Máy phát điện AC và DC hoạt động như thế nào?

Thuật ngữ "thế hệ" trong kỹ thuật điện có nguồn gốc từ tiếng Latinh. Nó có nghĩa là "sinh". Về năng lượng, có thể nói máy phát điện là thiết bị kỹ thuật tạo ra điện năng.

Trong trường hợp này, cần lưu ý rằng dòng điện có thể được tạo ra bằng cách biến đổi các dạng năng lượng khác nhau, ví dụ:

• hóa chất;

• ánh sáng;

• nhiệt và những người khác.

Về mặt lịch sử, máy phát điện là cơ cấu biến đổi động năng của chuyển động quay thành điện năng.

Theo loại điện được tạo ra, các máy phát điện là:

1. dòng điện một chiều;

2. biến.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đơn giản nhất

Các quy luật vật lý cho phép tạo ra các hệ thống điện hiện đại để tạo ra điện bằng cách biến đổi năng lượng cơ học đã được các nhà khoa học Oersted và Faraday phát hiện ra.

Bất kỳ thiết kế máy phát điện áp dụng nguyên lý cảm ứng điện từkhi có dòng điện cảm ứng trong khung kín do giao tuyến của nó với từ trường quay mà sinh ra nam châm vĩnh cửu trong các mô hình đơn giản hóa để sử dụng tại nhà hoặc cuộn dây kích thích trên các sản phẩm công nghiệp có công suất tăng.

Khi bạn xoay vòng bezel, độ lớn của từ thông sẽ thay đổi.

Suất điện động cảm ứng trong vòng dây phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua vòng dây trong một vòng kín S và tỉ lệ thuận với giá trị của nó. Rôto quay càng nhanh thì điện áp tạo ra càng cao.

Để tạo ra một vòng kín và chuyển hướng dòng điện khỏi nó, cần phải tạo một bộ thu và một chổi than cung cấp sự tiếp xúc liên tục giữa khung quay và phần đứng yên của mạch.

Do cấu tạo của các chổi lò xo ép vào các tấm thu nhiệt, dòng điện được truyền đến các đầu ra và từ chúng đi đến mạng của người tiêu dùng.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều đơn giản nhất

Khi khung quay quanh trục, nửa bên trái và bên phải của nó quay quanh cực nam hoặc cực bắc của nam châm. Mỗi lần trong chúng có sự thay đổi hướng của dòng điện ngược lại, do đó ở mỗi cực chúng chảy theo một hướng.

Để tạo dòng điện một chiều trong mạch đầu ra, một nửa vòng được tạo tại nút thu cho mỗi nửa cuộn dây. Các bàn chải liền kề với chiếc nhẫn chỉ loại bỏ tiềm năng của dấu hiệu của chúng: tích cực hoặc tiêu cực.

Vì nửa vòng của khung quay đang mở, nên các khoảnh khắc được tạo ra trong đó khi dòng điện đạt giá trị cực đại hoặc không có. Để duy trì không chỉ hướng mà còn cả giá trị không đổi của điện áp được tạo ra, khung được chế tạo theo công nghệ được chuẩn bị đặc biệt:

• nó không sử dụng một cuộn dây mà là nhiều cuộn dây - tùy thuộc vào cường độ của điện áp dự kiến;

• số lượng khung hình không giới hạn trong một bản sao: họ cố gắng tạo đủ số lượng để duy trì mức giảm điện áp ở cùng mức một cách tối ưu.

Trong máy phát điện một chiều, các cuộn dây rôto được đặt trong các rãnh mạch từ… Điều này cho phép giảm tổn thất của trường điện từ cảm ứng.

Đặc điểm thiết kế của máy phát điện một chiều

Các yếu tố chính của thiết bị là:

• khung điện bên ngoài;

• cực từ;

• stato;

• rôto quay;

• khối chuyển đổi với bàn chải.

Khung làm bằng hợp kim thép hoặc gang để tạo độ bền cơ học cho cấu trúc tổng thể. Một nhiệm vụ bổ sung của vỏ là truyền từ thông giữa các cực.

Các cực của nam châm được gắn vào thân bằng chốt hoặc bu lông. Một cuộn dây được gắn trên chúng.

Stator, còn được gọi là ách hoặc bộ xương, được làm bằng vật liệu sắt từ. Cuộn dây của cuộn kích thích được đặt trên nó. Lõi stato được trang bị các cực từ tạo thành từ trường của nó.

Rotor có một từ đồng nghĩa: neo. Lõi từ của nó bao gồm các tấm nhiều lớp giúp giảm sự hình thành dòng điện xoáy và tăng hiệu suất. Rôto và/hoặc cuộn dây tự kích thích được đặt trong các kênh lõi.

Một nút chuyển mạch có bàn chải, nó có thể có số lượng cực khác nhau, nhưng luôn là bội số của hai. Chất liệu bàn chải thường là than chì. Các tấm thu nhiệt được làm bằng đồng, là kim loại tối ưu nhất phù hợp với các đặc tính điện của dòng điện.

Nhờ sử dụng công tắc, tín hiệu dao động được tạo ra ở các đầu ra của máy phát điện một chiều.

Các loại cấu tạo chính của máy phát điện một chiều

Theo loại nguồn điện của cuộn dây kích thích, các thiết bị được phân biệt:

1. với tự kích thích;

2. hoạt động trên cơ sở độc lập hòa nhập.

Các sản phẩm đầu tiên có thể:

• sử dụng nam châm vĩnh cửu;

• hoặc vận hành từ các nguồn bên ngoài, ví dụ như pin, tua-bin gió...

Máy phát điện chuyển đổi độc lập hoạt động từ cuộn dây riêng của chúng, có thể được kết nối:

• tuần tự;

• shunt hoặc kích thích song song.

Một trong các tùy chọn cho kết nối như vậy được hiển thị trong sơ đồ.

Một ví dụ về máy phát điện một chiều là một thiết kế thường được sử dụng trong kỹ thuật ô tô trước đây. Cấu trúc của nó giống như cấu trúc của động cơ cảm ứng.

Các cấu trúc bộ thu như vậy có thể hoạt động đồng thời ở chế độ động cơ hoặc máy phát. Vì điều này, chúng đã trở nên phổ biến trong các loại xe hybrid hiện có.

quá trình hình thành neo

Điều này xảy ra ở chế độ không tải khi áp suất chổi than được điều chỉnh không chính xác, tạo ra chế độ ma sát dưới mức tối ưu. Điều này có thể dẫn đến giảm từ trường hoặc hỏa hoạn do tăng tia lửa điện.

Các cách giảm là:

• bù từ trường bằng cách kết nối các cực bổ sung;

• điều chỉnh độ lệch của vị trí của bàn chải thu.

Ưu điểm của máy phát điện một chiều

Chúng bao gồm:

• không có tổn thất do hiện tượng trễ và sự hình thành dòng điện xoáy;

• làm việc trong điều kiện khắc nghiệt;

• giảm trọng lượng và kích thước nhỏ.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đơn giản nhất

Bên trong thiết kế này, các chi tiết tương tự được sử dụng như trong thiết bị tương tự trước đó:

• từ trường;

• khung quay;

• khối thu gom với bàn chải thoát nước hiện tại.

Sự khác biệt chính nằm ở thiết kế của cụm thu, được thiết kế sao cho khi khung quay qua các chổi, tiếp xúc liên tục với một nửa khung mà không thay đổi vị trí của chúng theo chu kỳ.

Do đó, dòng điện thay đổi theo quy luật sóng hài trong mỗi nửa được truyền hoàn toàn không thay đổi đến chổi than, sau đó qua chúng đến mạch tiêu dùng.

Đương nhiên, khung được tạo ra bằng cách cuộn không phải từ một lượt mà theo số lượng đã tính toán của chúng để đạt được lực căng tối ưu.

Do đó, nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một chiều và xoay chiều là phổ biến và sự khác biệt về thiết kế là trong quá trình sản xuất:

• cụm thu rôto quay;

• cấu hình cuộn dây rôto.

Đặc điểm thiết kế của máy phát điện công nghiệp

Hãy xem xét các bộ phận chính của máy phát điện cảm ứng công nghiệp trong đó rôto nhận chuyển động quay từ một tuabin gần đó. Cấu tạo của stato bao gồm một nam châm điện (mặc dù từ trường có thể được tạo ra bởi một bộ nam châm vĩnh cửu) và một cuộn dây rôto với một số vòng nhất định.

Một suất điện động được tạo ra trong mỗi vòng lặp, được thêm liên tiếp vào mỗi vòng và hình thành ở các đầu ra tổng giá trị điện áp cung cấp cho mạch cung cấp của người tiêu dùng được kết nối.

Để tăng biên độ của EMF ở đầu ra của máy phát, một thiết kế đặc biệt của hệ thống từ tính được tạo thành từ hai mạch từ do sử dụng các loại thép điện đặc biệt ở dạng tấm nhiều lớp có kênh. Cuộn dây được cài đặt bên trong chúng.

Trong vỏ máy phát có lõi stato với các rãnh để chứa cuộn dây tạo ra từ trường.

Rôto quay trên các ổ trục cũng có một mạch từ có rãnh bên trong được gắn một cuộn dây nhận EMF cảm ứng. Thông thường, hướng nằm ngang được chọn cho trục quay, mặc dù có những máy phát điện có bố trí thẳng đứng và thiết kế vòng bi tương ứng.

Giữa stato và rôto luôn tạo ra một khe hở cần thiết để đảm bảo quay và tránh kẹt. Nhưng đồng thời, năng lượng cảm ứng từ trong nó bị mất đi. Do đó, họ cố gắng làm cho nó nhỏ nhất có thể, có tính đến cả hai yêu cầu một cách tối ưu.

Nằm trên cùng một trục với rôto, máy kích thích là một máy phát điện một chiều công suất tương đối thấp. Mục đích của nó: cung cấp điện cho các cuộn dây của máy phát điện ở trạng thái kích thích độc lập.

Các bộ kích thích như vậy thường được sử dụng nhiều nhất với các thiết kế tuabin hoặc máy phát thủy lực khi tạo phương pháp kích thích chính hoặc dự phòng.

Ảnh chụp máy phát điện công nghiệp cho thấy sự sắp xếp của các vòng trượt và chổi than để thu dòng điện từ cấu trúc rôto quay. Trong quá trình hoạt động, thiết bị này phải chịu áp lực cơ học và điện liên tục. Để khắc phục chúng, một cấu trúc phức tạp được tạo ra, trong quá trình vận hành cần kiểm tra định kỳ và các biện pháp phòng ngừa.

Để giảm chi phí vận hành được tạo ra, một công nghệ thay thế khác được sử dụng cũng sử dụng sự tương tác giữa các trường điện từ quay. Chỉ có nam châm vĩnh cửu hoặc điện được đặt trên rôto và điện áp được loại bỏ khỏi cuộn dây đứng yên.

Khi tạo một mạch như vậy, cấu trúc như vậy có thể được gọi là thuật ngữ «máy phát điện». Nó được sử dụng trong các máy phát điện đồng bộ: tần số cao, ô tô, đầu máy và tàu diesel, lắp đặt nhà máy điện để sản xuất điện.

Đặc điểm của máy phát điện đồng bộ

nguyên lý hoạt động

Tên và tính năng đặc biệt của hành động nằm ở việc tạo ra một kết nối cứng nhắc giữa tần số của lực điện động xoay chiều gây ra trong cuộn dây stato «f» và chuyển động quay của rôto.

Một cuộn dây ba pha được gắn trong stato và trên rôto có một nam châm điện có lõi và một cuộn dây kích thích được cung cấp bởi các mạch điện một chiều thông qua bộ thu chổi than.

Rôto được điều khiển quay bằng một nguồn năng lượng cơ học — một động cơ truyền động ở cùng tốc độ. Từ trường của nó tạo ra cùng một chuyển động.

Các lực điện động có cùng độ lớn nhưng dịch chuyển 120 độ theo hướng được cảm ứng trong cuộn dây stato, tạo ra một hệ thống ba pha đối xứng.

Khi chúng được kết nối với các đầu cuộn dây của mạch tiêu dùng, dòng điện pha bắt đầu hoạt động trong mạch, tạo thành từ trường quay theo cùng một cách: đồng bộ.

Dạng tín hiệu đầu ra của EMF cảm ứng chỉ phụ thuộc vào quy luật phân bố của vectơ cảm ứng từ trong khe hở giữa các cực rôto và các tấm stato. Do đó, họ tìm cách tạo ra một thiết kế như vậy khi độ lớn của cảm ứng thay đổi theo quy luật hình sin.

Khi khe hở không đổi, vectơ dòng chảy bên trong khe hở có dạng hình thang, như thể hiện trong biểu đồ đường 1.

Tuy nhiên, nếu hình dạng của các vân ở các cực được sửa chữa bị lệch bằng cách thay đổi khoảng cách thành giá trị lớn nhất, thì có thể đạt được hình dạng phân bố hình sin như thể hiện trong dòng 2. Kỹ thuật này được sử dụng trong thực tế.

Mạch kích từ máy phát điện đồng bộ

Lực từ phát sinh trên cuộn dây kích thích của rôto «OB» tạo ra từ trường của nó. Đối với điều này, có các thiết kế bộ kích thích DC khác nhau dựa trên:

1. phương thức liên hệ;

2. phương pháp không tiếp xúc.

Trong trường hợp đầu tiên, một máy phát điện riêng gọi là máy kích thích «B» được sử dụng. Cuộn dây kích thích của nó được cung cấp bởi một máy phát điện bổ sung theo nguyên tắc kích thích song song, được gọi là máy kích thích «PV».

Tất cả các cánh quạt được đặt trên một trục chung. Do đó, chúng xoay theo cùng một cách. Biến trở r1 và r2 được sử dụng để điều chỉnh dòng điện trong mạch kích thích và mạch khuếch đại.

Với phương pháp không tiếp xúc, không có vòng trượt trên rôto. Một cuộn dây kích thích ba pha được gắn trực tiếp trên nó. Nó quay đồng bộ với rôto và truyền dòng điện trực tiếp qua bộ chỉnh lưu đồng quay trực tiếp đến cuộn dây kích thích «B».

Các loại mạch không tiếp xúc là:

1. hệ thống tự kích thích từ cuộn dây riêng của stato;

2. sơ đồ tự động.

Trong phương pháp đầu tiên, điện áp từ cuộn dây stato được đưa đến máy biến áp giảm áp, sau đó đến bộ chỉnh lưu bán dẫn «PP», tạo ra dòng điện một chiều.

Với phương pháp này, kích thích ban đầu được tạo ra do hiện tượng từ dư.

Sơ đồ tự động tạo tự kích thích liên quan đến việc sử dụng:

• máy biến điện áp VT;

• bộ điều chỉnh kích thích tự động ATS;

• biến dòng điện TT;

• chỉnh lưu VT;

• bộ chuyển đổi thyristor TP;

• khối bảo vệ BZ.

Đặc điểm của máy phát điện không đồng bộ

Sự khác biệt chính giữa các thiết kế này là thiếu mối quan hệ cứng nhắc giữa tốc độ rôto (nr) và EMF gây ra trong cuộn dây (n). Luôn có một sự khác biệt giữa chúng, được gọi là "trượt". Nó được ký hiệu bằng chữ cái Latinh "S" và được biểu thị bằng công thức S = (n-nr) / n.

Khi tải được kết nối với máy phát điện, một mô-men xoắn hãm được tạo ra để quay rôto. Nó ảnh hưởng đến tần số của EMF được tạo, tạo ra độ trượt âm.

Việc xây dựng rôto cho máy phát điện không đồng bộ được thực hiện:

• ngắn mạch;

• giai đoạn;

• rỗng tuếch.

Máy phát điện không đồng bộ có thể có:

1. hứng thú độc lập;

2. tự kích thích.

Trong trường hợp đầu tiên, nguồn điện áp xoay chiều bên ngoài được sử dụng và trong trường hợp thứ hai, bộ chuyển đổi bán dẫn hoặc tụ điện được sử dụng trong sơ cấp, thứ cấp hoặc cả hai loại mạch.

Do đó, máy phát điện xoay chiều và máy phát điện một chiều có nhiều điểm chung về nguyên tắc cấu tạo, nhưng khác nhau về thiết kế của một số bộ phận.