Princip činnosti stejnosměrných a střídavých generátorů

Moderní generátorové soustavy různých typů a principů činnosti lze použít jako záložní i jako primární zdroj energie. Mohou být nakonfigurovány tak, aby poskytovaly jednofázové nebo třífázové elektrické napájení.

Zatímco jednofázové generátory poskytují dostatek energie pro většinu obytných aplikací, třífázové elektrické generátory poskytují nepřetržitý výkon potřebný pro náročné aplikace.

Jsou žádané v průmyslu a výrobě, v zemědělském sektoru, ve velkých datových centrech, v nemocnicích – všude tam, kde je potřeba zajistit trvale vysoký výkon za jakýchkoliv externích podmínek.

Jaké jsou rozdíly mezi jednofázovými a třífázovými generátory?

Před zakoupením jednofázového nebo třífázového generátoru je důležité pochopit, k čemu mohou být použity a na jakých principech fungují. Je důležité porozumět výhodám a výhodám třífázových elektrických generátorů a také tomu, proč je pro třífázové elektrické generátory důležité vyvažování zátěže.

Jak fungují jednofázové a třífázové generátory? Oba jsou připojeny k elektrické síti střídavého proudu a produkují požadovaný výkon. Jak název napovídá, jednofázové generátory produkují jednu vlnu výkonu (jednu fázi výstupní sinusovky).

Tato vlna závisí na zdroji energie připojeném ke generátoru. Hladina výkonu vlny vrcholí a klesá na nulu v intervalech jednou za každý cyklus. Tyto kapky jsou tak rychlé, že si jich většina lidí nevšimne, když je generátor v chodu.

Výkon jednofázového generátoru je obvykle dostatečný pro domácí použití, včetně:

• domácí přístroje;
• Televizory;
• chladničky;
• počítače;
• osvětlení a tak dále.

Ale i rychlý pokles výkonu může být velkým problémem pro velké objekty nebo stroje, které k provozu vyžadují značné množství energie. Třífázové generátory vyrábějí energii pomocí tří vln, které se překrývají a jsou od sebe rovnoměrně vzdáleny.

Když jedna vlna „stoupá“, druhá je na vrcholu a třetí klesá. Tyto po sobě jdoucí vlny poskytují nepřetržitý tok energie, který nikdy neklesne na nulu. A v případech, kdy jsou vyžadovány výjimečně vysoké výkonové zátěže, lze tyto tři fáze synchronizovat a dodávat tak koncentrovaný výkon do jediného zařízení.

Třífázové generátory lze použít pro primární i záložní napájení v těžkém průmyslu, zemědělství a komerčním sektoru, stejně jako v datových centrech, která vyžadují masivní výkon pro provoz desítek serverů.

Výhody třífázových generátorů

Jak bylo uvedeno výše, situace, ve které bude generátor dodávat energii, se může u každé konkrétní vlastnosti lišit. To, že je třífázový generátor výkonnější, neznamená, že je vhodnější pro napájení vašeho domova. Podobně to, že jednofázové generátory mají nižší počáteční náklady než třífázové generátory, neznamená, že budou časem levnější.

Některé specifické výhody třífázového generátoru oproti jednofázovému generátoru zahrnují:

• vysoká pevnost;
• trvanlivost a spolehlivost provozu;
• nižší náklady na údržbu díky menšímu poškození kroutícím momentem a vibracemi;
• méně místa potřebného pro instalaci a zároveň poskytuje více energie;
• méně vodivé materiály použité v návrhu;
• nižší riziko výpadku systému nebo výpadku napájení v důsledku poruchy.

Význam vyrovnávání zátěže u třífázového generátoru

Třífázové generátory nabízejí mnoho výhod – to je fakt. Ale pro správnou funkci musí být připojená zátěž rovnoměrně vyvážena napříč všemi cívkami generátoru. To není vždy snadné, ale následky, pokud tak neučiníte, mohou být velmi hrozivé.

Nevyvážený systém může způsobit vážné problémy, včetně:

• přetížení – když jeden výstup přijímá více než třetinu celkového výkonu vyrobeného generátorem;
• Interference regulace napětí – Nevyvážené zátěže mohou ovlivnit schopnost automatického regulátoru napětí snímat změny napětí a zvyšovat nebo snižovat proud pro udržení úrovní napětí v přijatelných mezích;
• interference s průběhem a harmonickými (generátory střídavého proudu produkují elektrickou energii ve formě sinusové vlny, která musí být hladká a přechodové harmonické musí být v určitých mezích).

Pokud je generátor připojen k třífázové zátěži a jednofázové zátěži, jakákoliv nevyváženost může způsobit problémy s napájením motoru. Jmenovité hodnoty motoru by měly být sníženy o 25 % na každých 5 % nevyváženého zatížení.

Můžete zmírnit účinky nevyváženého zatížení. K tomu je nutné určit, zda je možné rovnoměrně přerozdělit stávající zatížení. To je nejjednodušší, když je systém stále ve vývoji.

Můžete si vybrat třífázový generátor s vyšším výkonem. V tomto případě nesmí připojená zátěž na jednotlivých zásuvkách překročit jmenovitý výkon pro každou zásuvku. Je také důležité neprovozovat generátor v režimu, kdy se využívá více než 80 % jeho plné jmenovité zátěže.

Stroje, které přeměňují mechanickou energii na elektrickou energii, se nazývají generátory.

Nejjednodušší generátor stejnosměrného proudu (obr. 1) je rám vodiče umístěný mezi póly magnetu, jehož konce jsou spojeny s izolovanými půlkroužky nazývanými kolektorové desky. Pozitivní a negativní kartáčky jsou přitlačeny k půlkroužkům (kolektoru), které jsou uzavřeny vnějším obvodem přes žárovku. Aby generátor fungoval, musí být rám vodiče s kolektorem otočen. V souladu s pravidlem pravé ruky, když se rám vodiče s kolektorem otáčí, bude se v něm indukovat elektrický proud, který mění svůj směr každou půl otáčku, protože magnetické siločáry na každé straně rámu se budou protínat. v jednom nebo druhém směru. Při každé půlotáčce se přitom mění kontakt konců vodiče rámu a polokroužků komutátoru s kartáči generátoru. Proud poteče do vnějšího obvodu v jednom směru, mění se pouze v hodnotě od 0 do maxima. Kolektor v generátoru tedy slouží k usměrnění střídavého proudu generovaného rámem. Aby elektrický proud byl konstantní nejen ve směru, ale i co do velikosti (velikost přibližně konstantní), je kolektor vyroben z mnoha (36 a více) desek a vodič se skládá z mnoha rámů nebo částí vyrobených v tvar vinutí kotvy .

Rýže. 1. Schéma nejjednoduššího generátoru stejnosměrného proudu: 1 – polokroužek nebo kolektorová deska; I – rám vodiče; 3 — kartáč generátoru

Základní struktura nejjednoduššího generátoru střídavého proudu je na Obr. 4. U tohoto generátoru jsou konce rámu vodiče spojeny každý se svým vlastním kroužkem a kartáče generátoru jsou přitlačovány proti kroužkům. Kartáče jsou uzavřeny vnějším obvodem přes žárovku. Když se rám s kroužky otáčí v magnetickém poli, generátor bude produkovat střídavý proud, jehož velikost a směr se mění každou půl otáčkou. Tento střídavý proud se nazývá jednofázový. V technologii, generátory tří-

Rýže. 2. Schéma nejjednoduššího generátoru střídavého proudu:

1 – pól elektromagnetu; 2 – budicí cívka; 3 – sběrací kroužek; 4 — kartáč generátoru; S – vnější obvod; 6 — rám vodiče; 7 – DC zdroj

fázový proud, který je z řady důvodů nejpohodlnější k použití. Nejjednodušší třífázový generátor má tři rámy (vinutí) drátů, posunuté vůči sobě navzájem podél kruhu otáčení o 120 °. Třífázový proud mění svou velikost a směr každých 120° otáčky. Doba potřebná k dokončení jednoho kmitu se nazývá perioda a počet period za sekundu se nazývá frekvence střídavého elektrického proudu.

Něco málo o historii vynálezu generátoru.

Prototyp generátoru elektrického proudu založený na principu elektromagnetické indukce navrhl Faraday v roce 1831. Skládal se z měděného kotouče, který se ručně otáčel mezi póly permanentního magnetu. V tomto případě byla v disku indukována elektromotorická síla (EMF); Póly byly osa disku a stacionární kartáč, který měl kluzný kontakt s okrajem disku. Poté byly navrženy různé konstrukce elektromagnetických generátorů. Magnetoelektrické stroje byly vyrobeny mnoha vynálezci: W. Ricci, já. Pixie, Yu. Clark et al., ale všechny byly obtížně aplikovatelné pro praktické použití. Na příkaz A.M. Ampere v roce 1832 I. Pixie (1808-1835) vyrobil první elektrický generátor s komutátorem na výrobu stejnosměrného proudu. Bylo to řízeno ručně. V 1842 městě D.S. Woolrich vyrobil výkonný generátor stejnosměrného proudu připojením k parnímu stroji přes řemenový pohon. Takový generátor se používal k napájení galvanických lázní. Rok 1842 je považován za rok zrodu dodávek elektrické energie pro podniky. V letech 1856-1866 se objevila myšlenka samobuzení elektrického generátoru (bez galvanického prvku). Mnoho výzkumníků a inženýrů, nezávisle na sobě, k tomu dříve nebo později dospělo: Maďar A. Jedlík (1800-1895); Německý E.V. Siemens (1816-1892); Angličané G. Wild (1833-1919), S.A. Warli; Američan M.G. Sedlák (1820-1893); Dane S. Hjert (1802-1870) a další. Průmyslový vývoj elektrických generátorů začal po roce 1870, kdy Francouz Z. Gramm vytvořil generátor s prstencovým rotorem, toroidním vinutím a kolektorem téměř moderní konstrukce. A. Pacinotti (1841-1912) sestrojil podobný elektromotor o 10 let dříve. V 1880 městě Američan T. Edison navrhl vytvořit magnetický obvod kotvy elektrického generátoru složený z izolovaných ocelových plechů. Tím se snížily ztráty a reakce kotvy. V 1884 městě bylo navrženo kompenzační vinutí a v roce 1885 přídavné póly pro snížení reakce kotvy a zlepšení komutace. Vytvoření elektrických generátorů a elektromotorů využívajících stejnosměrný proud vyřešilo mnoho problémů tehdejšího energetického průmyslu, ale přenos energie na velké vzdálenosti se ukázal jako obtížný. V 1876 městě P.N. Yablochkov vytvořil obloukové lampy, které fungovaly mnohem efektivněji na střídavý proud. K napájení několika obloukových lamp z jednoho zdroje použil Yablochkov indukční cívky s větvemi – prototyp transformátoru nebo jednoduchý transformátor s otevřeným jádrem. Zavedení střídavého proudu mělo umožnit přenos elektřiny pomocí napěťových transformátorů na velké vzdálenosti. Nyní však vyvstala otázka vytvoření generátorů střídavého proudu. Myšlenku rotujícího elektromagnetického pole poprvé navrhl D. Arago v roce 1821 V 1885 městě G. Ferrari. (1847-1897) navrhl použití dvoufázového proudu (systém dvou střídavých proudů, 90° mimo fázi), který umožňuje získat „rotující magnetické pole“, a postavil motor na střídavý proud. N. Tesla (1856 – 1943), dokázal postavit soustavu dvoufázového generátoru, transformátoru a motoru. Používal se na vodní elektrárně Niagara v USA, systém vyžadoval čtyři dráty pro přenos elektřiny. V roce 1888 ruský vynálezce M.O. Dolivo-Dobrovolsky (1862-1919), vytvořil třífázový proudový systém, který pak získal uznání a rozšířil se po celém světě jako nejpohodlnější a nejhospodárnější. Rotující magnetické pole bylo získáno posunutím fází mezi proudy stejné amplitudy o 120°. M.O. Dolivo-Dobrovolsky vyvinul rotor s vinutím klece nakrátko a vytvořil asynchronní motor v kleci nakrátko. Třífázový systém, skládající se z třífázového generátoru, třífázového motoru a třífázového transformátoru, vyžadoval pouze tři vodiče pro přenos a distribuci elektřiny, přičemž byl symetrický, vyvážený a ekonomický. Náklady na kov byly o 25 % nižší než u dvouvodičového vedení jednofázového systému. Třífázový synchronní generátor postavil Dolivo-Dobrovolsky v roce 1890. Přenos třífázového proudu na vzdálenost 170 km byl poprvé předveden na Mezinárodní elektrotechnické výstavě ve Frankfurtu nad Mohanem v roce 1891. během Mezinárodního kongresu elektrotechniků. Na bázi elektrických generátorů a elektromotorů se začaly navrhovat jednotlivé pohony pro obráběcí stroje, mechanismy a zařízení. První ochranné uzemnění elektrických strojů navrhl ruský inženýr R.E. Claesson a Francouz M. Depre. Generátory elektrického proudu kladly na hnací stroj tyto požadavky: vysoký počet otáček, vysokou rovnoměrnost otáčení a neustále se zvyšující výkon. Parní stroj již tyto požadavky nesplňoval Měl 400-600 ot./min. Parní stroj byl nahrazen parní turbínou, která měla vyšší otáčky a vyšší účinnost. Nyní výkon parních turbín dosahuje 1200 MW.