Quelles sont les pièces principales d'un groupe électrogène ? Alternateur: appareil, principe de fonctionnement, objectif

Générateur de courant convertit l'énergie mécanique (cinétique) en énergie électrique. Dans le secteur de l'énergie, seuls des générateurs de machines électriques tournantes sont utilisés, sur la base de l'apparition d'une force électromotrice (EMF) dans un conducteur, qui est en quelque sorte affectée par un champ magnétique changeant. La partie du générateur, qui est conçue pour créer un champ magnétique, s'appelle une inductance, et la partie dans laquelle la FEM est induite s'appelle une armature.

La partie tournante de la machine s'appelle rotor, et la partie fixe stator. Dans les machines synchrones courant alternatif l'inducteur est généralement le rotor, et dans les machines courant continu-stator. Dans les deux cas, l'inductance est généralement un système électromagnétique bipolaire ou multipolaire équipé d'un bobinage d'excitation alimenté en courant continu (courant d'excitation), mais il existe également des inductances constituées d'un système d'aimants permanents. En induction (asynchrone) alternateurs l'inducteur et l'induit ne peuvent pas être clairement (structurellement) distingués l'un de l'autre (on peut dire que le stator et le rotor sont à la fois un inducteur et une armature en même temps).

Plus de 95 % de l'électricité des centrales électriques dans le monde est produite à partir de alternateurs synchrones. À l'aide d'un inducteur rotatif dans ces générateurs, un champ magnétique rotatif est créé, ce qui induit une force électromotrice alternative dans l'enroulement du stator (généralement triphasé), dont la fréquence correspond exactement à la vitesse du rotor (est en synchronisme avec la vitesse de l'inducteur). Si l'inductance, par exemple, a deux pôles et tourne à une fréquence de 3000 tr/min (50 tr/s), alors une FEM variable avec une fréquence de 50 Hz est induite dans chaque phase de l'enroulement du stator. La conception d'un tel générateur est schématiquement illustrée à la Fig. 1.

Riz. 1. Le principe du dispositif d'un générateur synchrone bipolaire. 1 stator (induit), 2 rotor (inducteur), 3 arbre, 4 boîtier. U-X, V-Y, W-Z - parties des enroulements de trois phases placées dans les rainures du stator

Le système magnétique du stator est un ensemble comprimé de fines tôles d'acier, dans les rainures desquelles se trouve l'enroulement du stator. Le bobinage est constitué de trois phases, décalées dans le cas d'une machine bipolaire les unes par rapport aux autres d'1/3 du périmètre du stator ; dans les enroulements de phase, par conséquent, les champs électromagnétiques sont induits, décalés les uns par rapport aux autres de 120o. L'enroulement de chaque phase, à son tour, est constitué de bobines multitours connectées les unes aux autres en série ou en parallèle. L'une des options de conception les plus simples pour un tel enroulement triphasé d'un générateur bipolaire est simplifiée à la Fig. 2 (généralement, le nombre de bobines dans chaque phase est supérieur à celui indiqué sur cette figure). Les parties des bobines situées à l'extérieur des rainures, sur la surface frontale du stator, sont appelées connexions frontales.

Riz. 2. Le principe le plus simple du dispositif de l'enroulement du stator d'un générateur synchrone bipolaire triphasé dans le cas de deux bobines dans chaque phase. 1 balayage de surface du système magnétique du stator, 2 bobines d'enroulement, début des enroulements de phase U, V, W, extrémités d'enroulement de phase X, Y, Z

Les pôles de l'inducteur et, conformément à cela, les divisions polaires du stator, il peut y en avoir plus de deux. Plus le rotor tourne lentement, plus le nombre de pôles doit être élevé à une fréquence de courant donnée. Si, par exemple, le rotor tourne à une fréquence de 300 tr / min, alors le nombre de pôles du générateur, pour obtenir une fréquence de courant alternatif de 50 Hz, doit être de 20. Par exemple, à l'une des plus grandes centrales hydroélectriques Dans le monde, les générateurs Itaipu HPP (voir Fig. 4) fonctionnant à 50 Hz sont à 66 pôles et les générateurs fonctionnant à 60 Hz sont à 78 pôles.

L'enroulement d'excitation d'un générateur à deux ou quatre pôles est placé comme indiqué sur la fig. 1, dans les rainures du noyau en acier massif du rotor. Une telle conception de rotor est nécessaire dans le cas de générateurs rapides fonctionnant à une vitesse de 3000 ou 1500 tr/min (notamment pour les turboalternateurs destinés à être couplés avec Turbines à vapeur), car à cette vitesse de grandes forces centrifuges agissent sur l'enroulement du rotor. Avec un plus grand nombre de pôles, chaque pôle a un enroulement d'excitation séparé (Fig. 3.12.3). Un tel principe de pôle saillant du dispositif est notamment utilisé dans le cas de génératrices à basse vitesse destinées à être raccordées à des turbines hydrauliques (génératrices hydrauliques), fonctionnant habituellement à une vitesse de 60 tr/min à 600 tr/min.

Très souvent, ces générateurs, conformément à conception les turbines hydrauliques puissantes sont fabriquées avec un arbre vertical.

Riz. 3. Le principe du rotor d'un générateur synchrone à basse vitesse. 1 pôle, 2 enroulements de champ, 3 roues de montage, 4 arbres

Bobinage d'excitation générateur synchrone généralement alimenté en courant continu à partir d'une source externe via des bagues collectrices sur l'arbre du rotor. Auparavant, un générateur CC spécial (excitateur) était prévu pour cela, relié de manière rigide à l'arbre du générateur, et maintenant des redresseurs à semi-conducteurs plus simples et moins chers sont utilisés. Il existe également des systèmes d'excitation intégrés au rotor, dans lesquels la FEM est induite enroulement du stator. Si des aimants permanents sont utilisés pour créer un champ magnétique au lieu d'un système électromagnétique, la source de courant d'excitation est éliminée et le générateur devient beaucoup plus simple et plus fiable, mais en même temps plus cher. Par conséquent, les aimants permanents sont généralement utilisés dans des générateurs de puissance relativement faible (jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts).

La conception des turbogénérateurs, due au rotor cylindrique de diamètre relativement faible, est très compacte. Leur poids spécifique est généralement de 0,5…1 kg/kW et leur puissance nominale peut aller jusqu'à 1600 MW. Le dispositif des hydrogénérateurs est un peu plus compliqué, le diamètre du rotor est grand et leur densité est donc généralement de 3,5 ... 6 kg / kW. Jusqu'à présent, ils ont été fabriqués avec une puissance nominale allant jusqu'à 800 MW.

Pendant le fonctionnement du générateur, des pertes d'énergie se produisent dans celui-ci causées par la résistance active des enroulements (pertes dans le cuivre), les courants de Foucault et l'hystérésis dans les parties actives du système magnétique (pertes dans l'acier) et le frottement dans les paliers de rotation pièces (pertes par frottement). Malgré le fait que les pertes totales ne dépassent généralement pas 1 à 2% de la puissance du générateur, l'évacuation de la chaleur dégagée à la suite des pertes peut être difficile. Si nous supposons simplement que la masse du générateur est proportionnelle à sa puissance, alors ses dimensions linéaires sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance, et les dimensions surfaciques sont proportionnelles à la puissance à la puissance 2/3. Avec l'augmentation de la puissance, la surface du dissipateur thermique augmente donc plus lentement que la puissance nominale du générateur. Si, à des puissances de l'ordre de plusieurs centaines de kilowatts, il suffit d'utiliser le refroidissement naturel, alors à des puissances supérieures, il faut passer à aération forcée et à partir d'environ 100 MW, utiliser de l'hydrogène au lieu de l'air. Pour des puissances encore plus élevées (par exemple, plus de 500 MW), il est nécessaire de compléter le refroidissement de l'hydrogène par de l'eau. Dans les grands générateurs, il est nécessaire de refroidir spécialement les roulements, en utilisant généralement une circulation d'huile pour cela.

La dissipation thermique du générateur peut être considérablement réduite en utilisant des enroulements d'excitation supraconducteurs. Le premier générateur de ce type (d'une capacité de 4 MVA), conçu pour être utilisé sur des navires, a été fabriqué en 2005 par la société allemande d'ingénierie électrique Siemens (Siemens AG) . La tension nominale des générateurs synchrones, en fonction de la puissance, est généralement comprise entre 400 V et 24 kV. Des tensions nominales plus élevées (jusqu'à 150 kV) ont également été utilisées, mais extrêmement rarement. En plus des générateurs de fréquence réseau synchrones (50 Hz ou 60 Hz), il existe également générateurs haute fréquence(jusqu'à 30 kHz) et des générateurs basse fréquence (16,67 Hz ou 25 Hz) utilisés sur les chemins de fer électrifiés dans certains pays européens. Les générateurs synchrones comprennent, en principe, un compensateur synchrone, qui est un moteur synchrone fonctionnant sur Ralenti et fournir de la puissance réactive au réseau de distribution haute tension. Avec l'aide d'une telle machine, il est possible de couvrir la consommation de puissance réactive des consommateurs d'énergie industriels locaux et de libérer le réseau principal du système électrique de la transmission de puissance réactive.

En plus des générateurs synchrones, relativement rarement et à des puissances relativement faibles (jusqu'à plusieurs mégawatts), ils peuvent également être utilisés générateurs asynchrones. Dans l'enroulement du rotor d'un tel générateur, le courant est induit par le champ magnétique du stator si le rotor tourne plus vite que le champ magnétique tournant du stator à la fréquence du secteur. Le besoin de tels générateurs apparaît généralement lorsqu'il est impossible d'assurer une vitesse de rotation constante du moteur primaire (par exemple, une éolienne, certaines petites turbines hydrauliques, etc.).

À Générateur CC les pôles magnétiques, ainsi que l'enroulement d'excitation, sont généralement situés dans le stator et l'enroulement d'induit est situé dans le rotor. Puisqu'une FEM variable est induite dans l'enroulement du rotor lors de sa rotation, l'armature doit être alimentée par un collecteur (interrupteur), à l'aide duquel une FEM constante est obtenue à la sortie du générateur (sur les balais du collecteur). Actuellement, les générateurs de courant continu sont rarement utilisés, car le courant continu est plus facile à obtenir à l'aide de redresseurs à semi-conducteurs.

Les générateurs électriques comprennent générateurs électrostatiques, sur la partie tournante duquel une charge électrique haute tension est créée par frottement (triboélectrique). Le premier générateur de ce type (une boule de soufre tournée à la main, qui était électrifiée par frottement contre la main d'une personne) a été fabriqué en 1663 par le maire de la ville de Magdebourg (Magdebourg, Allemagne) Otto von Guericke (Otto von Guericke, 1602–1686 ). Au cours de leur développement, de tels générateurs ont permis de découvrir de nombreux phénomènes et schémas électriques. Même maintenant, ils n'ont pas perdu leur importance en tant que moyen de mener des recherches expérimentales en physique.

Le premier a été réalisé le 4 novembre 1831 par Michael Faraday, professeur à la Royal Institution de Londres (1791-1867). Le générateur se composait d'un aimant permanent en forme de fer à cheval et d'un disque de cuivre tournant entre des pôles magnétiques (Fig. 3.12.4). Lorsque le disque tournait entre son axe et le bord, une FEM constante était induite. Par le même principe, des générateurs unipolaires plus avancés sont disposés, qui sont utilisés (bien que relativement rarement) à l'heure actuelle.

Riz. 4. Le principe de l'appareil générateur unipolaire Michael Faraday. 1 aimant, 2 disques rotatifs en cuivre, 3 brosses. Poignée de disque non illustrée

Michael Faraday est né dans une famille pauvre et après école primaire, à l'âge de 13 ans, il devient apprenti relieur. À partir de livres, il a poursuivi ses études de manière indépendante et, à partir de l'Encyclopédie britannique, il s'est familiarisé avec l'électricité, a fabriqué un générateur électrostatique et un pot de Leyde. Pour approfondir ses connaissances, il commença à assister à des conférences publiques sur la chimie par le directeur de l'Institut royal, Humphrey Davy (1778-1829), et en 1813 reçut le poste de son assistant. En 1821, il devint inspecteur en chef de cet institut, en 1824 membre de la Royal Society (Royal Society) et en 1827 professeur de chimie au Royal Institute. En 1821, il commence ses fameuses expériences sur l'électricité, au cours desquelles il propose le principe de fonctionnement d'un moteur électrique, découvre le phénomène d'induction électromagnétique, le principe d'un générateur magnétoélectrique, les lois de l'électrolyse, et bien d'autres phénomènes physiques fondamentaux. Un an après l'expérience de Faraday décrite ci-dessus, le 3 septembre 1832, le mécanicien parisien Hippolyte Pixii (Hippolyte Pixii, 1808-1835) fabrique, sur commande et sous la direction du fondateur de l'électrodynamique, André Marie Ampère (André Marie Ampère, 1775 –1836), un générateur avec un Faraday à rotation manuelle, un aimant (Fig. 5). Une force électromotrice alternative est induite dans l'enroulement d'induit du générateur Pixie. Pour rectifier le courant résultant, un interrupteur à mercure ouvert a d'abord été fixé au générateur, commutant la polarité de l'EMF à chaque demi-tour du rotor, mais il a rapidement été remplacé par un collecteur à brosse cylindrique plus simple et plus sûr, illustré à la Fig. 5.

Riz. 5. Le principe de l'appareil générateur magnétoélectrique Hippolyta Pixie (a), tracé de la FEM induite (b) et tracé de la FEM constante pulsée obtenue à l'aide du collecteur (c). Poignée et cône engrenage pas montré

Le générateur, construit sur le principe Pixie, a été utilisé pour la première fois en 1842 dans son usine de Birmingham (Birmingham) pour alimenter des bains galvaniques par l'industriel anglais John Stephen Woolrich (John Stephen Woolrich, 1790-1843), en utilisant comme moteur d'entraînement machine à vapeur d'une contenance de 1 l. Avec. La tension de son générateur était de 3 V, le courant nominal était de 25 A et le rendement était d'environ 10 %. Les mêmes générateurs, mais plus puissants, ont rapidement commencé à être introduits dans d'autres entreprises de galvanoplastie en Europe. En 1851, le médecin militaire allemand Wilhelm Josef Sinsteden (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) proposa d'utiliser des électroaimants au lieu d'aimants permanents dans l'inducteur et de les alimenter en courant à partir d'un générateur auxiliaire plus petit; il a également découvert que l'efficacité du générateur augmenterait si le noyau en acier de l'électroaimant n'était pas constitué de fils massifs, mais de fils parallèles. Cependant, les idées de Sinsteden ne commencèrent à être réellement utilisées qu'en 1863 par l'ingénieur électricien anglais autodidacte Henry Wilde (Henry Wilde, 1833-1919), qui proposa, entre autres innovations, de mettre une machine excitatrice (exitatrice anglaise) sur l'arbre du générateur. En 1865, il fabriqua un générateur d'une puissance jusqu'alors sans précédent de 1 kW, avec lequel il put même faire la démonstration de la fusion et du soudage des métaux.

L'amélioration la plus importante Générateurs CC est devenu leur auto-excitation, dont le principe a été breveté en 1854 Ingénieur en chef chemins de fer nationaux du Danemark Soren Hjorth ( Soren Hjorth , 1801–1870), mais introuvable à l'époque application pratique. En 1866, ce principe a de nouveau été découvert indépendamment par plusieurs ingénieurs électriciens, dont le déjà mentionné G. Wilde, mais il est devenu largement connu en décembre 1866, lorsque l'industriel allemand Ernst Werner von Siemens (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) a appliqué dans son générateur compact et très efficace. Le 17 janvier 1867, son célèbre rapport sur le principe dynamoélectrique (sur l'auto-excitation) est lu à l'Académie des sciences de Berlin. auto-excitation a permis d'abandonner les générateurs d'excitation auxiliaires (à partir d'excitateurs), ce qui a permis de générer de l'électricité beaucoup moins chère en grande quantité. Pour cette raison, l'année 1866 est souvent considérée comme l'année de naissance de l'électrotechnique à courant fort. Dans les premiers générateurs auto-excités, l'enroulement d'excitation était allumé, comme celui de Siemens, en série (en série) avec l'enroulement d'induit, mais en février 1867, l'ingénieur électricien anglais Charles Wheatstone (Charles Wheatstone, 1802–1875) a proposé une excitation parallèle, qui a permis de mieux réguler la FEM du générateur auquel il est venu avant les nouvelles sur excitation en série, découverte par Siemens (Fig. 6).

Riz. 6. Développement de systèmes d'excitation pour générateurs à courant continu. a excitation à aimant permanent (1831), b excitation externe (1851), c auto-excitation série (1866), d auto-excitation parallèle (1867). 1 induit, 2 enroulements d'excitation. Rhéostats de réglage du courant d'excitation non représentés

Besoin de alternateurs est née en 1876, lorsque l'ingénieur électricien russe Pavel Yablochkov (1847–1894), travaillant à Paris, a commencé à éclairer les rues de la ville à l'aide de lampes à arc à courant alternatif (bougies Yablochkov) qu'il fabriquait. Les premiers générateurs nécessaires pour cela ont été créés par l'inventeur et industriel parisien Zénobe Théophile Gramme (1826-1901). Depuis le début production de masse lampes à incandescence en 1879, le courant alternatif a perdu de son importance pendant un certain temps, mais a retrouvé sa pertinence en raison de l'augmentation de la gamme de transmission de l'électricité au milieu des années 1880. En 1888-1890, le propriétaire de son propre laboratoire de recherche Tesla-Electric (Tesla-Electric Co., New York, USA), l'ingénieur électricien serbe Nikola Tesla (Nikola Tesla, 1856-1943) qui a émigré aux États-Unis et au ingénieur en chef de la société AEG (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) L'ingénieur électricien russe Mikhail Dolivo-Dobrovolsky (1862–1919) qui a émigré en Allemagne a développé un système de courant alternatif triphasé. En conséquence, la production de toujours plus puissants générateurs synchrones pour les centrales thermiques et hydroélectriques construites.

Une étape importante dans le développement des turbogénérateurs peut être considérée comme la mise au point en 1898 d'un rotor cylindrique par le copropriétaire de l'usine électrique suisse Brown, Boveri and Company (Brown, Boveri & Cie., BBC) Charles Eugen Lancelot Brown (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863-1924). Le premier générateur avec refroidissement à l'hydrogène (capacité 25 MW) a été lancé en 1937 par la société américaine General Electric (General Electric) et avec refroidissement par eau en ligne - en 1956 par la société britannique Metropolitan Vickers.

L'univers a fourni à l'humanité un billion de façons d'obtenir de l'électricité, chaque étape de développement est caractérisée par ses propres technologies. Supposons, historiquement, que le générateur Van de Graaff à charge constante soit considéré comme le premier. Mauvais point de vue. Les gens ont utilisé d'autres variétés auparavant. Aujourd'hui, nous allons considérer l'appareil, le principe de fonctionnement de l'alternateur. Commençons.

Le fonctionnement des générateurs de courant électrique

Le principe est conçu pour créer un potentiel relatif à la Terre, considéré comme nul. Faux, mais tout dans le monde est relatif. Bien que la surface terrestre porte une charge, la différence de potentiel entre les bornes du générateur et le sol joue un rôle. Un objet posé au sol est enveloppé par le champ de la planète, nous considérons le postulat comme vrai. Le premier générateur de courant continu a été inventé. Plutôt des tensions. La tension s'est avérée fantastique, l'appareil a donné peu de courant. Le principe de fonctionnement est simple :

Le principe du générateur

La bande frotte, une charge se forme localement.
Au moyen d'un mécanisme de convoyeur, la section atteint le collecteur de courant.
Par la conductivité du terminal de type boule, la densité est égalisée.

En conséquence, la sphère acquiert une charge avec une densité égale à celle du ruban local. Il est clair que de tels générateurs ne sont pas très pratiques, en 1831 Michael Faraday crée quelque chose de nouveau. À l'aide d'un fer à cheval aimanté, un disque de cuivre en rotation recevait de l'électricité d'une manière différente : le phénomène d'induction magnétique. Le courant sortait en alternance. Par conséquent, le champ a cessé d'être statique, devenant électromagnétique. Expliquons :

Dans la nature, on trouve souvent des charges d'électricité de signe positif ou négatif, personne n'a pu trouver séparément les pôles d'un aimant.
Un champ électrique alternatif provoque une réponse correspondante de l'éther. Elle se traduit par la production d'une composante magnétique variable dans un plan perpendiculaire à celui d'origine.

Le processus se poursuit sans interruption, s'appelle une onde électromagnétique. Maîtrise l'espace libre en ligne droite, tandis que l'énergie s'estompe. En ce qui concerne les fils, l'électricité est distribuée relativement facilement. Mais! Tant que le câble est tressé. L'écran a disparu, la mise à zéro (mise à la terre) est manquante - l'onde commence à rayonner. L'effet est exploité par des tournevis indicateurs sans fil, qui aident à établir (localiser) des sources d'interférence de fréquence industrielle 50 Hz. Et si l'unité centrale de l'ordinateur n'est pas mise à la terre, vous pouvez facilement corriger le défaut à l'aide d'une petite chose.

Aide à vérifier les rayonnements nocifs des écrans. La fréquence de 50 Hz est facilement rayonnée par les fils. L'aspect augmente les coûts des centrales électriques (pertes), nuit à la santé des citoyens. Comment l'énergie est-elle générée dans un générateur Faraday ? Les enseignants ont expliqué: lorsque le cadre tourne dans le champ d'un aimant, l'induction à travers la zone change, un courant électrique est induit.

L'énergie mécanique du mouvement est convertie en énergie électrique. Deviné, l'humanité exploite :

Chute du barrage vers le bas des masses d'eau.
L'énergie des centrales thermiques à vapeur, nucléaires.

Deux mécanisme principal recevoir de l'énergie. L'électricité devient le mouvement des aubes de turbine du générateur. La nature a donné naissance à des appareils qui brûlent du gazole, du kérosène, dont le principe de fonctionnement diffère peu. La différence est limitée par la mobilité, la vitesse de rotation des pales.

Production d'électricité des villes

Regardons le dispositif du générateur de courant de la centrale hydroélectrique. Un barrage est érigé pour stocker l'énergie potentielle du lit de la rivière. Le niveau amont commence rapidement à monter. Pour éviter une percée (de tout type), une partie de la masse de plusieurs tonnes est gravée (à certains endroits, ils ont mis des serrures spéciales pour laisser passer le poisson pour le frai). La partie utile du flux traverse l'appareil de guidage. Connaître l'appareil moteurs à réaction compris le discours. L'appareil de guidage s'appelle la configuration des vannes, en changeant la position, la quantité de fluide passant (menant) est régulée.

Ils ont déclaré dans les examens que des exigences strictes concernant la fréquence de production d'électricité sont réglementées. Les scientifiques ont calculé : cela peut être réalisé au niveau de développement actuel, en utilisant des pales massives qui ne sont pas affectées par les impacts mineurs des vagues. La masse moyenne d'eau qui passe est prise en compte, les petits sauts sont masqués par la masse totale de l'hélice. Évidemment, ayant des dimensions importantes, la vitesse de rotation est impuissante à atteindre 50 Hz (3000 tr/min). La lame fait 1-2 tr/min.

La vis fait tourner le rotor du générateur. Un essieu mobile assis avec des enroulements d'excitation. Bobines à travers lesquelles le courant continu est passé pour créer un champ magnétique stable. Le rayonnement ne se produit pas, la valeur d'intensité est constante (voir ci-dessus). Des fluctuations insignifiantes sont observées, le résultat n'affecte pas l'essence du processus: l'arbre est formé de plusieurs aimants rotatifs.

L'un surgit moment subtil: comment obtenir une fréquence de 50 Hz. Nous sommes rapidement arrivés à la conclusion: il n'est pas rentable de redresser le courant alternatif, après quoi il n'est pas rentable d'installer un onduleur à conversion inverse. Un grand nombre de bobines de fil ont été placées le long du stator (un cadre des expériences de Faraday), dans lequel l'induction sera induite. En commutant correctement le générateur, il est possible de supprimer les 230 volts requis (en fait, il existe encore des transformateurs abaisseurs) avec une fréquence de 50 Hz. Les générateurs donnent trois phases décalées de 120 degrés. Une nouvelle question se pose - pour assurer la stabilité. Distribuez-vous une quantité mesurée d'eau pendant que la pagaie prend de la vitesse ? Presque impossible, procédez comme suit :

En plus des bobines collectrices de courant, le stator en contient des excitantes.
Une tension de fréquence y est appliquée, permettant à la lame de gagner la vitesse souhaitée.
Il s'avère en fait un énorme moteur synchrone.

L'accélération initiale est entraînée par le débit d'eau, la tension auxiliaire maintient la vis, essayant de dépasser régler la vitesse. L'eau pousse en fait le colosse, la tension d'excitation servira de régulation (il est clair que du courant alternatif est fourni au stator). Nécessaire pour obtenir plus de pouvoir, l'appareil de guidage du barrage s'ouvre légèrement. La masse d'eau devenant plus solide, cela casserait définitivement l'élan. Il est nécessaire d'augmenter le courant d'excitation du stator, le champ de commande devient plus fort, la situation reste dans les limites normales.

Moteur combustion interne Caterpillar tournant un générateur

La puissance du générateur augmente. Et la tension, le niveau est-il maintenu ? Selon la loi de Faraday sur les champs électromagnétiques, la tension est déterminée par le taux de variation du champ magnétique, le nombre de tours. Il s'avère qu'en choisissant de manière constructive la surface des bobines, la longueur du câble, nous définissons la tension de sortie du générateur. Bien entendu, chacun doit avoir sa propre vitesse de rotation des pales. Entretenu par le courant d'excitation du rotor. Lorsque la puissance augmente, l'EMF augmente. Une augmentation du courant d'excitation augmente le taux de variation de l'intensité du champ magnétique.

Nous avons besoin d'un moyen de maintenir les paramètres précédents. Deviennent souvent des transformateurs d'isolement avec un rapport de transmission variable. Le consommateur change le courant, la tension reste constante. Les paramètres spécifiés par les normes sont fournis. Le dispositif de l'alternateur est basé sur l'excitation des enroulements du stator, le reste se résume à des méthodes de régulation des paramètres.

Paramétrage des alternateurs

Dans le cas le plus simple, la puissance ne peut pas être modifiée. Dans les ménages (petits générateurs), le circuit surveille la tension, la valeur du courant d'excitation change. La situation fait rarement le jeu du consommateur. Le solaire est consommé. Il s'avère que l'ancienne énergie est gaspillée, une partie est dissipée par l'espace. Ce n'est pas effrayant quand on rend une partie de la vitesse du fleuve à la Terre, un rare avare voudra brûler du carburant gratuitement.

Les lecteurs ont compris: la vitesse peut s'arrêter si l'approvisionnement en eau, gaz, vapeur n'est pas réduit - en général, la force motrice. Surveille un circuit de régulation séparé, équipé de mécanismes de régulation. Il est plus efficace pour une maison privée de créer un système de batterie ; aujourd'hui, il est possible d'alimenter l'éclairage, les ordinateurs portables et de nombreux autres appareils avec du courant continu de 12 volts. Le réseau peut être équipé d'un robinet pour le chargement périodique de la batterie. Rappelons qu'il existe deux méthodes :

Avec courant continu. La tension varie, un dixième de la capacité est chargé toutes les heures. La durée du processus est de 600 minutes.
AVEC courant continu. Le courant chute de façon exponentielle, au début ce seront des valeurs relativement importantes. Inconvénient principal méthodes.

Le principe de fonctionnement de l'alternateur vous permettra de recharger les batteries, guidé par le besoin. Il est clair qu'un circuit d'isolation galvanique est nécessaire avant la cascade de batteries. Vous pouvez deviner d'après ce que vous lisez, les HPP utilisent des appareils avec un rapport de transformation ajustable. Les méthodes de mise en œuvre peuvent être différentes :

Les transformateurs à enroulements commutés sont largement utilisés. Le nombre de tours peut être modifié en commutant les circuits avec des contacteurs.
Un rapport plus lisse fournit un contact glissant. Ici, les tours d'une bobine sont dénudés, le collecteur de courant va et vient, modifiant le nombre de tours de travail. Il est clair qu'il est difficile de sauter un courant important, une étincelle se produira, dans le cas d'une centrale hydroélectrique, cela deviendra un arc. Il s'agit plutôt d'un dispositif de régulation de puissances relativement faibles.

Il résulte de ce qui précède : il est logique de faire évoluer le courant d'excitation du rotor HPP par sauts temporels avec la commutation des enroulements du transformateur de commande. S'ensuit alors un ajustement en douceur, les paramètres de tension reviennent à la normale. Raconté dans de façon générale comment fonctionne un alternateur. Il est à noter que la variété n'est pas épuisée par la construction. Ce type est l'épine dorsale d'une famille appelée alternateurs synchrones. Alimenter les villes, pour la plupart, en énergie.

Alternateur asynchrone

Les générateurs asynchrones se distinguent par l'absence de liaison électrique entre le stator et le rotor. La vitesse est contrôlée par l'aube directrice. En conséquence, la stabilité de fréquence chute, l'amplitude de tension est également instable. De ce fait, on peut noter la relative simplicité de conception d'un alternateur asynchrone, la stabilité des paramètres ne brille pas avec de bonnes performances.

Une caractéristique distinctive est la capacité des lacunes moteurs à induction migrer en douceur, infectant de nouveaux appareils. Évidemment, pour alimenter les consommateurs en énergie, la fréquence du courant est régulée, la puissance est aléatoire. Bien que si le générateur se trouve dans un environnement relativement constant, ce qui précède ne sera pas un gros problème.

Un alternateur ou générateur de courant continu est un dispositif de production d'électricité par conversion d'énergie mécanique.

A quoi ressemble un alternateur

Comment fonctionne un alternateur ? Le courant est généré dans un conducteur sous l'influence d'un champ magnétique. Il est pratique de générer du courant si vous faites pivoter un cadre rectangulaire électriquement conducteur dans un champ fixe ou un aimant permanent à l'intérieur.

Lorsqu'il tourne autour de l'axe du champ magnétique, il crée à l'intérieur du cadre avec vitesse angulaireω, les côtés verticaux du contour seront actifs car ils sont coupés par des lignes magnétiques. Il n'y a aucun effet sur les côtés horizontaux coïncidant en direction avec le champ magnétique. Par conséquent, aucun courant n'y est induit.

À quoi ressemble un générateur à rotor magnétique ?

L'EMF dans le cadre sera :

e = 2 Bmax LV péché ωt,

Bmax– induction maximale, T;

je– hauteur de cadre, m;

v– vitesse de trame, m/s ;

c'est le temps, s.

Ainsi, une FEM variable est induite dans le conducteur par l'action d'un champ magnétique changeant.

Pour un grand nombre de tours w, exprimant la formule en termes de débit maximal F m, on obtient l'expression suivante :

e = wF m péché ω t.

Le principe de fonctionnement d'un autre type d'alternateur est basé sur la rotation d'un cadre conducteur entre deux aimants permanents de pôles opposés. L'exemple le plus simple est illustré dans la figure ci-dessous. La tension qui y apparaît est supprimée par des bagues collectrices.

Générateur de courant à aimant permanent

L'application de l'appareil n'est pas très courante en raison de la charge des contacts mobiles Courant élevé traversant le rotor. La conception de la première version donnée les contient également, mais beaucoup moins de courant continu est fourni à travers eux à travers les spires d'un électroaimant rotatif, et l'alimentation principale est retirée de l'enroulement de stator fixe.

Générateur synchrone

Une caractéristique de l'appareil est l'égalité entre la fréquence F, EMF induite dans le stator et la vitesse du rotor ω :

ω = 60∙F/ p tr/min,

Où p- le nombre de paires de pôles dans l'enroulement du stator.

Le générateur synchrone crée une FEM dans l'enroulement du stator dont la valeur instantanée est déterminée à partir de l'expression :

e = 2π B max lwDn sinω t,

Où je Et D- longueur et diamètre intérieur du noyau du stator.

Un générateur synchrone produit une tension avec une caractéristique sinusoïdale. Lorsqu'il est connecté à ses bornes C 1 , C 2 , C 3 consommateurs, un courant monophasé ou triphasé parcourt le circuit, le schéma est ci-dessous.

Schéma d'un générateur synchrone triphasé

De l'action d'une charge électrique changeante, la charge mécanique change également. Dans ce cas, la vitesse de rotation augmente ou diminue, à la suite de quoi la tension et la fréquence changent. Pour éviter un tel changement, Caractéristiques électriques maintenu automatiquement à un niveau donné par retour tension et courant sur l'enroulement du rotor. Si le rotor du générateur est constitué d'un aimant permanent, ses possibilités de stabilisation des paramètres électriques sont limitées.

Le rotor est forcé de tourner. Un courant inductif est appliqué à son enroulement. Dans le stator, le champ magnétique du rotor, tournant à la même vitesse, induit 3 fem alternées avec un déphasage.

Le flux magnétique principal du générateur est créé à partir de l'action du courant continu traversant l'enroulement du rotor. L'alimentation peut provenir d'une autre source. Une méthode d'auto-excitation est également courante, lorsqu'une petite partie du courant alternatif est prélevée sur l'enroulement du stator et passe à travers l'enroulement du rotor après rectification préliminaire. Le processus est basé sur le magnétisme résiduel, suffisant pour démarrer le générateur.

Les principaux appareils qui génèrent la quasi-totalité de l'électricité dans le monde sont les générateurs hydroélectriques ou turbo synchrones.

Générateur asynchrone

Le dispositif d'alternateur de type asynchrone se distingue par la différence de fréquence de rotation de l'EMF ω et rotor ω r. Il s'exprime par un coefficient appelé glissement :

s = (ω - ω r)/ ω.

En mode de fonctionnement, le champ magnétique ralentit la rotation de l'induit et sa fréquence est plus faible.

Un moteur asynchrone peut fonctionner en mode générateur si ω r > ω, lorsque le courant change de sens et que l'énergie est restituée au réseau. Ici le moment électromagnétique devient freinant. L'utilisation de cette propriété est courante lors de la descente de charges ou sur les véhicules électriques.

Un générateur asynchrone est choisi lorsque les exigences en matière de paramètres électriques ne sont pas très élevées. En présence de surcharges de démarrage, une génératrice synchrone sera préférable.

Appareil générateur de voiture n'est pas différent d'un conventionnel qui génère du courant électrique. Il génère du courant alternatif, qui est ensuite redressé.

A quoi ressemble un alternateur de voiture ?

La conception consiste en un rotor électromagnétique tournant dans deux roulements entraînés par une poulie. Il n'a qu'un seul enroulement, avec une alimentation en courant continu par 2 anneaux de cuivre et des balais en graphite.

Le relais-régulateur électronique maintient une tension stable de 12V, indépendamment de la vitesse de rotation.

Circuit d'alternateur automobile

Le courant de la batterie est fourni à l'enroulement du rotor via le régulateur de tension. Le couple lui est transmis par l'intermédiaire d'une poulie et une FEM est induite dans les spires de l'enroulement du stator. Le courant triphasé généré est redressé par des diodes. Le maintien d'une tension de sortie constante est assuré par un régulateur qui contrôle le courant d'excitation.

À mesure que le moteur accélère, le courant de champ diminue pour aider à maintenir une tension de sortie constante.

Générateur classique

La conception contient un moteur à carburant liquide qui fait tourner un générateur. La vitesse du rotor doit être stable, sinon la qualité de la production d'électricité est réduite. Lorsque le générateur s'use, la vitesse de rotation devient plus faible, ce qui est un inconvénient important du dispositif.

Si la charge du générateur est inférieure à la valeur nominale, il tournera partiellement au ralenti, consommant l'excès de carburant.

Par conséquent, il est important lors de son achat de faire un calcul précis de la puissance nécessaire afin qu'il soit correctement chargé. Un chargement inférieur à 25 % est interdit, car cela affecte sa durabilité. Les passeports indiquent tous les modes de fonctionnement possibles qui doivent être respectés.

De nombreux types de modèles classiques ont des prix acceptables, haute fiabilité et large plage de puissance. Il est important de le charger correctement et d'effectuer l'inspection à temps. La figure ci-dessous montre les modèles de générateurs à essence et diesel.

Générateur classique : a) - générateur à essence, b) - générateur diesel

Générateur diesel

Le générateur entraîne le moteur en marche Gas-oil. Le moteur à combustion interne se compose d'une partie mécanique, d'un tableau de commande, d'un système d'alimentation en carburant, de refroidissement et de lubrification. La puissance du générateur dépend de la puissance du moteur à combustion interne. S'il est requis petit, par exemple pour les appareils électroménagers, il est conseillé d'utiliser un groupe électrogène à essence. Les générateurs diesel sont utilisés là où plus de puissance est nécessaire.

Les moteurs à combustion interne sont utilisés dans la plupart des cas avec des soupapes montées sur le dessus. Ils sont plus compacts, fiables, faciles à réparer, émettent moins de déchets toxiques.

Ils préfèrent choisir un groupe électrogène avec un boîtier en métal, car le plastique est moins durable. Les appareils sans balais sont plus durables et la tension générée est plus stable.

Capacité réservoir d'essence fournit des travaux sur une station-service pas plus de 7 heures. Dans les installations fixes, un réservoir externe de grand volume est utilisé.

Groupe électrogène à essence

En tant que source d'énergie mécanique, le moteur à quatre temps le plus courant moteur à carburateur. Pour la plupart, des modèles de 1 à 6 kW sont utilisés. Il existe des appareils jusqu'à 10 kW qui peuvent fournir une maison de campagne à un certain niveau. Des prix générateurs à essence sont acceptables, et la ressource est tout à fait suffisante, quoique inférieure à celle des moteurs diesel.

Le générateur est sélectionné en fonction des charges.

Pour des courants de démarrage élevés et avec une utilisation fréquente du soudage électrique, il est préférable d'utiliser un générateur synchrone. Si vous prenez un générateur asynchrone plus puissant, il supportera les courants de démarrage. Cependant, il est important ici qu'il soit chargé, sinon l'essence sera dépensée de manière irrationnelle.

générateur onduleur

Les machines sont utilisées là où l'électricité est nécessaire Haute qualité. Ils peuvent fonctionner en continu ou par intermittence. Les objets de consommation d'énergie ici sont des institutions où les surtensions ne sont pas autorisées.

La base du générateur onduleur est l'unité électronique, composé d'un redresseur, d'un microprocesseur et d'un convertisseur.

Schéma fonctionnel du générateur onduleur

La production d'électricité démarre de la même manière que dans le modèle classique. Tout d'abord, un courant alternatif est généré, qui est ensuite redressé et envoyé à l'onduleur, où il est à nouveau converti en courant alternatif, avec les paramètres souhaités.

Les types de générateurs onduleurs diffèrent par la nature de la tension de sortie :

rectangulaire - le moins cher, capable d'alimenter uniquement des outils électriques;
impulsion trapézoïdale - convient à de nombreux appareils, à l'exception des équipements sensibles (catégorie de prix moyen);
tension sinusoïdale - caractéristiques stables, adaptées à tous les appareils électriques (prix le plus élevé).

Avantages des générateurs onduleurs :

petites dimensions et poids;
une faible consommation de carburant en régulant la production de la quantité d'électricité dont les consommateurs ont besoin en ce moment ;
la possibilité de travail à court terme avec surcharge.

Les inconvénients sont les prix élevés, la sensibilité aux changements de température de la partie électronique, la faible puissance. De plus, la réparation de l'unité électronique est coûteuse.

Le modèle d'onduleur est sélectionné dans les cas suivants :

l'appareil n'est acheté que dans les cas où un générateur conventionnel ne convient pas, car son prix est élevé;
une puissance ne dépassant pas 6 kW est requise;
pour une utilisation permanente, les versions classiques des groupes électrogènes sont mieux adaptées ;
il est nécessaire d'alimenter partiellement les appareils ménagers en électricité;
pour un usage domestique, il est préférable d'utiliser des appareils monophasés.

Vidéo. Alternateur.

Les alternateurs sont capables de reconstituer l'électricité dans la maison lorsqu'un appareil fixe tombe en panne et sont également utilisés partout où l'électricité est nécessaire.

Comme vous le savez, lorsqu'un courant traverse un conducteur (bobine), un champ magnétique se forme. Et, inversement, lorsque le conducteur monte et descend à travers les lignes du champ magnétique, force électromotrice. Si le mouvement du conducteur est lent, le courant électrique résultant sera faible. La valeur du courant est directement proportionnelle à la force du champ magnétique, au nombre de conducteurs et, par conséquent, à la vitesse de leur déplacement.

Le générateur de courant le plus simple consiste en une bobine réalisée sous la forme d'un tambour, sur laquelle un fil est enroulé. La bobine est attachée à l'arbre. Un tambour enroulé est également appelé une ancre.

Pour éliminer le courant de la bobine, l'extrémité de chaque fil est soudée à des balais collecteurs de courant. Ces brosses doivent être complètement isolées les unes des autres.

Alternateur

Lorsque l'armature tourne autour de son axe, la force électromotrice change. Lorsque la bobine tourne à quatre-vingt-dix degrés, le courant est maximum. Au tour suivant, il tombe à zéro.

Un tour complet d'une bobine dans un générateur de courant crée une période de courant ou, en d'autres termes, un courant alternatif.

Un interrupteur est utilisé pour obtenir du courant continu. Il s'agit d'un anneau découpé en deux parties, dont chacune est fixée à différentes spires de l'ancre. À installation correcte moitiés de l'anneau et des brosses collectrices de courant, pour chaque période de changement de l'intensité du courant dans l'appareil, un courant continu circulera dans l'environnement extérieur.

Un grand générateur de courant industriel a une armature fixe appelée stator. A l'intérieur du stator, un rotor tourne, créant un champ magnétique.

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Toute voiture est équipée d'un générateur de courant qui fonctionne lorsque la voiture est en mouvement pour fournir de l'énergie électrique à la batterie, aux systèmes d'allumage, aux phares, à la radio, etc. L'enroulement d'excitation du rotor est la source du champ magnétique. Pour que le flux magnétique de l'enroulement d'excitation soit fourni sans perte à l'enroulement du stator, les bobines sont placées dans des rainures spéciales de la structure en acier.

Générateur de courant- Ce machine électrique qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. Ils peuvent générer du courant continu et alternatif.

Jusqu'à la seconde moitié du XXe siècle Des générateurs de courant continu étaient utilisés dans les véhicules. Puis les diodes semi-conductrices se sont généralisées, ce qui a permis de redresser le courant alternatif ou de le rendre continu. Par conséquent, dans ce domaine, les générateurs de courant continu ont remplacé des générateurs plus fiables et compacts générateurs triphasés courant alternatif.

Dans j'ai examiné en détail les problèmes de fonctionnement du moteur électrique, maintenant ils seront présentés principes généraux fonctionnement et dispositif du générateur de courant. Je ne m'attarderai pas sur les machines à courant continu, car elles ne sont pas utilisées aujourd'hui dans la vie courante, les garages et les véhicules. Ils ne sont largement utilisés que dans les transports électriques urbains : trolleybus et tramways.

Le principe de fonctionnement du générateur de courant

Le générateur fonctionne sur la base de la loi Induction électromagnétique de Faraday - une force électromotrice (EMF) est induite dans un circuit rectangulaire (fil de fer) tournant dans un champ magnétique rotatif uniforme.

CEM se produit également dans un cadre rectangulaire fixe, si un aimant y tourne.

Le générateur le plus simple est un cadre rectangulaire placé entre 2 aimants de pôles différents. Afin de supprimer la tension du cadre rotatif, des bagues collectrices sont utilisées. En pratique on utilise des électro-aimants qui sont des inducteurs ou des bobinages en fil de cuivre dans un vernis électriquement isolant. Au passage courant électrique bobinages, ils commencent à avoir des propriétés électromagnétiques. Pour les exciter, une source de courant supplémentaire est nécessaire - dans les voitures, cela batterie d'accumulateurs. Dans les centrales électriques domestiques, l'excitation au démarrage se produit à la suite d'une auto-excitation ou d'un générateur CC supplémentaire de faible puissance, qui est entraîné par l'arbre du générateur.

Selon le principe du travail Les générateurs peuvent être synchrones ou asynchrones.

Générateurs asynchrones structurellement simple et peu coûteux à fabriquer, plus résistant aux courants de court-circuit et aux surcharges. Le groupe électrogène asynchrone est idéal pour alimenter des charges actives : lampes à incandescence, radiateurs électriques, électronique, plaques électriques etc. Mais même une surcharge à court terme est inacceptable pour eux, par conséquent, lors de la connexion de moteurs électriques, ne type électronique machine à souder, outils électriques et autres charges inductives - la marge de puissance doit être d'au moins trois fois, et de préférence quatre fois.
Générateur synchrone parfait pour les consommateurs inductifs avec des courants de démarrage élevés. Ils sont capables de supporter une surcharge de courant quintuplée pendant une seconde.

Dispositif d'alternateur

Pour un exemple de considération d'un appareil, prenons un générateur triphasé automobile.

alternateur de voiture se compose d'un corps et de deux couvercles avec des trous pour la ventilation. Le rotor tourne sur 2 paliers et est entraîné par une poulie. À la base, le rotor est un électroaimant composé d'un enroulement. Le courant lui est fourni à l'aide de deux anneaux de cuivre et de balais en graphite, qui sont reliés à un relais-régulateur électronique. Il est chargé de s'assurer que la tension de sortie du générateur est toujours dans la plage acceptable de 12 volts avec des tolérances et ne dépend pas de la vitesse de la poulie. Le relais-régulateur peut être soit intégré dans le boîtier du générateur, soit situé à l'extérieur de celui-ci.

Le stator est constitué de trois enroulements de cuivre connectés les uns aux autres dans un triangle. Un pont redresseur de 6 diodes semi-conductrices est connecté à leurs points de connexion, qui convertissent la tension alternative en continue.

Générateur électrique à essence se compose d'un moteur et d'un générateur de courant qui l'entraîne directement, qui peut être synchrone ou asynchrone.