Com funcionen els generadors de CA i CC?

El terme "generació" en enginyeria elèctrica prové de la llengua llatina. Significa "naixement". Pel que fa a l'energia, podem dir que els generadors són aparells tècnics que generen electricitat.

En aquest cas, cal tenir en compte que el corrent elèctric es pot produir convertint diferents tipus d'energia, per exemple:

• química;

• llum;

• tèrmica i altres.

Històricament, els generadors són estructures que converteixen l'energia cinètica de rotació en electricitat.

Segons el tipus d'electricitat generada, els generadors són:

1. corrent continu;

2. variable.

El principi de funcionament del generador més simple

Les lleis físiques que permeten crear instal·lacions elèctriques modernes per generar electricitat mitjançant la transformació d'energia mecànica van ser descobertes pels científics Oersted i Faraday.

S'aplica qualsevol disseny de generador principi de la inducció electromagnèticaquan hi ha una inducció d'un corrent elèctric en un marc tancat a causa de la seva intersecció amb un camp magnètic giratori que es crea imants permanents en models simplificats per a ús domèstic o bobines d'excitació en productes industrials amb major potència.

Quan gireu el bisell, la magnitud del flux magnètic canvia.

La força electromotriu induïda en el bucle depèn de la velocitat de canvi del flux magnètic que penetra el bucle en un bucle tancat S i és directament proporcional al seu valor. Com més ràpid giri el rotor, més gran serà la tensió generada.

Per tal de crear un llaç tancat i desviar-ne el corrent elèctric, va ser necessari crear un col·lector i un raspall que proporcionés un contacte constant entre el marc giratori i una part estacionària del circuit.

A causa de la construcció de raspalls amb molla pressionats contra les plaques col·lectores, el corrent elèctric es transmet als terminals de sortida i d'ells passa a la xarxa del consumidor.

El principi de funcionament del generador de corrent continu més simple

A mesura que el marc gira al voltant de l'eix, les seves meitats esquerra i dreta giren al voltant dels pols sud o nord dels imants. Cada cop en ells hi ha un canvi en el sentit dels corrents al revés, de manera que a cada pol flueixen en una direcció.

Per crear un corrent continu al circuit de sortida, es crea un mig anell al node col·lector per a cada meitat de la bobina. Els raspalls adjacents a l'anell eliminen només el potencial del seu signe: positiu o negatiu.

Com que el semianell del marc giratori està obert, es creen moments en ell quan el corrent arriba al seu valor màxim o està absent. Per mantenir no només la direcció, sinó també un valor constant de la tensió generada, el marc es fa segons una tecnologia especialment preparada:

• no utilitza una bobina, sinó diverses, depenent de la magnitud de la tensió prevista;

• el nombre de fotogrames no es limita a una còpia: intenten fer un nombre suficient per mantenir de manera òptima la caiguda de tensió al mateix nivell.

Al generador de corrent continu, els bobinatges del rotor es troben a les ranures circuit magnètic… Això permet reduir la pèrdua del camp electromagnètic induït.

Característiques de disseny dels generadors de corrent continu

Els elements principals del dispositiu són:

• marc d'alimentació externa;

• pols magnètics;

• estator;

• rotor giratori;

• bloc d'interruptors amb raspalls.

Estructura d'aliatges d'acer o ferro colat per donar resistència mecànica a l'estructura global. Una tasca addicional de la carcassa és transferir el flux magnètic entre els pols.

Pols d'imants units al cos amb passadors o cargols. Hi ha muntat una bobina.

Un estator, també anomenat jou o esquelet, està fet de materials ferromagnètics. S'hi col·loca la bobina de la bobina d'excitació. Nucli de l'estator equipat amb pols magnètics que formen el seu camp magnètic.

Rotor té un sinònim: àncora. El seu nucli magnètic està format per plaques laminades que redueixen la formació de corrents de Foucault i augmenten l'eficiència. El rotor i/o els bobinatges d'autoexcitació es col·loquen als canals centrals.

Un node de commutació amb raspalls, pot tenir un nombre diferent de pols, però sempre és múltiple de dos. El material del raspall sol ser grafit. Les plaques col·lectores estan fetes de coure, com el metall més òptim adequat per a les propietats elèctriques de conducció de corrent.

Gràcies a l'ús d'un interruptor, es genera un senyal polsador als terminals de sortida del generador de corrent continu.

Els principals tipus de construccions de generadors de corrent continu

Segons el tipus d'alimentació de la bobina d'excitació, es distingeixen els dispositius:

1. amb autoexcitació;

2. Funcionant sobre la base de la inclusió independent.

Els primers productes poden:

• utilitzar imants permanents;

• o funcioni des de fonts externes, per exemple, bateries, aerogeneradors...

Els generadors de commutació independent funcionen des del seu propi bobinatge, que es pot connectar:

• seqüencialment;

• shunts o excitació paral·lela.

Una de les opcions per a aquesta connexió es mostra al diagrama.

Un exemple de generador de corrent continu és un disseny que s'utilitzava sovint en l'enginyeria de l'automoció en el passat. La seva estructura és la mateixa que la d'un motor d'inducció.

Aquestes estructures de col·lectors poden funcionar simultàniament en mode motor o generador. Per això, s'han generalitzat en els vehicles híbrids existents.

Procés de formació de l'ancoratge

Això passa en mode inactiu quan la pressió del raspall s'ajusta incorrectament, creant un mode de fricció subòptim. Això pot provocar una reducció dels camps magnètics o un incendi a causa de l'augment de les espurnes.

Les maneres de reduir són:

• compensació de camps magnètics mitjançant la connexió de pols addicionals;

• ajust de la compensació de la posició dels raspalls col·lectors.

Avantatges dels generadors de corrent continu

Inclouen:

• sense pèrdues per histèresi i formació de corrents de Foucault;

• treballar en condicions extremes;

• pes reduït i dimensions reduïdes.

El principi de funcionament de l'alternador més simple

Dins d'aquest disseny, s'utilitzen els mateixos detalls que a l'anàleg anterior:

• camp magnètic;

• marc giratori;

• bloc col·lector amb escombretes de drenatge de corrent.

La principal diferència rau en el disseny del conjunt del col·lector, que està dissenyat de manera que quan el bastidor gira a través dels raspalls es fa un contacte constant amb la meitat del bastidor sense canviar-ne la posició cíclicament.

Per tant, el corrent, que canvia segons les lleis dels harmònics a cada meitat, es transfereix completament sense canvis als raspalls i després a través d'ells al circuit del consumidor.

Naturalment, el marc es crea enrotllant no d'una volta, sinó un nombre calculat d'ells per aconseguir la tensió òptima.

Així, el principi de funcionament dels generadors de CC i CA és comú i les diferències de disseny es troben en la producció de:

• conjunt de col·lectors de rotor giratori;

• configuració del bobinat del rotor.

Característiques de disseny dels alternadors industrials

Considereu les parts principals d'un generador d'inducció industrial en què el rotor rep el moviment de rotació d'una turbina propera. La construcció de l'estator inclou un electroimant (tot i que el camp magnètic es pot crear mitjançant un conjunt d'imants permanents) i un bobinatge del rotor amb un cert nombre de voltes.

En cada bucle s'indueix una força electromotriu, que s'afegeix successivament en cadascuna d'elles i forma als terminals de sortida el valor total de la tensió subministrada al circuit d'alimentació dels consumidors connectats.

Per augmentar l'amplitud de l'EMF a la sortida del generador, s'utilitza un disseny especial del sistema magnètic, fet de dos circuits magnètics a causa de l'ús de graus especials d'acer elèctric en forma de plaques laminades amb canals. S'instal·len bobines al seu interior.

A la carcassa del generador, hi ha un nucli d'estator amb canals per acomodar una bobina que crea un camp magnètic.

El rotor que gira sobre coixinets també té un circuit magnètic ranurat dins del qual hi ha muntada una bobina que rep un EMF induït. Normalment, per a l'eix de gir s'escull la direcció horitzontal, tot i que hi ha generadors amb disposició vertical i el disseny corresponent dels coixinets.

Sempre es crea un buit entre l'estator i el rotor, que és necessari per garantir la rotació i evitar embussos. Però, al mateix temps, hi ha una pèrdua d'energia d'inducció magnètica. Per això, intenten que sigui el més petit possible, tenint en compte ambdós requisits de manera òptima.

Situat al mateix eix que el rotor, l'excitador és un generador de corrent continu de potència relativament baixa. La seva finalitat: subministrar electricitat als bobinatges d'un generador d'energia en estat d'excitació independent.

Aquests excitadors s'utilitzen més sovint amb dissenys de turbines o generadors hidràulics quan es crea un mètode d'excitació primari o de reserva.

La foto d'un generador industrial mostra la disposició d'anells i raspalls per captar corrents d'una estructura de rotor giratori. Durant el funcionament, aquest dispositiu està sotmès a un estrès mecànic i elèctric constant. Per superar-los, es crea una estructura complexa, que durant el funcionament requereix controls periòdics i mesures preventives.

Per reduir els costos d'explotació generats, s'utilitza una tecnologia diferent i alternativa que també utilitza la interacció entre camps electromagnètics rotatius. Només es col·loquen imants permanents o elèctrics al rotor i s'elimina la tensió de la bobina estacionària.

Quan es crea aquest circuit, aquesta estructura es pot anomenar "alternador". S'utilitza en generadors síncrons: alta freqüència, automoció, locomotores i vaixells dièsel, instal·lacions de centrals elèctriques per a la producció d'electricitat.

Característiques dels generadors síncrons

Principi de funcionament

El nom i la característica distintiva de l'acció rau en la creació d'una connexió rígida entre la freqüència de la força electromotriu alterna induïda en el bobinatge de l'estator «f» i la rotació del rotor.

A l'estator hi ha un bobinatge trifàsic, i al rotor hi ha un electroimant amb un nucli i un bobinatge excitant alimentat per circuits de corrent continu a través d'un col·lector de raspalls.

El rotor és impulsat en rotació per una font d'energia mecànica: un motor d'accionament a la mateixa velocitat. El seu camp magnètic fa el mateix moviment.

En els bobinatges de l'estator s'indueixen forces electromotrius de la mateixa magnitud però desplaçades 120 graus en direcció, creant un sistema simètric trifàsic.

Quan es connecten als extrems dels enrotllaments dels circuits de consum, comencen a actuar en el circuit corrents de fase, que formen un camp magnètic que gira de la mateixa manera: de manera síncrona.

La forma del senyal de sortida de l'EMF induït depèn només de la llei de distribució del vector d'inducció magnètica a l'espai entre els pols del rotor i les plaques de l'estator. Per tant, busquen crear aquest disseny quan la magnitud de la inducció canvia segons una llei sinusoïdal.

Quan el buit és constant, el vector de flux dins del buit és trapezoïdal, tal com es mostra al gràfic de línies 1.

No obstant això, si es corregeix la forma de les franges als pols perquè s'ajusti canviant la bretxa al valor màxim, llavors és possible aconseguir una forma sinusoïdal de la distribució tal com es mostra a la línia 2. Aquesta tècnica s'utilitza a la pràctica.

Circuits d'excitació per a generadors síncrons

La força magnetomotriu que sorgeix en l'enrotllament d'excitació del rotor «OB» crea el seu camp magnètic. Per a això, hi ha diferents dissenys d'excitadors de CC basats en:

1. mètode de contacte;

2. mètode sense contacte.

En el primer cas, s'utilitza un generador separat anomenat excitador «B». La seva bobina d'excitació és alimentada per un generador addicional segons el principi d'excitació paral·lela, anomenat excitador «PV».

Tots els rotors es troben en un eix comú. Per tant, giren exactament de la mateixa manera. Els reòstats r1 i r2 s'utilitzen per regular els corrents en els circuits d'excitació i amplificador.

Amb el mètode sense contacte, no hi ha anells lliscants al rotor. Hi ha muntat directament un bobinatge excitador trifàsic. Gira sincrònicament amb el rotor i transmet corrent elèctric continu a través del rectificador co-rotatori directament al bobinat de l'excitador «B».

Els tipus de circuits sense contacte són:

1. sistema d'autoexcitació del propi bobinatge de l'estator;

2. esquema automatitzat.

En el primer mètode, la tensió dels bobinatges de l'estator s'alimenta al transformador reductor i després al rectificador semiconductor «PP», que genera corrent continu.

Amb aquest mètode, es crea l'excitació inicial a causa del fenomen del magnetisme residual.

L'esquema automàtic per crear autoexcitació implica l'ús de:

• transformador de tensió VT;

• regulador d'excitació automatitzat ATS;

• transformador de corrent TT;

• rectificador VT;

• convertidor de tiristors TP;

• bloc de protecció BZ.

Característiques dels generadors asíncrons

La principal diferència entre aquests dissenys és la manca d'una relació rígida entre la velocitat del rotor (nr) i la CEM induïda a la bobina (n). Sempre hi ha una diferència entre ells, que s'anomena "relliscada". Es denota amb la lletra llatina "S" i s'expressa amb la fórmula S = (n-nr) / n.

Quan la càrrega està connectada al generador, es crea un parell de frenada per girar el rotor. Afecta la freqüència de l'EMF generat, crea un lliscament negatiu.

La construcció del rotor per a generadors asíncrons es fa:

• curtcircuit;

• fase;

• buit.

Els generadors asíncrons poden tenir:

1. excitació independent;

2. autoexcitació.

En el primer cas, s'utilitza una font de tensió CA externa, i en el segon, s'utilitzen convertidors o condensadors de semiconductors en els circuits primaris, secundaris o ambdós tipus.

Així, els alternadors i els generadors de corrent continu tenen molt en comú en els principis de construcció, però difereixen en el disseny de determinats elements.