Como funcionam os geradores CA e CC?

O termo "geração" em engenharia elétrica vem da língua latina. Significa "nascimento". Em relação à energia, podemos dizer que os geradores são dispositivos técnicos que geram eletricidade.

Neste caso, deve-se notar que a corrente elétrica pode ser produzida pela conversão de diferentes tipos de energia, por exemplo:

• químico;

• luz;

• térmico e outros.

Historicamente, os geradores são estruturas que convertem a energia cinética de rotação em eletricidade.

De acordo com o tipo de eletricidade gerada, os geradores são:

1. corrente contínua;

2. variável.

O princípio de operação do gerador mais simples

As leis físicas que possibilitam a criação de instalações elétricas modernas para geração de eletricidade por meio da transformação de energia mecânica foram descobertas pelos cientistas Oersted e Faraday.

Qualquer design de gerador se aplica princípio da indução eletromagnéticaquando há uma indução de uma corrente elétrica em um quadro fechado devido à sua interseção com um campo magnético rotativo que é criado imãs permanentes em modelos simplificados para uso doméstico ou bobinas de excitação em produtos industriais com maior potência.

Quando você gira o bisel, a magnitude do fluxo magnético muda.

A força eletromotriz induzida na espira depende da taxa de variação do fluxo magnético que penetra na espira em uma espira fechada S e é diretamente proporcional ao seu valor. Quanto mais rápido o rotor gira, maior a tensão gerada.

Para criar um circuito fechado e desviar a corrente elétrica dele, foi necessário criar um coletor e uma escova que proporcionasse contato constante entre a estrutura rotativa e uma parte estacionária do circuito.

Devido à construção de escovas de mola pressionadas contra as placas coletoras, a corrente elétrica é transmitida aos terminais de saída e deles passa para a rede do consumidor.

O princípio de operação do gerador DC mais simples

À medida que o quadro gira em torno do eixo, suas metades esquerda e direita giram em torno dos pólos sul ou norte dos ímãs. Cada vez neles há uma mudança na direção das correntes no sentido inverso, de modo que em cada pólo elas fluam em uma direção.

Para criar uma corrente contínua no circuito de saída, um meio anel é criado no nó coletor para cada metade da bobina. As escovas adjacentes ao anel removem o potencial apenas de seu sinal: positivo ou negativo.

Como o semi-anel do quadro rotativo está aberto, são criados momentos nele quando a corrente atinge seu valor máximo ou está ausente. Para manter não apenas a direção, mas também um valor constante da tensão gerada, o quadro é fabricado de acordo com uma tecnologia especialmente preparada:

• não usa uma bobina, mas várias - dependendo da magnitude da tensão planejada;

• o número de quadros não se limita a uma cópia: eles tentam fazer um número suficiente para manter a queda de tensão no mesmo nível de maneira ideal.

No gerador DC, os enrolamentos do rotor estão localizados nas ranhuras circuito magnético… Isso permite reduzir a perda do campo eletromagnético induzido.

Características de projeto de geradores DC

Os principais elementos do dispositivo são:

• quadro de alimentação externa;

• pólos magnéticos;

• estator;

• rotor rotativo;

• bloco de comutação com escovas.

Quadro feito de ligas de aço ou ferro fundido para dar resistência mecânica à estrutura geral. Uma tarefa adicional do invólucro é transferir o fluxo magnético entre os pólos.

Pólos de ímãs presos ao corpo com pinos ou parafusos. Uma bobina é montada sobre eles.

Um estator, também chamado de garfo ou esqueleto, é feito de materiais ferromagnéticos. A bobina da bobina de excitação é colocada sobre ela. Núcleo do estator equipado com pólos magnéticos formando seu campo magnético.

Rotor tem um sinônimo: âncora. Seu núcleo magnético consiste em placas laminadas que reduzem a formação de correntes parasitas e aumentam a eficiência. Os enrolamentos do rotor e/ou auto-excitação são colocados nos canais centrais.

Um nó de comutação com escovas, pode ter um número diferente de pólos, mas é sempre um múltiplo de dois. O material do pincel é geralmente grafite. As placas coletoras são feitas de cobre, como o metal mais adequado para as propriedades elétricas de condução de corrente.

Graças ao uso de um interruptor, um sinal pulsante é gerado nos terminais de saída do gerador DC.

Os principais tipos de construções de geradores DC

De acordo com o tipo de fonte de alimentação da bobina de excitação, os dispositivos são diferenciados:

1. com auto-excitação;

2. operando com base na inclusão independente.

Os primeiros produtos podem:

• use imãs permanentes;

• ou operar a partir de fontes externas, por exemplo, baterias, turbinas eólicas...

Geradores com comutação independente operam a partir de seu próprio enrolamento, que pode ser conectado:

• sequencialmente;

• shunts ou excitação paralela.

Uma das opções para tal conexão é mostrada no diagrama.

Um exemplo de gerador DC é um projeto que era frequentemente usado na engenharia automotiva no passado. Sua estrutura é a mesma de um motor de indução.

Tais estruturas coletoras podem operar simultaneamente no modo motor ou gerador. Por causa disso, eles se tornaram comuns em veículos híbridos existentes.

Processo de formação de âncora

Isso ocorre no modo inativo quando a pressão da escova é ajustada incorretamente, criando um modo de fricção abaixo do ideal. Isso pode levar a uma redução nos campos magnéticos ou a um incêndio devido ao aumento de faíscas.

As formas de reduzir são:

• compensação de campos magnéticos conectando pólos adicionais;

• ajuste do offset da posição das escovas coletoras.

Vantagens dos geradores DC

Eles incluem:

• sem perdas por histerese e formação de correntes parasitas;

• trabalhar em condições extremas;

• peso reduzido e dimensões reduzidas.

O princípio de operação do alternador mais simples

Dentro deste design, são utilizados os mesmos detalhes do análogo anterior:

• campo magnético;

• quadro giratório;

• bloco coletor com escovas de drenagem de corrente.

A principal diferença está no design do conjunto do coletor, que é projetado de forma que, quando o quadro gira através das escovas, o contato é feito constantemente com a metade do quadro sem alterar ciclicamente sua posição.

Portanto, a corrente, que muda de acordo com as leis dos harmônicos em cada metade, é transferida completamente inalterada para as escovas e depois através delas para o circuito do consumidor.

Naturalmente, o quadro é criado enrolando não de uma volta, mas um número calculado deles para atingir a tensão ideal.

Assim, o princípio de operação dos geradores DC e AC é comum, e as diferenças de projeto estão na produção de:

• conjunto coletor de rotor giratório;

• configuração do enrolamento do rotor.

Características de design de alternadores industriais

Considere as partes principais de um gerador de indução industrial no qual o rotor recebe movimento rotacional de uma turbina próxima. A construção do estator inclui um eletroímã (embora o campo magnético possa ser criado por um conjunto de ímãs permanentes) e um enrolamento do rotor com um certo número de voltas.

Em cada espira é induzida uma força eletromotriz, que se soma sucessivamente em cada uma delas e forma nos terminais de saída o valor total da tensão fornecida ao circuito de alimentação dos consumidores conectados.

Para aumentar a amplitude do EMF na saída do gerador, é utilizado um projeto especial do sistema magnético, composto por dois circuitos magnéticos devido ao uso de grades especiais de aço elétrico na forma de placas laminadas com canais. As bobinas são instaladas dentro deles.

Na carcaça do gerador, existe um núcleo do estator com canais para acomodar uma bobina que cria um campo magnético.

O rotor girando sobre rolamentos também possui um circuito magnético ranhurado dentro do qual é montada uma bobina que recebe uma CEM induzida. Normalmente, a direção horizontal é escolhida para o eixo de rotação, embora existam geradores com disposição vertical e o design correspondente dos mancais.

Sempre é criado um espaço entre o estator e o rotor, necessário para garantir a rotação e evitar bloqueios. Mas, ao mesmo tempo, há uma perda de energia de indução magnética nele. Portanto, eles tentam torná-lo o menor possível, levando em consideração ambos os requisitos de maneira ideal.

Localizado no mesmo eixo do rotor, o excitador é um gerador de corrente contínua de potência relativamente baixa. Sua finalidade: fornecer eletricidade aos enrolamentos de um gerador de energia em estado de excitação independente.

Esses excitadores são usados ​​com mais frequência com projetos de turbina ou gerador hidráulico ao criar um método de excitação primário ou de backup.

A foto de um gerador industrial mostra o arranjo de anéis coletores e escovas para capturar correntes de uma estrutura rotativa do rotor. Durante a operação, este dispositivo está sujeito a tensões mecânicas e elétricas constantes. Para superá-los, é criada uma estrutura complexa, que durante a operação requer verificações periódicas e medidas preventivas.

Para reduzir os custos operacionais gerados, é utilizada uma tecnologia alternativa diferente que também utiliza a interação entre campos eletromagnéticos rotativos. Apenas ímãs permanentes ou elétricos são colocados no rotor e a tensão é removida da bobina estacionária.

Ao criar tal circuito, tal estrutura pode ser chamada de termo «alternador». É utilizado em geradores síncronos: alta frequência, automotivo, locomotivas a diesel e navios, instalações de usinas para produção de eletricidade.

Características dos geradores síncronos

Princípio de operação

O nome e característica distintiva da ação reside na criação de uma conexão rígida entre a frequência da força eletromotriz alternada induzida no enrolamento do estator «f» e a rotação do rotor.

Um enrolamento trifásico é montado no estator e no rotor há um eletroímã com núcleo e um enrolamento de excitação alimentado por circuitos CC através de um coletor de escovas.

O rotor é acionado por uma fonte de energia mecânica - um motor de acionamento na mesma velocidade. Seu campo magnético faz o mesmo movimento.

Forças eletromotrizes da mesma magnitude, mas deslocadas em 120 graus na direção, são induzidas nos enrolamentos do estator, criando um sistema trifásico simétrico.

Ao serem conectadas às pontas dos enrolamentos dos circuitos consumidores, passam a atuar no circuito correntes de fase, que formam um campo magnético girando da mesma forma: síncrona.

A forma do sinal de saída do EMF induzido depende apenas da lei de distribuição do vetor de indução magnética no espaço entre os pólos do rotor e as placas do estator. Portanto, eles procuram criar tal projeto quando a magnitude da indução muda de acordo com uma lei senoidal.

Quando a lacuna é constante, o vetor de fluxo dentro da lacuna é trapezoidal, conforme mostrado no gráfico de linha 1.

No entanto, se a forma das franjas nos pólos for corrigida para ser assimétrica alterando o intervalo para o valor máximo, então é possível obter uma forma senoidal da distribuição conforme mostrado na linha 2. Essa técnica é usada na prática.

Circuitos de excitação para geradores síncronos

A força magnetomotriz que surge no enrolamento de excitação do rotor «OB» cria seu campo magnético. Para isso, existem diferentes projetos de excitadores DC baseados em:

1. método de contato;

2. método sem contato.

No primeiro caso, um gerador separado chamado excitador «B» é usado. Sua bobina de excitação é alimentada por um gerador adicional de acordo com o princípio de excitação paralela, denominado excitador «PV».

Todos os rotores estão localizados em um eixo comum. Portanto, eles giram exatamente da mesma maneira. Os reostatos r1 e r2 são usados ​​para regular as correntes nos circuitos de excitação e amplificador.

Com o método sem contato, não há anéis coletores no rotor. Um enrolamento excitador trifásico é montado diretamente sobre ele. Ele gira em sincronia com o rotor e transmite corrente elétrica contínua através do retificador corrotante diretamente para o enrolamento da excitatriz «B».

Os tipos de circuitos sem contato são:

1. sistema de auto-excitação do enrolamento do próprio estator;

2. esquema automatizado.

No primeiro método, a tensão dos enrolamentos do estator é alimentada ao transformador abaixador e depois ao retificador semicondutor «PP», que gera corrente contínua.

Com este método, a excitação inicial é criada devido ao fenômeno do magnetismo residual.

O esquema automático para criar auto-excitação envolve o uso de:

• transformador de tensão VT;

• regulador de excitação automatizado ATS;

• transformador de corrente TT;

• retificador VT;

• conversor tiristor TP;

• bloco de proteção BZ.

Características de geradores assíncronos

A principal diferença entre esses projetos é a falta de uma relação rígida entre a velocidade do rotor (nr) e a EMF induzida na bobina (n). Há sempre uma diferença entre eles, que se chama "escorregar". É denotado pela letra latina "S" e é expresso pela fórmula S = (n-nr) / n.

Quando a carga é conectada ao gerador, um torque de frenagem é criado para girar o rotor. Afeta a frequência do EMF gerado, cria um deslizamento negativo.

A construção do rotor para geradores assíncronos é feita:

• curto circuito;

• Estágio;

• oco.

Os geradores assíncronos podem ter:

1. excitação independente;

2. auto-excitação.

No primeiro caso, uma fonte externa de tensão CA é usada e, no segundo, conversores de semicondutores ou capacitores são usados ​​no primário, secundário ou em ambos os tipos de circuitos.

Assim, alternadores e geradores de corrente contínua têm muito em comum nos princípios de construção, mas diferem no design de certos elementos.