เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC และ DC ทำงานอย่างไร

คำว่า "รุ่น" ในวิศวกรรมไฟฟ้ามาจากภาษาละติน แปลว่า "เกิด" เกี่ยวกับพลังงาน เราสามารถพูดได้ว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ทางเทคนิคที่ผลิตกระแสไฟฟ้า

ในกรณีนี้ ควรสังเกตว่ากระแสไฟฟ้าสามารถผลิตได้โดยการแปลงพลังงานประเภทต่างๆ เช่น

• เคมี;

• แสงสว่าง;

• ความร้อนและอื่น ๆ

ในอดีต เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นโครงสร้างที่แปลงพลังงานจลน์ของการหมุนเป็นไฟฟ้า

ตามประเภทของไฟฟ้าที่ผลิต เครื่องกำเนิดไฟฟ้าคือ:

1. ไฟฟ้ากระแสตรง

2. ตัวแปร

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ง่ายที่สุด

นักวิทยาศาสตร์ Oersted และ Faraday ค้นพบกฎทางกายภาพที่ทำให้สามารถสร้างการติดตั้งระบบไฟฟ้าที่ทันสมัยเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนพลังงานกล

ใช้การออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใด ๆ หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อมีการเหนี่ยวนำของกระแสไฟฟ้าในกรอบปิดเนื่องจากจุดตัดกับสนามแม่เหล็กหมุนที่ถูกสร้างขึ้น แม่เหล็กถาวร ในรุ่นที่เรียบง่ายสำหรับใช้ในบ้านหรือคอยล์กระตุ้นสำหรับผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่มีกำลังเพิ่มขึ้น

เมื่อคุณหมุนกรอบ ขนาดของฟลักซ์แม่เหล็กจะเปลี่ยนไป

แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในลูปขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ทะลุผ่านลูปในลูปปิด S และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าของมัน ยิ่งโรเตอร์หมุนเร็วเท่าใด แรงดันไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

ในการสร้างวงปิดและเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าจากมันจำเป็นต้องสร้างตัวสะสมและแปรงที่ให้การสัมผัสคงที่ระหว่างเฟรมหมุนและส่วนที่อยู่กับที่ของวงจร

เนื่องจากการสร้างแปรงสปริงกดทับแผ่นสะสม กระแสไฟฟ้าจึงถูกส่งไปยังขั้วเอาต์พุตและจากนั้นจะผ่านไปยังเครือข่ายของผู้บริโภค

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่ง่ายที่สุด

เมื่อกรอบหมุนรอบแกน ครึ่งซ้ายและขวาจะวนรอบขั้วใต้หรือขั้วเหนือของแม่เหล็ก แต่ละครั้งมีการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของกระแสในทางกลับกันเพื่อให้แต่ละขั้วไหลไปในทิศทางเดียว

ในการสร้างกระแสตรงในวงจรเอาท์พุต วงแหวนครึ่งวงกลมจะถูกสร้างขึ้นที่โหนดตัวสะสมสำหรับแต่ละครึ่งของขดลวด แปรงที่อยู่ติดกับวงแหวนจะขจัดศักยภาพของเครื่องหมายเท่านั้น: บวกหรือลบ

เนื่องจากกึ่งวงแหวนของเฟรมหมุนเปิดอยู่ ช่วงเวลาจะถูกสร้างขึ้นเมื่อกระแสถึงค่าสูงสุดหรือขาดหายไป เพื่อรักษาทิศทางไม่เพียง แต่ค่าคงที่ของแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเฟรมจะถูกสร้างขึ้นตามเทคโนโลยีที่เตรียมไว้เป็นพิเศษ:

• มันไม่ใช้คอยล์เดียว แต่หลายอัน - ขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่วางแผนไว้

• จำนวนเฟรมไม่ จำกัด อยู่ที่หนึ่งสำเนา: พวกเขาพยายามสร้างจำนวนที่เพียงพอเพื่อรักษาแรงดันไฟตกในระดับเดียวกันอย่างเหมาะสม

ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ขดลวดโรเตอร์อยู่ในช่อง วงจรแม่เหล็ก… สิ่งนี้ช่วยลดการสูญเสียของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ

คุณสมบัติการออกแบบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

องค์ประกอบหลักของอุปกรณ์คือ:

• กรอบพลังงานภายนอก

• ขั้วแม่เหล็ก

• สเตเตอร์;

• โรเตอร์หมุน

• สลับบล็อกด้วยแปรง

โครงทำจากโลหะผสมเหล็กหรือเหล็กหล่อเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลให้กับโครงสร้างโดยรวม งานเพิ่มเติมของตัวเรือนคือการถ่ายโอนฟลักซ์แม่เหล็กระหว่างขั้ว

ขั้วแม่เหล็กติดกับร่างกายด้วยหมุดหรือสลักเกลียว มีขดลวดติดตั้งอยู่

สเตเตอร์หรือที่เรียกว่าแอกหรือโครงกระดูกทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก ขดลวดของขดลวดกระตุ้นวางอยู่บนนั้น แกนสเตเตอร์ที่มีขั้วแม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็ก

Rotor มีความหมายเหมือน: สมอ แกนแม่เหล็กประกอบด้วยแผ่นเคลือบที่ช่วยลดการก่อตัวของกระแสน้ำวนและเพิ่มประสิทธิภาพ โรเตอร์และ/หรือขดลวดกระตุ้นตัวเองถูกวางในช่องหลัก

โหนดสวิตชิ่งที่มีแปรงสามารถมีจำนวนขั้วต่างกันได้ แต่จะเป็นสองขั้วเสมอ วัสดุแปรงมักเป็นกราไฟต์ แผ่นสะสมทำจากทองแดง ซึ่งเป็นโลหะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของการนำกระแสไฟฟ้า

ด้วยการใช้สวิตช์ สัญญาณการเต้นจะถูกสร้างขึ้นที่ขั้วเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

ประเภทหลักของการก่อสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

ตามประเภทของแหล่งจ่ายไฟของขดลวดกระตุ้น อุปกรณ์จะแตกต่างกัน:

1. ด้วยการกระตุ้นตนเอง

2. การดำเนินงานบนพื้นฐานของการรวมเข้าด้วยกันโดยอิสระ

ผลิตภัณฑ์แรกสามารถ:

• ใช้แม่เหล็กถาวร

• หรือสั่งงานจากแหล่งภายนอก เช่น แบตเตอรี่ กังหันลม...

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสวิตช์อิสระทำงานจากขดลวดของตัวเอง ซึ่งสามารถเชื่อมต่อได้:

• ตามลำดับ;

• shunts หรือการกระตุ้นแบบขนาน

หนึ่งในตัวเลือกสำหรับการเชื่อมต่อดังกล่าวแสดงในแผนภาพ

ตัวอย่างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นการออกแบบที่มักใช้ในวิศวกรรมยานยนต์ในอดีต โครงสร้างเหมือนกับมอเตอร์เหนี่ยวนำ

โครงสร้างตัวสะสมดังกล่าวสามารถทำงานพร้อมกันในโหมดเครื่องยนต์หรือเจนเนอเรเตอร์ ด้วยเหตุนี้จึงแพร่หลายในรถยนต์ไฮบริดที่มีอยู่

กระบวนการสร้างสมอ

สิ่งนี้จะเกิดขึ้นในโหมดเดินเบาเมื่อปรับแรงกดแปรงไม่ถูกต้อง ทำให้เกิดโหมดแรงเสียดทานที่ต่ำกว่ามาตรฐาน สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การลดลงของสนามแม่เหล็กหรือไฟไหม้เนื่องจากประกายไฟที่เพิ่มขึ้น

วิธีลดมีดังนี้

• การชดเชยสนามแม่เหล็กโดยการเชื่อมต่อเสาเพิ่มเติม

• การปรับชดเชยตำแหน่งของแปรงสะสม

ข้อดีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

พวกเขารวมถึง:

• โดยไม่มีการสูญเสียเนื่องจากฮิสเทรีซิสและการก่อตัวของกระแสวน

• ทำงานในสภาวะที่รุนแรง

• น้ำหนักที่ลดลงและขนาดที่เล็กลง

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ง่ายที่สุด

ภายในการออกแบบนี้ มีการใช้รายละเอียดเดียวกันกับในอะนาล็อกก่อนหน้า:

• สนามแม่เหล็ก;

• กรอบหมุน

• บล็อกตัวสะสมพร้อมแปรงเดรนปัจจุบัน

ความแตกต่างหลักอยู่ที่การออกแบบชุดสะสมซึ่งได้รับการออกแบบให้เมื่อเฟรมหมุนผ่านแปรง จะมีการสัมผัสอย่างต่อเนื่องกับครึ่งหนึ่งของเฟรมโดยไม่เปลี่ยนตำแหน่งเป็นวงจร

ดังนั้นกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามกฎของฮาร์มอนิกในแต่ละครึ่งจึงถูกถ่ายโอนไปยังแปรงโดยไม่เปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์จากนั้นจึงผ่านไปยังวงจรผู้บริโภค

โดยธรรมชาติแล้วเฟรมถูกสร้างขึ้นโดยการม้วนไม่ใช่จากเทิร์นเดียว แต่เป็นจำนวนที่คำนวณได้เพื่อให้ได้แรงดึงที่เหมาะสมที่สุด

ดังนั้น หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับจึงเป็นเรื่องธรรมดา และความแตกต่างของการออกแบบอยู่ที่การผลิต:

• ชุดสะสมโรเตอร์หมุน

• การกำหนดค่าการพันของโรเตอร์

คุณสมบัติการออกแบบของกระแสสลับอุตสาหกรรม

พิจารณาชิ้นส่วนหลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำทางอุตสาหกรรมซึ่งโรเตอร์รับการเคลื่อนที่แบบหมุนจากกังหันที่อยู่ใกล้เคียง โครงสร้างสเตเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (แม้ว่าชุดของแม่เหล็กถาวรจะสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้) และโรเตอร์ที่ม้วนด้วยจำนวนรอบที่แน่นอน

แรงเคลื่อนไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำในแต่ละลูปซึ่งจะถูกเพิ่มอย่างต่อเนื่องในแต่ละลูปและสร้างมูลค่ารวมของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับวงจรจ่ายของผู้บริโภคที่เชื่อมต่อที่ขั้วเอาต์พุต

เพื่อเพิ่มแอมพลิจูดของ EMF ที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มีการใช้การออกแบบพิเศษของระบบแม่เหล็กซึ่งทำจากวงจรแม่เหล็กสองวงจรเนื่องจากการใช้เหล็กไฟฟ้าเกรดพิเศษในรูปแบบของแผ่นเคลือบที่มีช่อง มีการติดตั้งคอยส์อยู่ภายใน

ในตัวเรือนเครื่องกำเนิดมีแกนสเตเตอร์พร้อมช่องเพื่อรองรับขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็ก

โรเตอร์ที่หมุนบนตลับลูกปืนยังมีวงจรแม่เหล็กแบบ slotted ซึ่งติดตั้งขดลวดที่รับ EMF เหนี่ยวนำ โดยปกติแล้วทิศทางแนวนอนจะถูกเลือกสำหรับแกนการหมุนแม้ว่าจะมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีการจัดเรียงตามแนวตั้งและการออกแบบตลับลูกปืนที่สอดคล้องกัน

มีการสร้างช่องว่างระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์เสมอ ซึ่งจำเป็นต่อการหมุนและป้องกันการติดขัด แต่ในขณะเดียวกันก็มีการสูญเสียพลังงานการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไปด้วย ดังนั้นพวกเขาจึงพยายามทำให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยคำนึงถึงข้อกำหนดทั้งสองอย่างอย่างเหมาะสมที่สุด

ตั้งอยู่บนเพลาเดียวกับโรเตอร์ ตัวกระตุ้นเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงกำลังค่อนข้างต่ำ วัตถุประสงค์: เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในสภาวะกระตุ้นอิสระ

ตัวกระตุ้นดังกล่าวมักใช้กับการออกแบบกังหันหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไฮดรอลิกเมื่อสร้างวิธีการกระตุ้นหลักหรือสำรอง

ภาพถ่ายเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอุตสาหกรรมแสดงการจัดเรียงของแหวนสลิปและแปรงเพื่อจับกระแสจากโครงสร้างโรเตอร์ที่กำลังหมุน ระหว่างการทำงาน อุปกรณ์นี้ต้องรับแรงกดทางกลและทางไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง เพื่อเอาชนะพวกเขาโครงสร้างที่ซับซ้อนจะถูกสร้างขึ้นซึ่งระหว่างการดำเนินการต้องมีการตรวจสอบเป็นระยะและมาตรการป้องกัน

เพื่อลดต้นทุนการดำเนินงานที่เกิดขึ้น จึงใช้เทคโนโลยีทางเลือกที่แตกต่างซึ่งใช้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนด้วย เฉพาะแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้นที่วางอยู่บนโรเตอร์และแรงดันไฟฟ้าจะถูกลบออกจากขดลวดที่อยู่นิ่ง

เมื่อสร้างวงจรโครงสร้างดังกล่าวสามารถเรียกว่าคำว่า «อัลเทอร์เนเตอร์» มันถูกใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส: ความถี่สูง, ยานยนต์, หัวรถจักรดีเซลและเรือ, การติดตั้งโรงไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ลักษณะเฉพาะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส

หลักการทำงาน

ชื่อและคุณสมบัติที่โดดเด่นของการกระทำนั้นอยู่ที่การสร้างการเชื่อมต่อที่เข้มงวดระหว่างความถี่ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับที่เกิดขึ้นในขดลวดสเตเตอร์ «f» และการหมุนของโรเตอร์

ขดลวดสามเฟสติดตั้งอยู่ในสเตเตอร์ และบนโรเตอร์มีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแกนกลางและขดลวดที่น่าตื่นเต้นที่ป้อนโดยวงจร DC ผ่านตัวรวบรวมแปรง

โรเตอร์ถูกขับเคลื่อนให้หมุนโดยแหล่งพลังงานกล — มอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยความเร็วเท่ากัน สนามแม่เหล็กของมันทำให้การเคลื่อนที่เหมือนกัน

แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่มีขนาดเท่ากันแต่เปลี่ยนทิศทางไป 120 องศาถูกเหนี่ยวนำในขดลวดสเตเตอร์ ทำให้เกิดระบบสมมาตรสามเฟส

เมื่อเชื่อมต่อกับปลายขดลวดของวงจรผู้บริโภคกระแสเฟสจะเริ่มทำงานในวงจรซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนในลักษณะเดียวกัน: พร้อมกัน

รูปแบบของสัญญาณเอาท์พุตของ EMF ที่เหนี่ยวนำจะขึ้นอยู่กับกฎการกระจายของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในช่องว่างระหว่างขั้วโรเตอร์และแผ่นสเตเตอร์เท่านั้น ดังนั้นพวกเขาจึงพยายามสร้างการออกแบบดังกล่าวเมื่อขนาดของการเหนี่ยวนำเปลี่ยนไปตามกฎหมายไซน์

เมื่อช่องว่างคงที่ เวกเตอร์การไหลภายในช่องว่างจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู ดังที่แสดงในกราฟเส้น 1

อย่างไรก็ตาม หากรูปร่างของขอบเสาถูกแก้ไขให้เบ้โดยเปลี่ยนช่องว่างเป็นค่าสูงสุด ก็จะได้รูปทรงไซน์ของการกระจายตามที่แสดงในบรรทัดที่ 2 เทคนิคนี้ใช้ในทางปฏิบัติ

วงจรกระตุ้นสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส

แรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นบนขดลวดกระตุ้นของโรเตอร์ «OB» สร้างสนามแม่เหล็กของมัน สำหรับสิ่งนี้มีการออกแบบตัวกระตุ้น DC ที่แตกต่างกันตาม:

1. วิธีการติดต่อ

2. วิธีการแบบไม่สัมผัส

ในกรณีแรกจะใช้ตัวสร้างแยกต่างหากที่เรียกว่าตัวกระตุ้น «B» ขดลวดกระตุ้นได้รับพลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มเติมตามหลักการของการกระตุ้นแบบขนานที่เรียกว่า "PV" ตัวกระตุ้น

โรเตอร์ทั้งหมดอยู่บนเพลาร่วม ดังนั้นจึงหมุนในลักษณะเดียวกันทุกประการ รีโอสแตท r1 และ r2 ใช้เพื่อควบคุมกระแสในวงจรกระตุ้นและวงจรขยาย

ด้วยวิธีการแบบไม่สัมผัส จึงไม่มีสลิปริงบนโรเตอร์ มีการติดตั้งขดลวดกระตุ้นสามเฟสโดยตรง มันหมุนพร้อมกันกับโรเตอร์และส่งกระแสไฟฟ้าตรงผ่านวงจรเรียงกระแสแบบหมุนร่วมโดยตรงไปยังขดลวดกระตุ้น «B»

ประเภทของวงจรไร้สัมผัสคือ:

1. ระบบกระตุ้นตัวเองจากขดลวดของสเตเตอร์

2. รูปแบบอัตโนมัติ

ในวิธีแรก แรงดันไฟฟ้าจากขดลวดสเตเตอร์จะถูกส่งไปยังหม้อแปลงไฟฟ้าแบบสเต็ปดาวน์ จากนั้นไปยังวงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์ «PP» ซึ่งสร้างกระแสตรง

ด้วยวิธีนี้ การกระตุ้นเริ่มต้นจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์แม่เหล็กตกค้าง

รูปแบบอัตโนมัติสำหรับการสร้างการกระตุ้นตนเองเกี่ยวข้องกับการใช้:

• หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า VT;

• เครื่องควบคุมการกระตุ้นอัตโนมัติ ATS;

• หม้อแปลงกระแส TT;

• วงจรเรียงกระแส VT;

• ตัวแปลงไทริสเตอร์ TP;

• บล็อกป้องกัน BZ

ลักษณะเฉพาะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการออกแบบเหล่านี้คือการขาดความสัมพันธ์ที่เข้มงวดระหว่างความเร็วของโรเตอร์ (nr) และ EMF ที่เกิดขึ้นในขดลวด (n) มีความแตกต่างระหว่างพวกเขาเสมอซึ่งเรียกว่า "ลื่น" มันแสดงด้วยตัวอักษรละติน "S" และแสดงโดยสูตร S = (n-nr) / n

เมื่อโหลดเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แรงบิดในการเบรกจะถูกสร้างขึ้นเพื่อหมุนโรเตอร์ มีผลต่อความถี่ของ EMF ที่สร้างขึ้น สร้างสลิปเชิงลบ

การสร้างโรเตอร์สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสนั้นทำขึ้น:

• ไฟฟ้าลัดวงจร;

• เฟส;

• กลวง.

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสสามารถมี:

1. ความตื่นเต้นอิสระ

2. การกระตุ้นตนเอง

ในกรณีแรก จะใช้แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับภายนอก และในกรณีที่สอง จะใช้ตัวแปลงเซมิคอนดักเตอร์หรือตัวเก็บประจุในวงจรหลัก วงจรทุติยภูมิ หรือทั้งสองประเภท

ดังนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจึงมีหลักการที่เหมือนกันมากในการก่อสร้าง แต่แตกต่างกันในการออกแบบองค์ประกอบบางอย่าง