazione del rotore.

Nello statore è montato un avvolgimento trifase e sul rotore è presente un elettromagnete con un nucleo e un avvolgimento eccitante alimentato da circuiti CC attraverso un collettore a spazzole.

Il rotore è azionato in rotazione da una fonte di energia meccanica: un motore di azionamento alla stessa velocità. Il suo campo magnetico fa lo stesso movimento.

Forze elettromotrici della stessa grandezza ma spostate di 120 gradi in direzione sono indotte negli avvolgimenti dello statore, creando un sistema simmetrico trifase.

Quando sono collegati alle estremità degli avvolgimenti dei circuiti di consumo, le correnti di fase iniziano ad agire nel circuito, che forma un campo magnetico che ruota allo stesso modo: in modo sincrono.

La forma del segnale di uscita dell'EMF indotto dipende solo dalla legge di distribuzione del vettore di induzione magnetica nello spazio tra i poli del rotore e le piastre dello statore. Pertanto, cercano di creare un tale progetto quando l'entità dell'induzione cambia secondo una legge sinusoidale.

Quando il gap è costante, il vettore di flusso all'interno del gap è trapezoidale, come mostrato nel grafico a linee 1.

Tuttavia, se la forma delle frange ai poli viene corretta per essere asimmetrica modificando lo spazio al valore massimo, allora è possibile ottenere una forma sinusoidale della distribuzione come mostrato nella riga 2. Questa tecnica è utilizzata nella pratica.

Circuiti di eccitazione per generatori sincroni

La forza magnetomotrice che sorge sull'avvolgimento di eccitazione del rotore «OB» crea il suo campo magnetico. Per questo ci sono diversi design di eccitatori DC basati su:

1. modalità di contatto;

2. metodo senza contatto.

Nel primo caso viene utilizzato un generatore separato chiamato eccitatore «B». La sua bobina di eccitazione è alimentata da un generatore aggiuntivo secondo il principio dell'eccitazione parallela, chiamato eccitatore «PV».

Tutti i rotori si trovano su un albero comune. Pertanto, ruotano esattamente allo stesso modo. I reostati r1 e r2 vengono utilizzati per regolare le correnti nei circuiti di eccitazione e amplificazione.

Con il metodo senza contatto, non ci sono anelli di contatto sul rotore. Un avvolgimento eccitatore trifase è montato direttamente su di esso. Ruota in modo sincrono con il rotore e trasmette corrente elettrica continua attraverso il raddrizzatore co-rotante direttamente all'avvolgimento dell'eccitatrice «B».

I tipi di circuiti senza contatto sono:

1. sistema di autoeccitazione dall'avvolgimento dello statore;

2. schema automatizzato.

Nel primo metodo, la tensione dagli avvolgimenti dello statore viene alimentata al trasformatore step-down, quindi al raddrizzatore a semiconduttore «PP», che genera corrente continua.

Con questo metodo si crea l'eccitazione iniziale dovuta al fenomeno del magnetismo residuo.

Lo schema automatico per la creazione dell'autoeccitazione prevede l'uso di:

• trasformatore di tensione TV;

• regolatore automatico di eccitazione ATS;

• trasformatore di corrente TT;

• raddrizzatore TV;

• convertitore a tiristori TP;

• blocco di protezione BZ.

Caratteristiche dei generatori asincroni

La principale differenza tra questi progetti è la mancanza di una relazione rigida tra la velocità del rotore (nr) e l'EMF indotto nella bobina (n). C'è sempre una differenza tra loro, che si chiama "slittamento". È indicato dalla lettera latina "S" ed è espresso dalla formula S = (n-nr) / n.

Quando il carico è collegato al generatore, viene creata una coppia frenante per far girare il rotore. Colpisce la frequenza dell'EMF generato, crea uno scorrimento negativo.

La costruzione del rotore per generatori asincroni è realizzata:

• corto circuito;

• fase;

• vuoto.

I generatori asincroni possono avere:

1. eccitazione indipendente;

2. autoeccitazione.

Nel primo caso viene utilizzata una sorgente di tensione CA esterna e nel secondo vengono utilizzati convertitori o condensatori a semiconduttore nei circuiti primario, secondario o entrambi.

Pertanto, alternatori e generatori di corrente continua hanno molto in comune nei principi di costruzione, ma differiscono nella progettazione di alcuni elementi.