Bagaimana cara kerja generator AC dan DC?

Istilah "generasi" dalam teknik kelistrikan berasal dari bahasa Latin. Artinya "kelahiran". Mengenai energi, dapat dikatakan bahwa generator adalah perangkat teknis yang menghasilkan listrik.

Dalam hal ini, perlu diperhatikan bahwa arus listrik dapat dihasilkan dengan mengubah berbagai jenis energi, misalnya:

• bahan kimia;

• lampu;

• termal dan lain-lain.

Secara historis, generator adalah struktur yang mengubah energi kinetik rotasi menjadi listrik.

Menurut jenis listrik yang dihasilkan, generator adalah:

1. arus searah;

2. variabel.

Prinsip pengoperasian generator paling sederhana

Hukum fisika yang memungkinkan terciptanya instalasi listrik modern untuk menghasilkan listrik dengan mengubah energi mekanik ditemukan oleh ilmuwan Oersted dan Faraday.

Setiap desain generator berlaku prinsip induksi elektromagnetikketika ada induksi arus listrik dalam rangka tertutup karena perpotongannya dengan medan magnet berputar yang dibuat magnet permanen dalam model yang disederhanakan untuk penggunaan di rumah atau koil eksitasi pada produk industri dengan peningkatan daya.

Saat Anda memutar bezel, besarnya fluks magnet berubah.

Gaya gerak listrik yang diinduksi dalam loop tergantung pada laju perubahan fluks magnet yang menembus loop dalam loop tertutup S dan berbanding lurus dengan nilainya. Semakin cepat rotor berputar, semakin tinggi tegangan yang dihasilkan.

Untuk membuat loop tertutup dan mengalihkan arus listrik darinya, perlu dibuat kolektor dan sikat yang menyediakan kontak konstan antara bingkai yang berputar dan bagian stasioner dari rangkaian.

Karena konstruksi sikat pegas yang ditekan ke pelat pengumpul, arus listrik ditransmisikan ke terminal keluaran dan dari sana diteruskan ke jaringan konsumen.

Prinsip pengoperasian generator DC paling sederhana

Saat bingkai berputar di sekitar sumbu, bagian kiri dan kanannya berputar di sekitar kutub selatan atau utara magnet. Setiap saat di dalamnya terjadi perubahan arah arus ke arah sebaliknya, sehingga di setiap kutubnya mengalir dalam satu arah.

Untuk membuat arus searah di sirkuit keluaran, setengah cincin dibuat di simpul kolektor untuk setiap setengah kumparan. Kuas yang berdekatan dengan cincin menghilangkan potensi hanya dari tandanya: positif atau negatif.

Karena semi-ring dari bingkai berputar terbuka, momen dibuat di dalamnya ketika arus mencapai nilai maksimumnya atau tidak ada. Untuk mempertahankan tidak hanya arah, tetapi juga nilai tegangan yang dihasilkan konstan, bingkai dibuat sesuai dengan teknologi yang disiapkan khusus:

• tidak menggunakan satu kumparan, tetapi beberapa - tergantung pada besarnya tegangan yang direncanakan;

• jumlah frame tidak terbatas pada satu salinan: mereka mencoba membuat jumlah yang cukup untuk mempertahankan penurunan tegangan secara optimal pada level yang sama.

Di generator DC, belitan rotor terletak di slot sirkuit magnetik… Ini memungkinkan untuk mengurangi hilangnya medan elektromagnetik yang diinduksi.

Fitur desain generator DC

Elemen utama perangkat ini adalah:

• bingkai daya eksternal;

• kutub magnet;

• stator;

• rotor berputar;

• ganti blok dengan kuas.

Rangka terbuat dari paduan baja atau besi tuang untuk memberi kekuatan mekanis pada keseluruhan struktur. Tugas tambahan rumahan adalah mentransfer fluks magnet di antara kutub.

Tiang-tiang magnet dipasang pada badan dengan pin atau baut. Sebuah koil dipasang pada mereka.

Stator, juga disebut kuk atau kerangka, terbuat dari bahan feromagnetik. Kumparan kumparan eksitasi ditempatkan di atasnya. Inti stator dilengkapi dengan kutub magnet yang membentuk medan magnetnya.

Rotor memiliki sinonim: jangkar. Inti magnetnya terdiri dari pelat berlapis yang mengurangi pembentukan arus eddy dan meningkatkan efisiensi. Belitan rotor dan/atau eksitasi sendiri diletakkan di saluran inti.

Node switching dengan kuas, dapat memiliki jumlah kutub yang berbeda, tetapi selalu merupakan kelipatan dua. Bahan kuas biasanya grafit. Pelat pengumpul terbuat dari tembaga, sebagai logam paling optimal yang cocok untuk sifat kelistrikan konduksi arus.

Berkat penggunaan sakelar, sinyal berdenyut dihasilkan di terminal keluaran generator DC.

Jenis utama konstruksi generator DC

Menurut jenis catu daya koil eksitasi, perangkat dibedakan:

1. dengan eksitasi diri;

2. beroperasi atas dasar inklusi independen.

Produk pertama dapat:

• gunakan magnet permanen;

• atau beroperasi dari sumber eksternal, misalnya baterai, turbin angin...

Generator yang diaktifkan secara independen beroperasi dari belitannya sendiri, yang dapat dihubungkan:

• berurutan;

• shunt atau eksitasi paralel.

Salah satu opsi untuk koneksi seperti itu ditunjukkan pada diagram.

Contoh generator DC adalah desain yang sering digunakan dalam teknik otomotif di masa lalu. Strukturnya sama dengan motor induksi.

Struktur kolektor semacam itu dapat beroperasi secara bersamaan dalam mode engine atau generator. Karena itu, mereka tersebar luas di kendaraan hybrid yang ada.

Proses pembentukan jangkar

Hal ini terjadi dalam mode diam ketika tekanan sikat tidak diatur dengan benar, menciptakan mode gesekan yang kurang optimal. Ini dapat menyebabkan pengurangan medan magnet atau kebakaran karena peningkatan percikan api.

Cara untuk mengurangi adalah:

• kompensasi medan magnet dengan menghubungkan kutub tambahan;

• penyesuaian offset posisi sikat kolektor.

Keuntungan dari generator DC

Mereka termasuk:

• tanpa kerugian akibat histeresis dan pembentukan arus eddy;

• bekerja dalam kondisi ekstrim;

• mengurangi berat badan dan dimensi kecil.

Prinsip pengoperasian alternator paling sederhana

Di dalam desain ini, detail yang sama digunakan seperti pada analog sebelumnya:

• Medan gaya;

• bingkai berputar;

• blok pengumpul dengan sikat penguras arus.

Perbedaan utama terletak pada desain rakitan kolektor, yang dirancang sedemikian rupa sehingga ketika bingkai berputar melalui sikat, kontak terus-menerus dilakukan dengan separuh bingkai tanpa mengubah posisinya secara siklis.

Oleh karena itu, arus, yang berubah menurut hukum harmonik di setiap bagian, ditransfer sama sekali tidak berubah ke sikat, dan kemudian melaluinya ke sirkuit konsumen.

Secara alami, rangka dibuat dengan melilitkan bukan dari satu putaran, tetapi jumlah yang dihitung untuk mencapai tegangan optimal.

Dengan demikian, prinsip pengoperasian generator DC dan AC adalah umum, dan perbedaan desainnya ada pada produksi:

• perakitan kolektor rotor berputar;

• konfigurasi belitan rotor.

Fitur desain alternator industri

Pertimbangkan bagian utama generator induksi industri di mana rotor menerima gerakan rotasi dari turbin terdekat. Konstruksi stator mencakup elektromagnet (walaupun medan magnet dapat dibuat oleh satu set magnet permanen) dan belitan rotor dengan jumlah putaran tertentu.

Gaya gerak listrik diinduksi di setiap loop, yang ditambahkan secara berurutan di masing-masing loop dan membentuk di terminal keluaran nilai total tegangan yang disuplai ke sirkuit suplai konsumen yang terhubung.

Untuk meningkatkan amplitudo EMF pada output generator, digunakan desain khusus sistem magnetik, terbuat dari dua sirkuit magnetik karena penggunaan grade khusus baja listrik dalam bentuk pelat laminasi dengan saluran. Kumparan dipasang di dalamnya.

Di rumah generator terdapat inti stator dengan saluran untuk menampung kumparan yang menciptakan medan magnet.

Rotor yang berputar pada bantalan juga memiliki sirkuit magnetik berlubang di dalamnya yang dipasang koil yang menerima EMF yang diinduksi. Biasanya, arah horizontal dipilih untuk sumbu rotasi, meskipun ada generator dengan susunan vertikal dan desain bantalan yang sesuai.

Celah selalu dibuat antara stator dan rotor, yang diperlukan untuk memastikan rotasi dan mencegah kemacetan. Tetapi pada saat yang sama, ada kehilangan energi induksi magnetik di dalamnya. Oleh karena itu, mereka berusaha membuatnya sekecil mungkin dengan mempertimbangkan kedua persyaratan tersebut secara optimal.

Terletak di poros yang sama dengan rotor, exciter adalah generator arus searah berdaya relatif rendah. Tujuannya: untuk memasok listrik ke belitan generator listrik dalam keadaan eksitasi independen.

Exciter semacam itu paling sering digunakan dengan desain turbin atau generator hidrolik saat membuat metode eksitasi primer atau cadangan.

Foto generator industri menunjukkan susunan slip ring dan sikat untuk menangkap arus dari struktur rotor yang berputar. Selama pengoperasian, perangkat ini mengalami tekanan mekanis dan listrik yang konstan. Untuk mengatasinya, dibuat struktur yang kompleks, yang selama pengoperasiannya memerlukan pemeriksaan berkala dan tindakan pencegahan.

Untuk mengurangi biaya operasi yang dihasilkan, digunakan teknologi alternatif yang berbeda yang juga menggunakan interaksi antara medan elektromagnetik berputar. Hanya magnet permanen atau listrik yang ditempatkan pada rotor dan tegangan dilepas dari kumparan stasioner.

Saat membuat sirkuit seperti itu, struktur seperti itu dapat disebut istilah «alternator». Ini digunakan dalam generator sinkron: frekuensi tinggi, otomotif, lokomotif dan kapal diesel, instalasi pembangkit listrik untuk produksi listrik.

Karakteristik generator sinkron

Prinsip operasi

Nama dan ciri khas aksi terletak pada penciptaan hubungan yang kaku antara frekuensi gaya gerak listrik bolak-balik yang diinduksi dalam belitan stator «f» dan rotasi rotor.

Belitan tiga fase dipasang di stator, dan pada rotor terdapat elektromagnet dengan inti dan belitan eksitasi yang diumpankan oleh sirkuit DC melalui pengumpul sikat.

Rotor digerakkan ke rotasi oleh sumber energi mekanik - motor penggerak dengan kecepatan yang sama. Medan magnetnya membuat gerakan yang sama.

Gaya gerak listrik dengan besaran yang sama tetapi bergeser 120 derajat ke arah diinduksi dalam belitan stator, menciptakan sistem simetris tiga fase.

Ketika mereka terhubung ke ujung belitan sirkuit konsumen, arus fasa mulai bekerja di sirkuit, yang membentuk medan magnet yang berputar dengan cara yang sama: secara sinkron.

Bentuk sinyal keluaran EMF induksi hanya bergantung pada hukum distribusi vektor induksi magnetik di celah antara kutub rotor dan pelat stator. Oleh karena itu, mereka berusaha membuat desain seperti itu ketika besarnya induksi berubah sesuai dengan hukum sinusoidal.

Ketika celah konstan, vektor aliran di dalam celah adalah trapesium, seperti yang ditunjukkan pada grafik garis 1.

Namun, jika bentuk pinggiran di kutub dikoreksi menjadi miring dengan mengubah celah ke nilai maksimum, maka dimungkinkan untuk mencapai bentuk distribusi sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada baris 2. Teknik ini digunakan dalam praktik.

Sirkuit eksitasi untuk generator sinkron

Gaya gerak magnet yang timbul pada belitan eksitasi rotor «OB» menciptakan medan magnetnya. Untuk ini ada desain exciter DC yang berbeda berdasarkan:

1. cara kontak;

2. metode non-kontak.

Dalam kasus pertama, generator terpisah yang disebut exciter «B» digunakan. Koil eksitasinya ditenagai oleh generator tambahan sesuai dengan prinsip eksitasi paralel, yang disebut eksitasi «PV».

Semua rotor terletak di poros yang sama. Oleh karena itu, mereka berputar dengan cara yang persis sama. Rheostat r1 dan r2 digunakan untuk mengatur arus di sirkuit eksitasi dan amplifier.

Dengan metode non-kontak, tidak ada slip ring pada rotor. Belitan exciter tiga fase dipasang langsung di atasnya. Ini berputar secara sinkron dengan rotor dan mentransmisikan arus searah listrik melalui penyearah co-rotating langsung ke gulungan exciter «B».

Jenis sirkuit tanpa kontak adalah:

1. sistem eksitasi sendiri dari belitan stator sendiri;

2. skema otomatis.

Pada metode pertama, tegangan dari belitan stator diumpankan ke transformator step-down, dan kemudian ke penyearah semikonduktor «PP», yang menghasilkan arus searah.

Dengan metode ini, eksitasi awal tercipta akibat fenomena magnet sisa.

Skema otomatis untuk menciptakan eksitasi diri melibatkan penggunaan:

• transformator tegangan VT;

• regulator eksitasi otomatis ATS;

• TT trafo arus;

• penyearah VT;

• TP konverter thyristor;

• blok perlindungan BZ.

Karakteristik generator asinkron

Perbedaan utama antara desain ini adalah kurangnya hubungan yang kaku antara kecepatan rotor (nr) dan EMF yang diinduksi dalam koil (n). Selalu ada perbedaan di antara keduanya, yang disebut “slip”. Itu dilambangkan dengan huruf Latin "S" dan dinyatakan dengan rumus S = (n-nr) / n.

Saat beban dihubungkan ke generator, torsi pengereman dibuat untuk memutar rotor. Ini memengaruhi frekuensi EMF yang dihasilkan, menciptakan slip negatif.

Konstruksi rotor untuk generator asinkron dibuat:

• korsleting;

• fase;

• kosong.

Generator asinkron dapat memiliki:

1. kegembiraan mandiri;

2. eksitasi diri.

Dalam kasus pertama, sumber tegangan AC eksternal digunakan, dan yang kedua, konverter atau kapasitor semikonduktor digunakan di sirkuit primer, sekunder, atau kedua jenis.

Dengan demikian, alternator dan generator arus searah memiliki banyak kesamaan dalam prinsip konstruksi, tetapi berbeda dalam desain elemen tertentu.