Wie funktionieren AC- und DC-Generatoren?

Der Begriff „Generation“ in der Elektrotechnik stammt aus dem Lateinischen. Es bedeutet „Geburt“. Bezogen auf die Energie kann man sagen, dass Generatoren technische Geräte sind, die Strom erzeugen.

Dabei ist zu beachten, dass elektrischer Strom durch die Umwandlung verschiedener Energiearten erzeugt werden kann, zum Beispiel:

• chemisch;

• Licht;

• thermisch und andere.

Historisch gesehen sind Generatoren Strukturen, die die kinetische Rotationsenergie in Elektrizität umwandeln.

Je nach Art des erzeugten Stroms sind die Generatoren:

1. Gleichstrom;

2. variabel.

Das Funktionsprinzip des einfachsten Generators

Die physikalischen Gesetze, die es ermöglichen, moderne elektrische Anlagen zur Stromerzeugung durch Umwandlung mechanischer Energie zu schaffen, wurden von den Wissenschaftlern Oersted und Faraday entdeckt.

Es gilt jedes Generatordesign Prinzip der elektromagnetischen Induktionwenn es in einem geschlossenen Rahmen zu einer Induktion eines elektrischen Stroms aufgrund seiner Überschneidung mit einem erzeugten rotierenden Magnetfeld kommt Permanentmagnete in vereinfachten Modellen für den Heimgebrauch oder als Erregerspulen für Industrieprodukte mit erhöhter Leistung.

Wenn Sie die Lünette drehen, ändert sich die Stärke des Magnetflusses.

Die in der Schleife induzierte elektromotorische Kraft hängt von der Änderungsrate des magnetischen Flusses ab, der die Schleife in einer geschlossenen Schleife S durchdringt, und ist direkt proportional zu ihrem Wert. Je schneller sich der Rotor dreht, desto höher ist die erzeugte Spannung.

Um einen geschlossenen Kreislauf zu schaffen und elektrischen Strom daraus abzuleiten, war es notwendig, einen Kollektor und eine Bürste zu schaffen, die einen ständigen Kontakt zwischen dem rotierenden Rahmen und einem stationären Teil des Stromkreises gewährleisten.

Aufgrund der Konstruktion von federbelasteten Bürsten, die gegen die Kollektorplatten gedrückt werden, wird der elektrische Strom zu den Ausgangsklemmen übertragen und von dort in das Netz des Verbrauchers geleitet.

Das Funktionsprinzip des einfachsten Gleichstromgenerators

Während sich der Rahmen um die Achse dreht, kreisen seine linke und rechte Hälfte um die Süd- bzw. Nordpole der Magnete. Jedes Mal ändert sich in ihnen die Richtung der Ströme in die entgegengesetzte Richtung, so dass sie an jedem Pol in eine Richtung fließen.

Um einen Gleichstrom im Ausgangskreis zu erzeugen, wird am Kollektorknoten für jede Spulenhälfte ein Halbring erzeugt. An den Ring angrenzende Bürsten entfernen das Potential nur ihres Vorzeichens: positiv oder negativ.

Da der Halbring des Drehrahmens offen ist, entstehen darin Momente, wenn der Strom seinen Maximalwert erreicht oder fehlt. Um nicht nur die Richtung, sondern auch einen konstanten Wert der erzeugten Spannung aufrechtzuerhalten, wird der Rahmen nach einer speziell vorbereiteten Technologie hergestellt:

• es verwendet nicht eine Spule, sondern mehrere – abhängig von der Größe der geplanten Spannung;

• Die Anzahl der Frames ist nicht auf eine Kopie beschränkt: Sie versuchen, eine ausreichende Anzahl zu erstellen, um den Spannungsabfall optimal auf dem gleichen Niveau zu halten.

Beim Gleichstromgenerator befinden sich die Rotorwicklungen in den Nuten Magnetkreis… Dadurch kann der Verlust des induzierten elektromagnetischen Feldes reduziert werden.

Konstruktionsmerkmale von Gleichstromgeneratoren

Die Hauptelemente des Geräts sind:

• externer Stromrahmen;

• magnetische Pole;

• Stator;

• rotierender Rotor;

• Schaltblock mit Bürsten.

Rahmen aus Stahllegierungen oder Gusseisen, um der Gesamtstruktur mechanische Festigkeit zu verleihen. Eine weitere Aufgabe des Gehäuses ist die Übertragung des magnetischen Flusses zwischen den Polen.

Magnetpole, die mit Stiften oder Bolzen am Körper befestigt sind. Auf ihnen ist eine Spule montiert.

Ein Stator, auch Joch oder Skelett genannt, besteht aus ferromagnetischen Materialien. Darauf wird die Spule der Erregerspule aufgesetzt. Der Statorkern ist mit Magnetpolen ausgestattet, die sein Magnetfeld bilden.

Rotor hat ein Synonym: Anker. Sein Magnetkern besteht aus laminierten Platten, die die Bildung von Wirbelströmen reduzieren und den Wirkungsgrad erhöhen. In den Kernkanälen werden die Rotor- und/oder Selbsterregerwicklungen verlegt.

Ein Schaltknoten mit Bürsten kann eine unterschiedliche Polzahl haben, ist aber immer ein Vielfaches von zwei. Das Bürstenmaterial ist in der Regel Graphit. Die Kollektorplatten bestehen aus Kupfer, dem für die elektrischen Eigenschaften der Stromleitung am besten geeigneten Metall.

Durch den Einsatz eines Schalters wird an den Ausgangsklemmen des Gleichstromgenerators ein pulsierendes Signal erzeugt.

Die wichtigsten Bauarten von Gleichstromgeneratoren

Je nach Art der Stromversorgung der Erregerspule werden Geräte unterschieden:

1. mit Selbsterregung;

2. Wir operieren auf der Grundlage unabhängiger Inklusion.

Die ersten Produkte können:

• Verwenden Sie Permanentmagnete.

• oder mit externen Quellen betrieben werden, z. B. Batterien, Windkraftanlagen ...

Unabhängig geschaltete Generatoren arbeiten mit einer eigenen Wicklung, die angeschlossen werden kann:

• der Reihe nach;

• Shunts oder parallele Erregung.

Eine der Möglichkeiten einer solchen Verbindung ist im Diagramm dargestellt.

Ein Beispiel für einen Gleichstromgenerator ist eine Bauart, die früher häufig im Automobilbau verwendet wurde. Sein Aufbau entspricht dem eines Induktionsmotors.

Solche Kollektorstrukturen können gleichzeitig im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Aus diesem Grund sind sie in bestehenden Hybridfahrzeugen weit verbreitet.

Ankerbildungsprozess

Dies geschieht im Leerlaufmodus, wenn der Bürstendruck falsch eingestellt ist, wodurch ein suboptimaler Reibungsmodus entsteht. Dies kann zu einer Verringerung der Magnetfelder oder einem Brand durch verstärkte Funkenbildung führen.

Die Möglichkeiten zur Reduzierung sind:

• Kompensation von Magnetfeldern durch Anschluss zusätzlicher Pole;

• Einstellung des Versatzes der Position der Kollektorbürsten.

Vorteile von Gleichstromgeneratoren

Sie beinhalten:

• ohne Verluste durch Hysterese und Wirbelstrombildung;

• unter extremen Bedingungen arbeiten;

• reduziertes Gewicht und kleine Abmessungen.

Das Funktionsprinzip des einfachsten Generators

In diesem Design werden die gleichen Details wie im vorherigen Analogon verwendet:

• Magnetfeld;

• Drehrahmen;

• Kollektorblock mit Stromableiterbürsten.

Der Hauptunterschied liegt in der Konstruktion der Kollektorbaugruppe, die so konzipiert ist, dass bei der Drehung des Rahmens durch die Bürsten ständig Kontakt mit der Hälfte des Rahmens hergestellt wird, ohne deren Position zyklisch zu ändern.

Daher wird der Strom, der sich nach den Gesetzen der Harmonischen in jeder Hälfte ändert, völlig unverändert auf die Bürsten und dann über diese auf den Verbraucherkreis übertragen.

Natürlich entsteht der Rahmen nicht durch Aufwickeln aus einer Umdrehung, sondern aus einer berechneten Anzahl davon, um die optimale Spannung zu erreichen.

Somit ist das Funktionsprinzip von Gleich- und Wechselstromgeneratoren gleich und die Konstruktionsunterschiede bestehen in der Herstellung von:

• rotierende Rotorkollektorbaugruppe;

• Rotorwicklungskonfiguration.

Konstruktionsmerkmale von Industriegeneratoren

Betrachten Sie die Hauptteile eines industriellen Induktionsgenerators, bei dem der Rotor Drehbewegungen von einer nahegelegenen Turbine erhält. Die Statorkonstruktion besteht aus einem Elektromagneten (obwohl das Magnetfeld auch durch eine Reihe von Permanentmagneten erzeugt werden kann) und einer Rotorwicklung mit einer bestimmten Anzahl von Windungen.

In jeder Schleife wird eine elektromotorische Kraft induziert, die sich in jeder Schleife sukzessive addiert und an den Ausgangsklemmen den Gesamtwert der Spannung bildet, die dem Versorgungskreis der angeschlossenen Verbraucher zugeführt wird.

Um die Amplitude der EMF am Ausgang des Generators zu erhöhen, wird ein spezielles Design des Magnetsystems verwendet, das aus zwei Magnetkreisen besteht, da spezielle Elektrostahlsorten in Form von laminierten Platten mit Kanälen verwendet werden. In ihnen sind Spulen eingebaut.

Im Generatorgehäuse befindet sich ein Statorkern mit Kanälen zur Aufnahme einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt.

Der auf Lagern rotierende Rotor verfügt außerdem über einen geschlitzten Magnetkreis, in dem eine Spule montiert ist, die eine induzierte EMF empfängt. Üblicherweise wird für die Drehachse die horizontale Richtung gewählt, es gibt jedoch auch Generatoren mit vertikaler Anordnung und entsprechender Ausführung der Lager.

Zwischen Stator und Rotor entsteht immer ein Spalt, der notwendig ist, um die Rotation sicherzustellen und ein Verklemmen zu verhindern. Gleichzeitig geht jedoch die magnetische Induktionsenergie verloren. Deshalb versuchen sie, es so klein wie möglich zu machen und dabei beide Anforderungen optimal zu berücksichtigen.

Der Erreger befindet sich auf derselben Welle wie der Rotor und ist ein Gleichstromgenerator mit relativ geringer Leistung. Sein Zweck: die Wicklungen eines Stromgenerators im Zustand unabhängiger Erregung mit Strom zu versorgen.

Solche Erreger werden am häufigsten bei Turbinen- oder Hydraulikgeneratorkonstruktionen verwendet, wenn eine Primär- oder Backup-Erregungsmethode geschaffen wird.

Das Foto eines Industriegenerators zeigt die Anordnung von Schleifringen und Bürsten zur Erfassung von Strömen aus einer rotierenden Rotorstruktur. Während des Betriebs ist dieses Gerät ständiger mechanischer und elektrischer Belastung ausgesetzt. Um sie zu überwinden, entsteht eine komplexe Struktur, die während des Betriebs regelmäßige Kontrollen und vorbeugende Maßnahmen erfordert.

Um die anfallenden Betriebskosten zu senken, kommt eine andere, alternative Technologie zum Einsatz, die ebenfalls die Wechselwirkung rotierender elektromagnetischer Felder nutzt. Auf dem Rotor sind lediglich Permanent- oder Elektromagnete angebracht und die Spannung wird von der stationären Spule abgenommen.

Bei der Erstellung einer solchen Schaltung kann eine solche Struktur als „Lichtmaschine“ bezeichnet werden. Es wird in Synchrongeneratoren eingesetzt: Hochfrequenzgeneratoren, Automobile, Diesellokomotiven und Schiffe sowie Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung.

Eigenschaften von Synchrongeneratoren

Funktionsprinzip

Der Name und die Besonderheit der Aktion liegt in der Schaffung einer starren Verbindung zwischen der Frequenz der in der Statorwicklung „f“ induzierten elektromotorischen Wechselkraft und der Drehung des Rotors.

Im Stator ist eine dreiphasige Wicklung montiert, und auf dem Rotor befindet sich ein Elektromagnet mit einem Kern und einer Erregerwicklung, die über einen Bürstenkollektor von Gleichstromkreisen gespeist wird.

Der Rotor wird durch eine mechanische Energiequelle – einen Antriebsmotor – mit gleicher Drehzahl in Rotation versetzt. Sein Magnetfeld macht die gleiche Bewegung.

In den Statorwicklungen werden elektromotorische Kräfte gleicher Größe, jedoch um 120 Grad in der Richtung verschoben, induziert, wodurch ein dreiphasiges symmetrisches System entsteht.

Beim Anschluss an die Enden der Wicklungen von Verbraucherstromkreisen beginnen im Stromkreis Phasenströme zu wirken, die ein auf die gleiche Weise rotierendes Magnetfeld bilden: synchron.

Die Form des Ausgangssignals der induzierten EMF hängt nur vom Verteilungsgesetz des magnetischen Induktionsvektors im Spalt zwischen den Rotorpolen und den Statorplatten ab. Daher versuchen sie, ein solches Design zu schaffen, wenn sich die Größe der Induktion gemäß einem Sinusgesetz ändert.

Bei konstantem Spalt ist der Strömungsvektor innerhalb des Spalts trapezförmig, wie im Liniendiagramm 1 dargestellt.

Wenn jedoch die Form der Streifen an den Polen so korrigiert wird, dass sie schief ist, indem die Lücke auf den Maximalwert geändert wird, ist es möglich, eine sinusförmige Form der Verteilung zu erreichen, wie in Zeile 2 gezeigt. Diese Technik wird in der Praxis verwendet.

Erregerschaltungen für Synchrongeneratoren

Die magnetomotorische Kraft, die an der Erregerwicklung des Rotors „OB“ entsteht, erzeugt sein Magnetfeld. Hierfür gibt es unterschiedliche DC-Erregerausführungen basierend auf:

1. Kontaktart;

2. berührungslose Methode.

Im ersten Fall wird ein separater Generator namens Erreger „B“ verwendet. Seine Erregerspule wird von einem zusätzlichen Generator nach dem Prinzip der Parallelerregung, einem sogenannten „PV“-Erreger, gespeist.

Alle Rotoren sitzen auf einer gemeinsamen Welle. Daher drehen sie sich genauso. Rheostaten r1 und r2 dienen zur Regelung der Ströme in den Erreger- und Verstärkerkreisen.

Bei der berührungslosen Methode gibt es keine Schleifringe am Rotor. Direkt darauf ist eine dreiphasige Erregerwicklung montiert. Es dreht sich synchron mit dem Rotor und überträgt elektrischen Gleichstrom über den mitrotierenden Gleichrichter direkt auf die Erregerwicklung «B».

Die Arten kontaktloser Schaltkreise sind:

1. Selbsterregungssystem aus der eigenen Wicklung des Stators;

2. Automatisiertes Schema.

Bei der ersten Methode wird die Spannung der Statorwicklungen dem Abwärtstransformator und dann dem Halbleitergleichrichter „PP“ zugeführt, der Gleichstrom erzeugt.

Bei dieser Methode entsteht die anfängliche Anregung durch das Phänomen des Restmagnetismus.

Das automatische Schema zur Erzeugung von Selbsterregung beinhaltet die Verwendung von:

• Spannungswandler VT;

• automatisierter Erregerregler ATS;

• Stromwandler TT;

• Gleichrichter VT;

• Thyristorwandler TP;

• Schutzblock BZ.

Eigenschaften von Asynchrongeneratoren

Der Hauptunterschied zwischen diesen Konstruktionen besteht im Fehlen einer starren Beziehung zwischen der Rotordrehzahl (nr) und der in der Spule induzierten EMF (n). Es gibt immer einen Unterschied zwischen ihnen, der als „Schlupf“ bezeichnet wird. Es wird mit dem lateinischen Buchstaben „S“ bezeichnet und durch die Formel S = (n-nr) / n ausgedrückt.

Wenn die Last an den Generator angeschlossen ist, wird ein Bremsmoment erzeugt, um den Rotor zu drehen. Es beeinflusst die Frequenz der erzeugten EMF und erzeugt einen negativen Schlupf.

Der Aufbau des Rotors für Asynchrongeneratoren erfolgt wie folgt:

• Kurzschluss;

• Phase;

• hohl.

Asynchrongeneratoren können Folgendes haben:

1. unabhängige Erregung;

2. Selbsterregung.

Im ersten Fall wird eine externe Wechselspannungsquelle verwendet, im zweiten Fall werden Halbleiterwandler oder Kondensatoren im primären, sekundären oder beiden Schaltungstypen verwendet.

So haben Lichtmaschinen und Gleichstromgeneratoren in ihren Konstruktionsprinzipien viele Gemeinsamkeiten, unterscheiden sich jedoch in der Gestaltung bestimmter Elemente.