Alternator

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 2 mai 2021; verificările necesită 7 modificări .

Un generator de curent alternativ ("alternator") este o mașină electrică care transformă energia mecanică în energie electrică de curent alternativ . Majoritatea alternatoarelor folosesc un câmp magnetic rotativ .

Principiul de funcționare al generatorului este de a converti energia mecanică în energie electrică prin rotirea unei bobine de sârmă într-un câmp magnetic. Un curent electric este, de asemenea, generat atunci când liniile de forță ale unui magnet în mișcare intersectează spirele unei bobine de sârmă. Electronii se deplasează spre polul pozitiv al magnetului, iar curentul electric trece de la polul pozitiv la polul negativ. Atâta timp cât liniile câmpului magnetic traversează bobina (conductor), un curent electric este indus în conductor. Un principiu similar funcționează și atunci când cadrul de sârmă se mișcă în raport cu magnetul, adică atunci când cadrul traversează liniile câmpului magnetic. Curentul electric indus circulă în așa fel încât câmpul său respinge magnetul când cadrul se apropie de el și atrage când cadrul se îndepărtează. De fiecare dată când cadrul își schimbă orientarea față de polii magnetului, și curentul electric își inversează direcția. Atâta timp cât sursa de energie mecanică rotește conductorul (sau câmpul magnetic), generatorul va produce un curent electric alternativ.

Istorie

Mașinile electrice care generează curent alternativ sunt cunoscute într-o formă simplă încă de la descoperirea inducției magnetice a curentului electric . Mașinile timpurii au fost proiectate de Michael Faraday și Hippolyte Pixie .

Faraday a dezvoltat un „dreptunghi rotativ” care a fost multipolar - fiecare conductor activ a fost trecut în serie printr-o zonă în care câmpul magnetic era în direcții opuse. Prima demonstrație publică a celui mai puternic „sistem alternator” a avut loc în 1886 . Un mare alternator cu două faze a fost construit de electricianul britanic James Henry Gordon în . Lord Kelvin și Sebastian Ferranti ( ing. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) au dezvoltat, de asemenea, un alternator timpuriu care producea curent alternativ la o frecvență între 100 și 300 de herți . În 1891, Nikola Tesla a brevetat un alternator practic de „înaltă frecvență” (care a funcționat la o frecvență de aproximativ 15.000 de herți). După 1891, au fost inventate alternatoarele polifazate. Un generator de curent trifazat cu o sarcină cu trei fire a fost dezvoltat și demonstrat de inginerul rus Dolivo-Dobrovolsky , care a lucrat ca inginer șef al companiei AEG din Berlin . În 1893, invenția pe care a demonstrat-o a fost folosită de A.N. Shchensnovich la construcția primei centrale electrice industriale trifazate ca parte a liftului de cereale Novorossiysk. [unu]

Teoria alternatorului

Principiul de funcționare al generatorului se bazează pe legea inducției electromagnetice - inducerea unei forțe electromotoare într-un circuit dreptunghiular (cadru de sârmă) situat într-un câmp magnetic rotativ uniform . Sau invers, un circuit dreptunghiular se rotește într-un câmp magnetic fix uniform.

Să presupunem că un câmp magnetic uniform creat de un magnet permanent se rotește în jurul axei sale într-o buclă conducătoare (cadru de sârmă) cu o viteză unghiulară uniformă . Două laturi verticale egale ale conturului (vezi figura) sunt active , deoarece sunt străbătute de liniile magnetice ale câmpului magnetic. Două laturi orizontale ale conturului egale separat nu sunt active, deoarece liniile magnetice ale câmpului magnetic nu le traversează, liniile magnetice alunecă de-a lungul laturilor orizontale, forța electromotoare nu se formează în ele. $\omega$

În fiecare dintre părțile active ale circuitului, este indusă o forță electromotoare, a cărei valoare este determinată de formula:

$e_{1}=Blv\sin \omega t$ și , $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

Unde

$e_{1}$ și - valorile instantanee ale forțelor electromotoare induse în părțile active ale circuitului, în volți ; $e_{2}$

$B$ - inducția magnetică a câmpului magnetic în volți - secunde pe metru pătrat ( T , Tesla );

$l$ - lungimea fiecăreia dintre laturile active ale conturului în metri ;

$v$ - viteza liniară cu care se rotesc laturile active ale conturului, în metri pe secundă;

$t$ — timpul în secunde ;

$\omega t$ și sunt unghiurile la care liniile magnetice intersectează laturile active ale conturului. $\omega t+$ $\pi$

Deoarece forțele electromotoare induse în părțile active ale circuitului acționează în conformitate una cu cealaltă, forța electromotoare rezultată indusă în circuit,

va fi egală , adică forța electromotoare indusă în circuit se modifică conform unei legi sinusoidale . $e=2Blv\sin \omega t$

Dacă un câmp magnetic uniform se rotește în circuit cu o viteză unghiulară uniformă, atunci în el este indusă o forță electromotoare sinusoidală .

Puteți transforma formula exprimând-o în termeni de flux magnetic maxim care pătrunde în circuit. $e=2Blv\sin \omega t$ $\Phi _{m)$

Viteza liniară relativă a laturilor active este egală cu produsul dintre raza de rotație și viteza unghiulară , i.e. $v$ ${\frac {\alpha }{2)}$ $\omega$ $v={\frac {\alpha }{2}}\omega$

Apoi primim $e=2Bl{\frac {\alpha {2}}\omega \sin \omega t$

Unde

$\omega \Phi _{m)$ este amplitudinea forței electromotoare sinusoidale;

$\omega t$ este faza forței electromotoare sinusoidale;

$\omega$ este viteza unghiulară a forței electromotoare sinusoidale, în acest caz egală cu viteza unghiulară a magnetului din circuit.

Având în vedere că circuitul este format din multe spire de sârmă, forța electromotoare este proporțională cu numărul de spire și formula va arăta astfel : $w$ $e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t$

Dacă introducem fluxul magnetic maxim în formulă, atunci . $e=w\Phi _{m}\sin \omega t$

Dispozitiv alternator

Prin design, putem distinge:

generatoare cu poli magnetici fix si armatura rotativa ;
generatoare cu poli magnetici rotativi si stator fix.

Acestea din urmă au devenit mai răspândite, deoarece, datorită imobilității înfășurării statorului, nu este nevoie să eliminați un curent mare de înaltă tensiune din rotor folosind contacte glisante (perii) și inele colectoare .

Partea mobilă a generatorului se numește rotor , iar partea fixă se numește stator .

Statorul este asamblat din foi separate de fier izolate unele de altele. Pe suprafața interioară a statorului există caneluri în care sunt introduse firele înfășurării statorului a generatorului.

Rotorul este de obicei realizat din fier solid, piesele polare ale polilor magnetici ai rotorului sunt asamblate din tablă. În timpul rotației, există un spațiu minim între stator și piesele polare ale rotorului pentru a crea cea mai mare inducție magnetică posibilă. Forma geometrică a pieselor polare este selectată astfel încât curentul generat de generator să fie cât mai aproape de sinusoidal.

Pe miezurile polilor sunt amplasate bobine de excitare alimentate cu curent continuu. Curentul continuu este furnizat prin intermediul periilor la inelele colectoare situate pe arborele generatorului .

Conform metodei de excitare, alternatoarele sunt împărțite în:

generatoare ale căror înfășurări de excitație sunt alimentate de curent continuu de la o sursă externă de energie electrică, cum ar fi o baterie ( generatoare cu excitație independentă ).
generatoare ale căror înfășurări de excitație sunt alimentate de un generator extern de curent continuu de putere mică ( excitator ) așezat pe același arbore cu generatorul pe care îl servește.
generatoare, ale căror înfășurări de excitație sunt alimentate de curentul redresat al generatoarelor înșiși ( generatoare autoexcitate ). Vezi și generator sincron fără perii .
generatoare cu excitaţie de la magneţi permanenţi .

Din punct de vedere structural, putem distinge:

generatoare cu poli pronunțați;
generatoare cu poli impliciti.

După numărul de faze , putem distinge:

generatoare monofazate. Vezi și motor condensator , motor monofazat .
Generatoare bifazate. A se vedea, de asemenea , rețea electrică bifazată , motor bifazat .
Generatoare trifazate. A se vedea, de asemenea , sistemul de alimentare cu trei faze , motor trifazat .

Prin conectarea înfășurărilor de fază ale unui generator trifazat:

sistem Tesla cu șase fire (nu are valoare practică);
conexiune stea”;
conexiune delta";
conectarea a șase înfășurări sub forma unei „stea” și a unui „triunghi” pe un stator.

Cea mai comună este conexiunea „stea” cu un fir neutru (circuit cu patru fire), care facilitează compensarea dezechilibrelor de fază și elimină apariția unei componente constante și a curenților inelar paraziți în înfășurările generatorului, ceea ce duce la pierderi de energie. și supraîncălzire.

Deoarece, în practică, în rețelele de putere cu mulți consumatori mici, sarcina pe diferite faze nu este simetrică ( se conectează o putere electrică diferită sau, de exemplu, o sarcină activă pe o fază și inductivă sau capacitivă pe cealaltă , atunci când este conectată la un „triunghi” sau „stea” fără fir neutru , puteți obține un fenomen atât de neplăcut precum „ dezechilibrul de fază ”, de exemplu, lămpile incandescente conectate la una dintre faze strălucesc slab, în timp ce celorlalte faze se aplică o tensiune electrică excesiv de mare . iar dispozitivele pornite se „ard”.

Frecvența curentului alternativ produs de generator

Aceste generatoare sunt sincrone , adică viteza unghiulară (numărul de rotații) a câmpului magnetic rotativ depinde liniar de viteza unghiulară (numărul de rotații) a rotorului generatorului și asincrone , în care există alunecare, adică decalajul. a câmpului magnetic al statorului de la viteza unghiulară a rotorului. Din cauza unor reglementări greoaie, generatoarele asincrone au primit o distribuție redusă.

Dacă rotorul generatorului este bipolar, atunci pentru o revoluție completă a forței electromotoare induse va finaliza un ciclu complet al modificărilor sale.

Prin urmare, frecvența forței electromotoare a generatorului sincron va fi : $f = \frac{n}{60}$

Unde

$f$ - frecventa in hertzi ;

$n$ - numarul de rotatii ale rotorului pe minut .

Dacă generatorul are un număr de perechi de poli , atunci, în consecință, frecvența forței electromotoare a unui astfel de generator va fi $p$

ori frecvenţa forţei electromotoare a unui generator bipolar : . $p$ $f=p{\frac {n}{60}}$

Frecvența curentului alternativ în rețelele electrice trebuie respectată cu strictețe , în Rusia și în alte țări este de 50 de perioade pe secundă ( hertz ). Într-un număr de țări, de exemplu, în SUA , Canada , Japonia , rețeaua electrică este furnizat curent alternativ cu o frecvență de 60 de herți. Curentul alternativ cu o frecvență de 400 herți este utilizat în rețeaua de bord a aeronavelor.

Tabelul arată dependența frecvenței curentului alternativ generat de numărul de poli magnetici și numărul de rotații ale generatorului

Acest factor trebuie luat în considerare la proiectarea generatoarelor.

Numărul de poli	Numărul de rotații ale rotorului pentru o frecvență de 50 herți, pe 1 minut	Numărul de rotații ale rotorului pentru o frecvență de 60 herți, pe 1 minut	Numărul de rotații ale rotorului pentru o frecvență de 400 herți, pe 1 minut
2	3000	3600	24 000
patru	1500	1800	12 000
6	1000	1 200	8000
opt	750	900	6000
zece	600	720	4800
12	500	600	4000
paisprezece	428,6	514,3	3429
16	375	450	3000
optsprezece	333,3	400	2667
douăzeci	300	360	2400
40	150	180	1 200

De exemplu, o turbină cu abur funcționează optim la 3000 rpm, numărul de poli al generatorului este doi.

De exemplu, pentru un motor diesel utilizat în centralele diesel , modul optim de funcționare este 750 rpm, atunci generatorul trebuie să aibă 8 poli.

De exemplu, turbinele hidraulice masive și cu viteză mică din centralele hidroelectrice mari se rotesc cu o viteză de 150 de rotații pe minut, atunci generatorul trebuie să aibă 40 de poli.

Aceste exemple sunt date pentru o frecvență de curent alternativ de 50 herți.

Parametrii generatorului sincron

Principalele marimi care caracterizeaza un generator sincron sunt:

tensiune electrica la bornele , volti ; $U$
puterea curentului , amperi ; $eu$
putere aparentă [volt-amperi]
putere activă , wați ; $P_{i}$
numărul de rotații ale rotorului pe minut ; $n$
factor de putere ( cosinus " phi ") . $\cos \phi$
tipul de excitație al înfășurării

Caracteristica inactiv generatorului

Forța electromotoare a unui alternator este proporțională cu mărimea fluxului magnetic și cu numărul de rotații ale rotorului generatorului pe minut: $\Phi$ $n$

$E=cn\Phi$ , unde este coeficientul de proporționalitate (determinat de proiectarea generatorului). $c$

Deși mărimea EMF a unui generator sincron depinde de numărul de rotații ale rotorului, este imposibil să o reglezi prin modificarea vitezei de rotație a rotorului, deoarece frecvența curentului alternativ generat de generator este legată de numărul de rotații ale rotorului generatorului. Când generatorul funcționează în rețelele electrice , frecvența trebuie respectată cu strictețe (în Rusia 50 herți ). $n$

Prin urmare, singura modalitate de a modifica valoarea EMF a unui generator sincron este modificarea fluxului magnetic . $\Phi$

Fluxul magnetic este proporțional cu puterea curentului din circuit ( A , amperi ) și inductanța ( H , Henry ): $\Phi$ $eu$ $L$

$\Phi =LI$ .

De aici, formula pentru EMF al unui generator sincron va arăta astfel :. $E=cnLI$

Reglarea EMF prin modificarea fluxului magnetic se realizează prin conectarea secvenţială a reostatelor sau regulatoarelor electronice de tensiune la circuitul de înfăşurare de excitaţie . Există inele colectoare pe rotorul generatorului , curentul de excitație este furnizat prin ansamblul periei ( contacte glisante ). În cazul în care un mic generator excitator este amplasat pe un arbore comun cu un generator, atunci reglarea se efectuează indirect, prin reglarea curentului de excitație al generatorului excitator.

În cazul în care se utilizează generatoare de curent alternativ cu excitație de la magneți permanenți (de exemplu, în inginerie electrică la scară mică), tensiunea de ieșire este reglată folosind dispozitive externe: regulatoare de tensiune și stabilizatori . Vezi, de asemenea , stabilizatori de tensiune AC , regulator de tensiune de comutare .

Dacă nu contează ce frecvență se obține curentul la bornele generatorului (de exemplu, curentul alternativ este apoi redresat, ca la locomotivele diesel cu transmisie AC-DC, cum ar fi ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 etc.) - EMF este reglat atât prin modificarea curentului de excitaţie cât şi prin modificarea numărului de rotaţii ale generatorului de tracţiune .

Funcționarea în paralel a generatoarelor sincrone

La centralele electrice, generatoarele sincrone sunt conectate între ele în paralel pentru a lucra împreună într-o rețea electrică comună . Când sarcina rețelei electrice este scăzută, doar o parte a generatoarelor funcționează, cu un consum crescut de energie („ ora de vârf ”), generatoarele de rezervă sunt pornite. Această metodă este avantajoasă, deoarece fiecare generator funcționează la capacitate maximă , prin urmare, cu cea mai mare eficiență .

Sincronizarea generatorului cu rețeaua electrică

În momentul conectării generatorului de rezervă la magistralele electrice , forța sa electromotoare trebuie să fie numeric egală cu tensiunea de pe aceste anvelope, să aibă aceeași frecvență cu aceasta , iar defazajul să fie egal cu zero. Procesul de aducere a generatorului de rezervă într-un mod care asigură condiția specificată se numește sincronizare generator .

Dacă această condiție nu este îndeplinită (generatorul conectat nu este pus în modul sincron), atunci un curent mare poate circula de la rețea la generator, generatorul va începe să funcționeze în modul motor electric, ceea ce poate duce la un accident.

Pentru a sincroniza generatorul conectat cu rețeaua electrică, se folosesc dispozitive speciale, în cea mai simplă formă - un sincroscop .

Sincroscopul este o lampă cu incandescență și un voltmetru „zero” , conectate în paralel la contactele comutatorului , care deconectează generatorul de la magistralele de rețea (respectiv, câte faze, câte lămpi cu incandescență și voltmetre).

Când comutatorul este deschis, ansamblul paralel „lampa incandescentă -” zero „voltmetru” se dovedește a fi conectat în serie cu circuitul „faza generatorului - faza rețelei”.

După pornirea generatorului (cu comutatorul deschis), acesta este adus la viteza nominală, iar prin reglarea curentului de excitare, tensiunea la bornele generatorului și pe magistralele de rețea este aproximativ aceeași.

Când generatorul se apropie de sincronizare, lămpile incandescente încep să clipească, iar în momentul sincronizării aproape complete se sting. Cu toate acestea, lămpile se sting la o tensiune care nu este egală cu zero; voltmetrele (voltmetrele „zero”) servesc pentru a indica zero complet . De îndată ce voltmetrele „zero” arată 0 volți - generatorul și rețeaua electrică sunt sincronizate, puteți închide comutatorul. Dacă două lămpi cu incandescență (pe două faze) se sting, dar a treia nu se stinge, aceasta înseamnă că una dintre fazele generatorului este conectată incorect la magistrala rețelei electrice.

Alternatoare pentru vehicule

Alternatoarele trifazate cu un redresor trifazat cu semiconductor încorporat sunt utilizate pe mașinile moderne pentru a încărca o baterie de mașină , precum și pentru a alimenta consumatorii electrici , cum ar fi un sistem de aprindere , iluminatul auto , un computer de bord , un sistem de diagnosticare și altele. Constanța tensiunii în rețeaua de bord este menținută de un regulator de tensiune specializat .

Utilizarea alternatoarelor auto vă permite să reduceți dimensiunile generale, greutatea generatorului, să creșteți fiabilitatea acestuia, menținând sau chiar mărind puterea acestuia în comparație cu generatoarele de curent continuu [2] .

De exemplu, generatorul de curent continuu G-12 ( mașina GAZ-69 ) cântărește 11 kg, curentul nominal de 20 de amperi , iar alternatorul G-250P2 ( mașina UAZ-469 ) cu o masă de 5,2 kg produce un curent nominal de 28 de amperi.

Alternatoarele sunt utilizate în vehiculele hibride , permițând combinarea forței unui motor cu ardere internă și a unui motor electric . Acest lucru evită funcționarea motorului cu ardere internă în modul de sarcină scăzută, precum și implementarea recuperării energiei cinetice , ceea ce crește eficiența combustibilului a centralei electrice.

La locomotivele diesel , precum TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , se folosește transmisie electrică AC-DC, sunt instalate generatoare de tracțiune sincrone trifazate . Motoare de tracțiune cu curent continuu, electricitatea generată de generator este redresată de un redresor cu semiconductor. Înlocuirea generatorului de curent continuu cu un generator de curent alternativ a făcut posibilă reducerea masei echipamentelor electrice, rezerva poate fi utilizată pentru a instala un motor diesel mai puternic . Cu toate acestea, alternatorul de tracțiune nu poate fi folosit ca demaror pentru un motor cu ardere internă, pornirea se face de un generator de curent continuu pentru circuitele de control.

Pe o locomotivă diesel experimentală 2TE137 se folosesc locomotive rusești noi 2TE25A , TEM21 , transmisie electrică AC-AC, cu motoare de tracțiune asincrone.

Motoare cu inducție ca alternatoare

Ca mașină electrică reversibilă, un motor AC asincron poate fi transferat în modul generator .

În modul generator, alunecarea (diferența dintre viteza unghiulară a rotorului și viteza unghiulară a câmpului magnetic rotativ) își schimbă semnul,
adică motorul cu inducție funcționează ca un generator asincron .

Această includere este utilizată în principal în transport pentru frânare reostatică sau regenerativă (unde cele asincrone sunt folosite ca motoare de tracțiune ).

Răcirea alternatoarelor

În timpul funcționării, în generator apar pierderi de energie, care sunt transformate în căldură și elemente de încălzire. Deși eficiența generatoarelor moderne este foarte mare, pierderile absolute sunt destul de mari, ceea ce duce la o creștere semnificativă a temperaturii oțelului activ, cuprului și izolației . O creștere a temperaturii elementelor structurale, la rândul său, duce la distrugerea treptată a acestora și la o scădere a duratei de viață a generatorului [3] [4] . Pentru a preveni acest lucru, sunt utilizate diverse sisteme de răcire.

Există următoarele tipuri de sisteme de răcire: răcire de suprafață (indirectă) și răcire directă [3] . Răcirea indirectă, la rândul ei, poate fi aer și hidrogen.

Sistemele de răcire cu hidrogen sunt instalate mai des pe generatoarele mari, deoarece asigură o mai bună eliminare a căldurii [5] (Comparativ cu aerul , hidrogenul are o conductivitate termică mai mare și o densitate de 10 ori mai mică [6] ). Hidrogenul este inflamabil și exploziv, așa că se utilizează izolarea sistemului de ventilație și menținerea la presiune înaltă.

Vezi și

Note

↑ Rybnikova, I. A. Aspecte istorice ale construcției de instalații pentru transbordarea cerealelor în portul maritim Novorossiysk la începutul secolelor XIX-XX / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VESTNIK ISTU. - 2014. - Nr. 7 (90). — ISSN 1814-3520 .
Centrala a fost destinată să furnizeze energie motoarelor electrice ale mecanismelor liftului, .... Construcția a fost supravegheată de A. N. Shchensnovich, care a folosit invenția lui I. O. Dolivo-Dobrovolsky. Desenele stației au fost realizate de firma elvețiană Brown Boveri, iar toate echipamentele electrice principale au fost realizate la fața locului în atelierele mecanice ale liftului, inclusiv bobinarea și asamblarea motoarelor electrice.
↑ Alternatorul utilizat în sistemul de alimentare al unui autoturism are aceleași avantaje.
↑ 1 2 Centrale electrice și substații. Tema 2. Generatoare și compensatoare sincrone . Consultat la 29 aprilie 2013. Arhivat din original pe 5 martie 2016. (nedefinit)
↑ Răcitoare pe gaz ale mașinilor electrice . Consultat la 29 aprilie 2013. Arhivat din original pe 17 mai 2013. (nedefinit)
↑ Sistem de răcire cu hidrogen al generatorului (link inaccesibil)
↑ Principiul de funcționare și proiectare a mașinilor sincrone . Consultat la 29 aprilie 2013. Arhivat din original pe 13 septembrie 2014. (nedefinit)

Literatură

Thompson, S. P. Dynamo-Electric Machinery : A Manual for Students of Electrotechnics : Part 1 : [ ing. ] . - New York: Collier and Sons, 1902.

Link -uri

Alternatoare Arhivate la 29 aprilie 2004 la Wayback Machine . Editare integrată (TPub.com).
Alternator din lemn cu turații reduse . Force Field, Fort Collins, Colorado, SUA.
Înțelegerea alternatoarelor trifazate . WindStuffNow.
Alternator, arc și scânteie. Primele transmițătoare fără fir . Pagina de pornire G0UTY.
White, Thomas H., Dezvoltarea alternatorului-transmițător (1891-1920) . EarlyRadioHistory.us.

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online) Treccani
În cataloagele bibliografice	BNF : 123986174 J9U : 987007536063205171 LCCN : sh85041708