Beschrijving van het generatorapparaat. Driefasige dynamo

Hallo, kenners van de wereld van elektriciteit en elektronica. Als je vaak naar onze website kijkt, herinner je je waarschijnlijk dat we vrij recent behoorlijk omvangrijk materiaal hebben gepubliceerd over hoe een DC-generator werkt en werkt. We hebben de structuur ervan in detail beschreven, van de eenvoudigste laboratoriumprototypes tot moderne werkeenheden. Lees het zeker als je dat nog niet hebt gedaan.

Vandaag zullen we dit onderwerp ontwikkelen en uitzoeken wat het werkingsprincipe van een wisselstroomgenerator is. Laten we het hebben over de toepassingsgebieden, variëteiten en nog veel meer.

Laten we beginnen met het meest elementaire: wisselstroom verschilt van gelijkstroom doordat het de bewegingsrichting met enige periodiciteit verandert. Het verandert ook de waarde, waarover we later meer in detail zullen praten.

Na een bepaalde tijdsperiode, die we "T" zullen noemen, worden de waarden van de huidige parameters herhaald, wat in de grafiek kan worden weergegeven als een sinusoïde - een golvende lijn die met dezelfde amplitude door de centrale lijn loopt.

Basisprincipes

Het doel en het ontwerp van wisselstroomgeneratoren, voorheen een alternator genoemd, is dus het omzetten van kinetische energie, dat wil zeggen mechanisch, in elektrische energie. De overgrote meerderheid van moderne generatoren maakt gebruik van een roterend magnetisch veld.

• Dergelijke apparaten werken als gevolg van elektromagnetische inductie, wanneer wanneer een spoel van geleidend materiaal (meestal koperdraad) in een magnetisch veld roteert, er een elektromotorische kracht (EMF) in ontstaat.
• De stroom begint zich te vormen op het moment dat de geleiders de magnetische lijnen van het krachtveld beginnen te kruisen.

• Bovendien wordt de piekwaarde van de EMF in de geleider bereikt wanneer deze de hoofdpolen van het magnetische veld passeert. Op die momenten waarop ze langs de krachtlijnen glijden, vindt er geen inductie plaats en daalt de emf naar nul. Bekijk een van de gepresenteerde diagrammen - de eerste toestand wordt waargenomen wanneer het frame een verticale positie inneemt, en de tweede - wanneer het horizontaal is.

• Om de lopende processen beter te begrijpen, moet je de regel van de rechterhand onthouden, die door iedereen op school wordt bestudeerd, maar weinigen herinneren het zich. De essentie ervan ligt in het feit dat als je je rechterhand zo plaatst dat de magnetische veldlijnen er vanuit de handpalm binnenkomen, de naar de zijkant bewogen duim de bewegingsrichting van de geleider zal aangeven, en de overige vingers de richting van de beweging zullen aangeven. de EMF die daarin ontstaat.
• Kijk eens naar het bovenstaande diagram, positie "a". Op dit moment is de emf in het frame nul. De pijlen geven de richting van de beweging aan - een deel van frame A beweegt naar de noordpool van de magneet, en B - naar het zuiden, waar de EMF maximaal zal zijn. Als we de hierboven beschreven rechterhandregel toepassen, zien we dat de stroom in deel “B” naar ons toe begint te stromen, en in deel “A” - van ons af.
• Het frame draait verder en de stroom in het circuit begint te dalen totdat het frame weer een horizontale positie inneemt (c).
• Verdere rotatie leidt ertoe dat de stroom in de tegenovergestelde richting begint te stromen, omdat delen van het frame van plaats zijn gewisseld in vergelijking met de oorspronkelijke positie.

Na een halve omwenteling keert alles terug naar de oorspronkelijke staat en herhaalt de cyclus zich opnieuw. Als resultaat ontdekten we dat tijdens de volledige omwenteling van het frame de stroom tweemaal tot een maximum toenam en naar nul daalde, en eenmaal van richting veranderde ten opzichte van de initiële beweging.

Wisselstroom

Algemeen wordt aangenomen dat de duur van de circulatieperiode 1 seconde is en dat het aantal perioden “T” de frequentie van de elektrische stroom is. In standaard elektrische netwerken in Rusland en Europa verandert de stroom in één seconde 50 keer van richting - 50 perioden per seconde.

In de elektronica wordt zo'n periode aangeduid door een speciale eenheid, genoemd naar de Duitse natuurkundige G. Hertz. Dat wil zeggen, in het gegeven voorbeeld van Russische netwerken is de huidige frequentie 50 hertz.

Over het algemeen heeft wisselstroom een ​​zeer brede toepassing gevonden in de elektronica vanwege het feit dat: de grootte van de spanning zeer gemakkelijk te veranderen is met behulp van transformatoren die geen bewegende delen hebben; het kan altijd worden omgezet in gelijkstroom; het ontwerp van dergelijke generatoren is veel betrouwbaarder en eenvoudiger dan voor het opwekken van gelijkstroom.

Structuur van een wisselstroomgenerator

Hoe een wisselstroomgenerator werkt is in principe duidelijk, maar als je hem vergelijkt met zijn tegenhanger voor het opwekken van constante stroom, is het verschil niet meteen te merken.

Belangrijkste werkende onderdelen en hun verbindingen

Als je het vorige materiaal hebt gelezen, herinner je je waarschijnlijk dat het frame in het eenvoudigste circuit was verbonden met een collector die was verdeeld in geïsoleerde contactplaten, die op hun beurt waren verbonden met langsglijdende borstels, waardoor het externe circuit was verbonden.

Vanwege het feit dat de collectorplaten voortdurend van borstel wisselen, is er geen verandering in de richting van de stroom - deze pulseert eenvoudigweg en beweegt in één richting, dat wil zeggen dat de collector een gelijkrichter is.

• Voor wisselstroom is zo'n apparaat niet nodig, dus wordt het vervangen door sleepringen waaraan de uiteinden van het frame zijn bevestigd. De hele structuur draait samen rond een centrale as. Aan de ringen grenzen borstels, die er ook langs glijden, waardoor constant contact wordt gegarandeerd.
• Net als bij gelijkstroom zal de EMF die in verschillende delen van het frame ontstaat, worden opgeteld en de resulterende waarde van deze parameter vormen. In dit geval zal er een elektrische stroom vloeien in het externe circuit dat via de borstels is aangesloten (als er een belastingsweerstand RH op is aangesloten).
• In het bovenstaande voorbeeld is “T” gelijk aan een volledige draaiing van het frame. Hieruit kunnen we een logische conclusie trekken dat de frequentie van de door de generator gegenereerde stroom rechtstreeks afhangt van de rotatiesnelheid van het anker (frame), of met andere woorden, de rotor, per seconde. Dit geldt echter alleen voor zo’n eenvoudige generator.

Als u het aantal poolparen vergroot, zal in de generator het aantal totale stroomveranderingen per omwenteling van het anker proportioneel toenemen en zal de frequentie ervan anders worden gemeten, volgens de formule: f = np, waarbij f de frequentie, n is het aantal omwentelingen per seconde, p – aantal paren magnetische polen van het apparaat.

• Zoals we hierboven schreven, wordt de wisselstroom grafisch weergegeven door een sinusoïde, daarom wordt een dergelijke stroom ook wel sinusoïdaal genoemd. We kunnen onmiddellijk de belangrijkste omstandigheden identificeren die de constantheid van de kenmerken van een dergelijke stroom bepalen - dit is de uniformiteit van het magnetische veld (de constante waarde ervan) en de constante rotatiesnelheid van het anker waarin het wordt geïnduceerd.
• Om het apparaat krachtig genoeg te maken, wordt gebruik gemaakt van elektrische magneten. De rotorwikkeling, waarin de EMF wordt geïnduceerd, in bedieningseenheden is ook geen frame, zoals we in de bovenstaande diagrammen hebben laten zien. Er wordt gebruik gemaakt van een zeer groot aantal geleiders, die volgens een bepaald patroon met elkaar verbonden zijn

Interessant om te weten! De vorming van EMF vindt niet alleen plaats wanneer de geleider wordt verplaatst ten opzichte van het magnetische veld, maar ook omgekeerd, wanneer het veld zelf beweegt ten opzichte van de geleider, wat actief wordt gebruikt door ontwerpers van elektromotoren en generatoren.

• Dankzij deze eigenschap kan de wikkeling waarin de EMF wordt geïnduceerd niet alleen op het roterende centrale deel van het apparaat worden geplaatst, maar ook op het stationaire deel. In dit geval wordt de magneet, dat wil zeggen de polen, in beweging gezet.

• Met deze structuur vereist de externe wikkeling van de generator, dat wil zeggen het stroomcircuit, geen bewegende delen (ringen en borstels) - de verbinding is stijf gemaakt, vaak vastgeschroefd.
• Ja, maar u kunt redelijkerwijs bezwaar maken dat dezelfde elementen op de bekrachtigingswikkeling moeten worden geïnstalleerd. Dit is waar, maar de stroom die hier vloeit zal veel minder zijn dan het uiteindelijke vermogen van de generator, wat de organisatie van de stroomvoorziening aanzienlijk vereenvoudigt. De elementen zullen klein van formaat en gewicht zijn en zeer betrouwbaar, wat dit specifieke ontwerp het meest populair maakt, vooral voor krachtige eenheden, bijvoorbeeld tractie-eenheden die op diesellocomotieven zijn geïnstalleerd.
• Als we het hebben over generatoren met een laag vermogen, waarbij de stroomafname geen problemen oplevert, wordt daarom vaak het 'klassieke' circuit gebruikt, met een roterende ankerwikkeling en een stationaire magneet (inductor).

Advies! Overigens wordt het stationaire deel van een dynamo een stator genoemd, omdat het statisch is, en het roterende deel een rotor.

Soorten dynamo's

Generatoren kunnen worden geclassificeerd en onderscheiden op basis van verschillende criteria. Laten we ze een naam geven.

Driefasige generatoren

Ze kunnen verschillen in het aantal fasen en een-, twee- en driefasig zijn. In de praktijk is deze laatste optie het meest wijdverspreid.

• Zoals je op de bovenstaande afbeelding kunt zien, heeft het vermogensgedeelte van de eenheid drie onafhankelijke wikkelingen die zich in een cirkel op de stator bevinden, 120 graden ten opzichte van elkaar verschoven.
• De rotor is in dit geval een elektromagneet, die tijdens het draaien wisselende EMF induceert in de wikkelingen, die in de tijd ten opzichte van elkaar worden verschoven met een derde van de "T"-periode, dat wil zeggen de cyclus. In feite is elke wikkeling een afzonderlijke eenfasige generator die wisselstroom levert aan het externe circuit R. Dat wil zeggen, we hebben drie stroomwaarden I(1,2,3) en hetzelfde aantal circuits. Elke dergelijke wikkeling wordt, samen met het externe circuit, een fase genoemd.

• Om het aantal draden dat naar de generator leidt te verminderen, worden drie retourdraden van energieverbruikers vervangen door één gemeenschappelijke draad, waardoor stromen uit elke fase zullen passeren. Deze gemeenschappelijke draad wordt neutraal genoemd
• De verbinding van alle wikkelingen van een dergelijke generator, wanneer hun uiteinden met elkaar zijn verbonden, wordt een ster genoemd. De drie afzonderlijke draden die het begin van de wikkelingen verbinden met de elektriciteitsverbruikers worden lineair genoemd - de transmissie vindt via hen plaats.
• Als de belasting van alle fasen hetzelfde is, zal de behoefte aan een neutrale draad volledig verdwijnen, omdat de totale stroom daarin nul zal zijn. Hoe komt dit, vraag je? Alles is uiterst eenvoudig: om het principe te begrijpen, volstaat het om de algebraïsche waarden van elke sinusoïdale stroom op te tellen, in fase verschoven met 120 graden. Het bovenstaande diagram zal u helpen dit principe te begrijpen als u zich voorstelt dat de curven erop de stroomverandering in de drie fasen van de generator weergeven.
• Als de belasting in de fasen ongelijk is, begint de neutrale draad stroom door te geven. Dat is de reden waarom het 4-draads sterverbindingsschema gebruikelijk is, omdat u hiermee elektrische apparaten kunt opslaan die momenteel op het netwerk zijn aangesloten.

• De spanning tussen lijndraden wordt lijnspanning genoemd, terwijl de spanning op elke fase fasespanning wordt genoemd. Stromen die in fasen vloeien, zijn ook lineair.
• Het sterverbindingsschema is niet het enige. Er is nog een andere optie om drie wikkelingen in serie aan te sluiten, waarbij het uiteinde van de ene wordt verbonden met het begin van de tweede, enzovoort, totdat een gesloten ring wordt gevormd (zie diagram "b" hierboven). De draden die uit de generator komen, zijn verbonden op de kruising van de wikkelingen.
• In dit geval zullen de fase- en lijnspanningen hetzelfde zijn en zal de lijnstroom groter zijn dan de fasedraad, met dezelfde belasting.
• Voor een dergelijke verbinding is ook geen neutrale draad nodig, wat het belangrijkste voordeel is van een driefasige generator. Het hebben van minder draden maakt het eenvoudiger en goedkoper omdat er minder non-ferrometalen worden gebruikt.

Een ander kenmerk van het driefasige verbindingscircuit is het verschijnen van een roterend magnetisch veld, waardoor eenvoudige en betrouwbare asynchrone elektromotoren kunnen worden gemaakt.

Maar dat is niet alles. Bij het gelijkrichten van een enkelfasige stroom produceert de uitgang van de gelijkrichter een spanning met rimpelingen van nul tot de maximale waarde. De reden is, denken wij, duidelijk als je het basisprincipe van de werking van een dergelijk apparaat begrijpt. Wanneer er een faseverschuiving in de tijd plaatsvindt, worden de rimpelingen sterk verminderd, tot maximaal 8%.

Verschil per type

Generatoren verschillen ook in type, waarvan er 2 zijn:

• Synchrone dynamo– het belangrijkste kenmerk van een dergelijke eenheid is de starre verbinding tussen de frequentie van de variabele EMF, die wordt geïnduceerd in de wikkeling, en de synchrone rotatiesnelheid, dat wil zeggen de rotatie van de rotor.

1. Kijk eens naar het bovenstaande diagram. Daarop zien we een stator met een driefasige wikkeling, verbonden in een driehoekig patroon, dat niet veel verschilt van dat van een asynchrone motor.
2. Op de generatorrotor bevindt zich een elektromagneet met een bekrachtigingswikkeling, aangedreven door gelijkstroom, die er op elke bekende manier aan kan worden geleverd - dit zal hieronder in meer detail worden beschreven.
3. In plaats van een elektromagneet kan een permanente worden gebruikt, waarna de behoefte aan glijdende delen van het circuit, in de vorm van borstels en sleepringen, helemaal verdwijnt; zo'n generator zal niet krachtig genoeg zijn en niet goed kunnen stabiliseren de uitgangsspanningen.
4. Op de rotoras is een aandrijving aangesloten - elke motor die mechanische energie opwekt, en deze wordt met een bepaalde synchrone snelheid in beweging gezet.
5. Omdat het magnetische veld van de hoofdpolen met de rotor roteert, begint de inductie van wisselende emf's in de statorwikkeling, die kunnen worden aangeduid als E1, E2 en E3. Deze variabelen zullen qua waarde identiek zijn, maar zoals al meer dan eens is gezegd, 120 graden in fase verschoven. Samen vormen deze waarden een driefasig EMF-systeem, dat symmetrisch is.
6. Er is een belasting verbonden met de punten C1, C2 en C3, en de stromen I1, I2 en I verschijnen in de fasen van de statorwikkeling. Op dit moment wordt elke statorfase zelf een krachtige elektromagneet en creëert een roterend magnetisch veld.
7. De rotatiefrequentie van het magnetische veld van de stator komt overeen met de rotatiefrequentie van de rotor.

• Asynchrone generatoren– ze onderscheiden zich van het hierboven beschreven voorbeeld door het feit dat de frequenties van de EMF en rotorrotatie niet strikt met elkaar verbonden zijn. Het verschil tussen deze parameters wordt slip genoemd.

1. Het elektromagnetische veld van een dergelijke generator oefent in normale bedrijfsmodus een remkoppel uit op de rotatie van de rotor onder belasting, waardoor de frequentie van verandering van het magnetische veld minder zal zijn.
2. Voor deze eenheden zijn geen complexe componenten of het gebruik van dure materialen nodig, daarom worden ze veel gebruikt als elektromotoren voor transport, vanwege het onderhoudsgemak en de eenvoud van het apparaat zelf. Deze generatoren zijn bestand tegen overbelasting en kortsluiting, maar zijn niet toepasbaar op apparaten die sterk frequentieafhankelijk zijn.

Windende excitatiemethoden

Het laatste verschil tussen de modellen dat ik wil bespreken, heeft te maken met de manier waarop de opwindende wikkeling wordt aangedreven.

Er zijn 4 soorten:

1. De wikkeling wordt van stroom voorzien via een externe bron.
2. Zelf-opgewekte generatoren– Er wordt stroom afgenomen van de generator zelf en de spanning wordt gelijkgericht. In inactieve toestand zal een dergelijke generator echter niet voldoende spanning kunnen opwekken om te starten, waarvoor het circuit gebruik maakt van een batterij die tijdens de start zal worden gebruikt.
3. Optie met een bekrachtigingswikkeling die wordt aangedreven door een andere generator met een lager vermogen die op dezelfde as is geïnstalleerd. De tweede generator zou al moeten starten vanuit een bron van derden, bijvoorbeeld dezelfde batterij.
4. Dit laatste type heeft helemaal geen stroomtoevoer naar de bekrachtigingswikkeling nodig, omdat deze er niet is, omdat het apparaat een permanente magneet gebruikt.

Toepassing van wisselstroomgeneratoren in de praktijk

Dergelijke generatoren worden gebruikt op bijna alle gebieden van menselijke activiteit waar elektrische energie nodig is. Bovendien verschilt het principe van de extractie alleen in de manier waarop de apparaatas wordt aangedreven. Dit is hoe waterkracht-, warmte- en zelfs kerncentrales werken.

Deze stations voeden openbare netwerken via draden, waarmee de eindgebruiker, dat wil zeggen wij allemaal, verbinding maakt. Er zijn echter veel objecten waaraan het onmogelijk is om op deze manier elektrische energie te leveren, bijvoorbeeld transport, bouwplaatsen ver van elektriciteitsleidingen, zeer afgelegen dorpen, ploegen, booreilanden, enz.

Dit betekent maar één ding: u heeft uw eigen generator en motor nodig om hem aan te drijven. Laten we eens kijken naar verschillende kleine en veel voorkomende apparaten in ons leven.

Autogeneratoren

Op de foto - een elektrische generator voor een auto

Iemand zou meteen kunnen zeggen: “Hoe? Dit is een gelijkstroomgenerator!” Ja, dat is inderdaad zo, maar wat het zo maakt is alleen de aanwezigheid van een gelijkrichter, die deze stroom constant maakt. Het basisprincipe van de werking is niet anders: dezelfde rotor, dezelfde elektromagneet, enz.

Dit apparaat werkt zo dat het, ongeacht de rotatiesnelheid van de as, een spanning van 12 V produceert, die wordt geleverd door de regelaar waardoor de veldwikkeling wordt gevoed. De excitatiewikkeling start, aangedreven door een auto-accu, de rotor van de eenheid wordt via een katrol aangedreven door de automotor, waarna een EMF begint te worden geïnduceerd.

Er worden verschillende diodes gebruikt om driefasige stroom gelijk te richten.

Generator voor vloeibare brandstof

Het ontwerp van een benzine-wisselstroomgenerator verschilt, net als een dieselgenerator, niet veel van het exemplaar dat in uw auto is geïnstalleerd, met uitzondering van de nuance dat deze, zoals verwacht, wisselstroom zal produceren.

Een van de kenmerken die benadrukt kunnen worden is dat de rotor van de eenheid altijd met dezelfde snelheid moet draaien, omdat bij veranderingen de elektriciteitsopwekking slechter wordt. Dit is een aanzienlijk nadeel van dergelijke apparaten: een soortgelijk effect treedt op wanneer onderdelen verslijten.

Interessant om te weten! Als u een belasting op de generator aansluit die lager is dan de bedrijfsbelasting, zal deze niet zijn volledige vermogen gebruiken, waardoor een deel van de vloeibare brandstof wordt verspild.

Er is een grote keuze aan vergelijkbare units op de markt, ontworpen voor verschillende capaciteiten. Ze zijn erg populair vanwege hun mobiliteit. Tegelijkertijd zijn de gebruiksaanwijzingen uiterst eenvoudig: vul de brandstof met uw eigen handen, start de motor door de sleutel om te draaien en sluit aan...

Waarschijnlijk eindigen we hier. We hebben het doel en de algemene structuur van deze apparaten zo eenvoudig mogelijk geanalyseerd. We hopen dat de wisselstroomgenerator en het principe van de werking ervan een beetje dichter bij u zijn gekomen, en dat u zich met onze hulp wilt onderdompelen in de fascinerende wereld van de elektrotechniek.

Elektriciteit is geen primaire energie, die in aanzienlijke hoeveelheden vrijelijk in de natuur aanwezig is, en om in de industrie en het dagelijks leven te kunnen worden gebruikt, moet zij worden geproduceerd. Het grootste deel ervan wordt gecreëerd door apparaten die aandrijfkracht omzetten in elektrische stroom - dit is hoe generatoren werken, de bronnen van mechanische energie waarvoor stoom- en waterturbines, verbrandingsmotoren en zelfs menselijke spierkracht kunnen zijn.

Geschiedenis en evolutie

Michael Faraday's ontdekking van de wetten van elektromagnetische inductie in 1831 werd de basis voor de constructie van elektrische machines. Maar vóór de komst van elektrische verlichting was het niet nodig om de technologie te commercialiseren. Vroege elektrische apparaten, zoals de telegraaf, gebruikten galvanische batterijen als stroombron. Dit was een zeer dure manier om elektriciteit te produceren.

Aan het einde van de 19e eeuw probeerden veel uitvinders het inductieprincipe van Faraday te gebruiken om mechanisch elektriciteit op te wekken. Enkele belangrijke prestaties waren de ontwikkeling van de dynamo door Werner von Siemens en de productie door Hippolyte Fontaine van werkende modellen van de generatoren van Theophilus Gram. De eerste apparaten werden gebruikt in combinatie met externe boogverlichtingsapparaten, bekend als Yablochkov-kaarsen.

Ze werden vervangen door het zeer succesvolle gloeilampsysteem van Thomas Edison. Zijn commerciële elektriciteitscentrales waren gebaseerd op krachtige generatoren, maar het gelijkstroomcircuit was vanwege de enorme warmteverliezen slecht geschikt voor het distribueren van stroom over lange afstanden.

Nikola Tesla ontwikkelde een verbeterde wisselstroomgenerator en een praktische inductiemotor. Deze elektrische machines vormden, samen met step-up en step-down transformatoren, de basis voor elektriciteitsbedrijven om grotere distributienetwerken te bouwen met behulp van grote energiecentrales. In grote wisselstroomsystemen waren de opwekkings- en transportkosten vele malen lager dan in het systeem van Edison, wat de vraag naar elektriciteit stimuleerde en, als gevolg daarvan, de verdere evolutie van elektrische machines. . De belangrijkste data in de geschiedenis van generatoren kunnen worden overwogen:

Werkingsprincipe

Generatoren die werken volgens het principe van elektromagnetische inductie creëren geen elektriciteit. Met behulp van mechanische energie brengen ze alleen de elektrische ladingen in beweging die altijd aanwezig zijn in geleiders. Het werkingsprincipe van een elektrische generator kan worden vergeleken met een waterpomp, waardoor er water stroomt, maar er geen water in de leidingen ontstaat. Overweldigend De meeste inductiegeneratoren zijn elektrische machines van het roterende type, bestaande uit twee hoofdcomponenten:

• stator (vast deel);
• rotor (roterend deel).

Om te illustreren hoe een elektrische generator werkt, kan een eenvoudige elektrische machine worden gebruikt, bestaande uit een draadspiraal en een U-vormige magneet. De belangrijkste fundamentele elementen van dit model:

• een magnetisch veld;
• beweging van een geleider in een magnetisch veld.

Een magnetisch veld is het gebied rond een magneet waar de kracht ervan merkbaar is. Om beter te begrijpen hoe het model werkt, kun je je de krachtlijnen voorstellen die uit de noordpool van de magneet komen en terugkeren naar het zuiden. Hoe sterker de magneet, hoe meer krachtlijnen er ontstaan. Als de spoel tussen de polen begint te draaien, zullen beide zijden denkbeeldige magnetische lijnen gaan snijden. Hierdoor ontstaat de beweging van elektronen in de geleider (opwekking van elektriciteit).

Volgens de rechterregel zal er, wanneer de spoel draait, een stroom daarin worden geïnduceerd, die elke halve slag van richting verandert, aangezien de krachtlijnen aan de zijkanten van de spoel elkaar in de ene of de andere richting zullen snijden. Twee keer per omwenteling passeert de spoel posities (parallel aan de polen) waar geen elektromagnetische inductie plaatsvindt. De eenvoudigste generator werkt dus als een elektrische machine die wisselstroom produceert. De spanning die hierdoor ontstaat, kan worden gewijzigd door:

• Magnetische veldsterkte;
• rotatiesnelheid van de spoel;
• het aantal draadwindingen dat de magnetische veldlijnen kruist.

Een geleiderspoel die tussen de polen van een magneet draait, creëert een ander belangrijk effect. Wanneer er stroom in de spoel vloeit, ontstaat er een elektromagnetisch veld dat tegengesteld is aan het veld van een permanente magneet. En hoe meer elektriciteit er in de spoel wordt geïnduceerd, hoe sterker het magnetische veld en de weerstand tegen het draaien van de geleider. Dezelfde magnetische kracht in de bochten veroorzaakt rotatie van de rotor van de elektromotor, dat wil zeggen dat generatoren onder bepaalde omstandigheden als motoren kunnen werken en omgekeerd.

Kenmerken van AC-generatoren

Wisselstroom (AC) wordt geproduceerd door de beschreven eenvoudige generator. Om de opgewekte elektriciteit te kunnen gebruiken, moet deze op de een of andere manier aan de belasting worden geleverd. Dit gebeurt met behulp van een contacteenheid op de as, bestaande uit roterende ringen en vaste koolstofdelen, borstels genaamd, die erlangs glijden. Elk uiteinde van de roterende geleider is verbonden met een overeenkomstige ring, en de aldus gecreëerde stroom gaat door de ringen en borstels naar de belasting.

Structuur van industriële machines

Praktische generatoren verschillen van de eenvoudigste. Ze zijn meestal uitgerust met een exciter - een hulpgenerator die gelijkstroom levert aan de elektromagneten die worden gebruikt om een ​​magnetisch veld in de generator te creëren.

In plaats van een spoel in het eenvoudigste model zijn praktische apparaten uitgerust met wikkelingen van koperdraad en wordt de rol van een magneet vervuld door spoelen op ijzeren kernen. Bij de meeste dynamo's worden elektromagneten die het wisselveld produceren op de rotor geplaatst en wordt elektrische energie in de statorspoelen geïnduceerd.

In dergelijke apparaten wordt een collector gebruikt om gelijkstroom van de exciter naar de magneten over te brengen. Dit vereenvoudigt het ontwerp aanzienlijk, omdat het handiger is om zwakke stromen door de borstels te sturen en hoge spanning te ontvangen van de stationaire statorwikkelingen.

Toepassingen in netwerken

Bij sommige machines valt het aantal wikkelsecties samen met het aantal elektromagneten. Maar de meeste AC-generatoren zijn uitgerust met drie sets spoelen voor elke pool. Dergelijke machines produceren drie elektriciteitsstromen en worden driefasig genoemd. Hun vermogensdichtheid is aanzienlijk hoger dan die van eenfasige exemplaren.

In energiecentrales dienen AC-generatoren als omzetters van mechanische energie in elektrische energie. Dit komt omdat de wisselspanning eenvoudig kan worden verhoogd of verlaagd met behulp van een transformator. Grote generatoren produceren spanningen van ongeveer 20.000 volt. Vervolgens wordt het met meer dan een orde van grootte verhoogd om het transport van elektriciteit over lange afstanden mogelijk te maken. Op het punt waar de elektriciteit wordt verbruikt, wordt met behulp van een reeks step-down transformatoren een bruikbare spanning gecreëerd.

Dynamo-ontwerp

Een draadspiraal die tussen de polen van een magneet roteert, verandert de polen aan de uiteinden van de geleider tweemaal per omwenteling. Om van een eenvoudig model een gelijkstroomgenerator te maken, moet je twee dingen doen:

• stroom van de spoel naar de belasting afleiden;
• organiseer de stroom van afgeleide stroom in slechts één richting.

De rol van de verzamelaar

Een apparaat dat een verzamelaar wordt genoemd, kan beide taken uitvoeren. Het verschil met een contactborstelsamenstel is dat de basis ervan niet een geleiderring is, maar een reeks van elkaar geïsoleerde segmenten. Elk uiteinde van het roterende circuit is verbonden met de overeenkomstige sector van de commutator, en twee stationaire koolborstels verwijderen de elektrische stroom uit de commutator.

De collector is zo ontworpen dat, ongeacht de polariteit aan de uiteinden van de winding en de rotatiefase van de rotor, de contactgroep de stroom in de gewenste richting levert bij het overbrengen ervan naar de belasting. De wikkelingen in praktische dynamo's bestaan ​​uit vele segmenten, daarom bleek voor DC-generatoren, vanwege de noodzaak om ze te schakelen, een circuit waarin een anker met geïnduceerde spoelen in een magnetisch veld roteert de voorkeur te hebben.

Voeding voor elektromagneten

Klassieke dynamo's gebruiken een permanente magneet om het veld te induceren. De overige gelijkstroomgeneratoren hebben stroom nodig voor de elektromagneten. Bij zogenaamde afzonderlijk bekrachtigde generatoren worden hiervoor externe gelijkstroombronnen gebruikt. Zelfopwekkende apparaten gebruiken een deel van de zelfopgewekte elektriciteit om elektromagneten te besturen. Het starten van dergelijke generatoren na uitschakeling hangt af van hun vermogen om restmagnetisme te accumuleren. Afhankelijk van de methode om de veldspoelen met de ankerwikkelingen te verbinden, zijn ze onderverdeeld in:

• shunt (met parallelle excitatie);
• serieel (met sequentiële excitatie);
• gemengde excitatie (met een combinatie van shunt en serie).

Afhankelijk van de vereiste spanningsregeling worden excitatietypen gebruikt. Generatoren die worden gebruikt om batterijen op te laden, vereisen bijvoorbeeld een eenvoudige spanningsregeling. In dit geval zou het geschikte type een shunt zijn. Een afzonderlijk bekrachtigde generator wordt gebruikt als machines die energie opwekken voor een passagierslift, omdat dergelijke systemen een complexe besturing vereisen.

Toepassing van collectorgeneratoren

Veel gelijkstroomgeneratoren worden aangedreven door wisselstroommotoren in combinaties die motor-generatorsets worden genoemd. Dit is een van de manieren om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Galvaniseerinstallaties die aluminium, chloor en sommige andere materialen produceren door middel van elektrochemische processen, vereisen grote hoeveelheden gelijkstroom.

Dieselelektrische generatoren worden ook gebruikt om gelijkstroom aan locomotieven en schepen te leveren. Omdat commutatoren complexe en onbetrouwbare apparaten zijn, worden DC-generatoren vaak vervangen door machines die wisselstroom produceren in combinatie met elektronische generatoren. Schakelgeneratoren hebben toepassing gevonden in netwerken met laag vermogen, waardoor het gebruik van permanente magneetdynamo's zonder bekrachtigingscircuits mogelijk is.

Er zijn andere soorten apparaten die elektriciteit kunnen produceren. Deze omvatten elektrochemische batterijen, thermo-elektrische en fotovoltaïsche cellen en brandstofconverters. Maar vergeleken met AC/DC-inductiegeneratoren is hun aandeel in de mondiale energieproductie verwaarloosbaar.

In de praktijk worden verschillende typen generatoren gebruikt. Maar elk van hen bevat dezelfde samenstellende elementen. Deze omvatten een magneet, die een overeenkomstig veld creëert, en een speciale draadwikkeling, waarbij een elektromotorische kracht (EMF) ontstaat. In het eenvoudigste model van een generator wordt de rol van een wikkeling gespeeld door een frame dat rond een horizontale of verticale as kan draaien. De amplitude van de EMF is evenredig met het aantal windingen dat aanwezig is op de wikkeling en de amplitude van de magnetische fluxoscillaties.

Om een ​​aanzienlijke magnetische flux te verkrijgen, gebruiken generatoren een speciaal systeem. Het bestaat uit een paar stalen kernen. De wikkelingen die een wisselend magnetisch veld creëren, worden in de groeven van de eerste geplaatst. De windingen die EMF veroorzaken, worden in de groeven van de tweede kern geplaatst.

De binnenste kern wordt de rotor genoemd. Het draait rond een as samen met de wikkeling erop. De kern die bewegingloos blijft, vervult de functie van een stator. Om de magnetische inductieflux zo sterk mogelijk te maken en de energieverliezen minimaal te maken, proberen ze de afstand tussen de stator en de rotor zo klein mogelijk te maken.

Op welk principe werkt de generator?

Onmiddellijk na het verschijnen van een elektrisch veld ontstaat er een elektromotorische kracht in de statorwikkelingen, die wordt gekenmerkt door wervelformaties. Deze processen worden gegenereerd door een verandering in de magnetische flux, die wordt waargenomen tijdens versnelde rotatie van de rotor.

De stroom van de rotor wordt aan het elektrische circuit geleverd met behulp van contacten in de vorm van schuifelementen. Om dit gemakkelijker te maken, worden aan de uiteinden van de wikkeling ringen, contactringen genoemd, bevestigd. Vaste borstels worden tegen de ringen gedrukt, waardoor de verbinding wordt gemaakt tussen het elektrische circuit en de wikkeling van de bewegende rotor.

In de windingen van de magneetwikkeling, waar het magnetische veld wordt gecreëerd, heeft de stroom een ​​relatief kleine sterkte vergeleken met de stroom die de generator aan het externe circuit geeft. Om deze reden besloten de ontwerpers van de eerste generatoren om de stroom af te leiden van de statisch geplaatste wikkelingen en om zwakke stroom aan een roterende magneet te leveren via contacten die voor glijden zorgen. Bij generatoren met een laag vermogen wordt het veld gecreëerd door een permanente magneet die kan draaien. Met dit ontwerp kunt u het hele systeem vereenvoudigen en helemaal geen ringen en borstels meer nodig hebben.

Een moderne industriële elektrische stroomgenerator is een massieve en omvangrijke structuur die bestaat uit metalen structuren, isolatoren en koperen geleiders. De afmetingen van het apparaat kunnen enkele meters zijn. Maar zelfs voor zo'n solide structuur is het erg belangrijk om de exacte afmetingen van de onderdelen en de openingen tussen de bewegende delen van de elektrische machine te behouden.

Stand-alone generatoren zijn vaak onmisbaar, en de volledige lijst met mogelijke toepassingen is erg lang: van het leveren van elektriciteit voor een strandfeest in het weekend tot constant gebruik in een privégebouw. Het brede scala aan uitgevoerde werkzaamheden heeft aanleiding gegeven tot een groot aantal soorten autonome generatoren, die zowel qua ontwerp als qua kenmerken verschillen. Wat ze gemeen hebben is het werkingsprincipe: een verbrandingsmotor van het ene of het andere type roteert de as van een elektrische generator en zet mechanische energie om in elektrische energie.

• Een huishoudelijke generator is in de regel een draagbare eenheid met een benzinemotor, niet bedoeld voor langdurig gebruik en met een vermogen van meerdere kVA.
• Professionele generatoren hebben een groter vermogen en een langere bedrijfstijd, en voor een grotere brandstofefficiëntie en een langere levensduur worden er meestal motoren op geïnstalleerd. Tegelijkertijd, als huishoudelijke elektrische generatoren een stroomspanning van 220 V produceren, dan is de overgrote meerderheid van professionele generatoren ontworpen voor een uitgangsspanning van 380 V. Grote afmetingen en gewichtskracht, waardoor krachtige generatoren op een chassis met wielen worden geplaatst of stationair worden gemaakt.

In deze classificatie hebben we dus al een aantal ontwerpverschillen ontdekt. Laten we ze in volgorde bekijken.

Zoals je weet, een benzinemotor kan werken als. Tegelijkertijd zorgen het lage rendement en de beperkte levensduur ervoor dat tweetaktmotoren niet de beste keuze zijn voor het aandrijven van een elektrische generator, hoewel ze eenvoudiger van ontwerp zijn en daarom goedkoper en lichter.

De viertaktmotor, hoewel moeilijker en duurder, verbruikt aanzienlijk minder brandstof en veel meer kunnen werken. Daarom zijn generatoren met een vermogen tot 10 kVA in de regel uitgerust met motoren van dit type.