كيف تعمل مولدات التيار المتردد والتيار المستمر؟

مصطلح "جيل" في الهندسة الكهربائية يأتي من اللغة اللاتينية. تعني "الولادة". فيما يتعلق بالطاقة ، يمكننا القول أن المولدات هي أجهزة تقنية تولد الكهرباء.

في هذه الحالة ، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن إنتاج التيار الكهربائي عن طريق تحويل أنواع مختلفة من الطاقة ، على سبيل المثال:

• المواد الكيميائية؛

• ضوء؛

• الحرارية وغيرها.

تاريخيا ، المولدات هي الهياكل التي تحول الطاقة الحركية للدوران إلى كهرباء.

حسب نوع الكهرباء المولدة تكون المولدات:

1. التيار المباشر.

2. متغير.

مبدأ تشغيل أبسط مولد

اكتشف العلماء أورستد وفارادي القوانين الفيزيائية التي تجعل من الممكن إنشاء تركيبات كهربائية حديثة لتوليد الكهرباء عن طريق تحويل الطاقة الميكانيكية.

ينطبق أي تصميم للمولد مبدأ الحث الكهرومغناطيسيعندما يكون هناك تحريض لتيار كهربائي في إطار مغلق بسبب تقاطعها مع مجال مغناطيسي دوار يتم إنشاؤه مغناطيس دائم في نماذج مبسطة للاستخدام المنزلي أو ملفات الإثارة على المنتجات الصناعية ذات الطاقة المتزايدة.

عندما تقوم بتدوير الإطار ، يتغير حجم التدفق المغناطيسي.

تعتمد القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في الحلقة على معدل تغير التدفق المغناطيسي الذي يخترق الحلقة في حلقة مغلقة S ويتناسب طرديًا مع قيمتها. كلما زادت سرعة دوران الدوار ، زاد الجهد المتولد.

من أجل إنشاء حلقة مغلقة وتحويل التيار الكهربائي منها ، كان من الضروري إنشاء مجمّع وفرشاة توفران اتصالًا مستمرًا بين الإطار الدوار والجزء الثابت من الدائرة.

نظرًا لبناء فرش محملة بنابض مضغوطة على ألواح التجميع ، ينتقل التيار الكهربائي إلى أطراف الخرج ويمر منها إلى شبكة المستهلك.

مبدأ تشغيل أبسط مولد تيار مستمر

عندما يدور الإطار حول المحور ، يدور نصفيها الأيمن والأيسر حول القطبين الجنوبي أو الشمالي للمغناطيس. في كل مرة يحدث فيها تغيير في اتجاه التيارات في الاتجاه المعاكس ، بحيث تتدفق في كل قطب في اتجاه واحد.

لإنشاء تيار مباشر في دائرة الإخراج ، يتم إنشاء نصف حلقة عند عقدة المجمع لكل نصف الملف. الفرش المجاورة للحلقة تزيل فقط إمكانات علامتها: إيجابية أو سلبية.

نظرًا لأن نصف حلقة الإطار الدوار مفتوحة ، يتم إنشاء لحظات فيه عندما يصل التيار إلى أقصى قيمته أو يكون غائبًا. من أجل الحفاظ ليس فقط على الاتجاه ، ولكن أيضًا على القيمة الثابتة للجهد المتولد ، يتم تصنيع الإطار وفقًا لتقنية معدة خصيصًا:

• لا يستخدم ملفًا واحدًا ، ولكنه يستخدم عدة ملفات - اعتمادًا على حجم الجهد المخطط له ؛

• لا يقتصر عدد الإطارات على نسخة واحدة: فهم يحاولون عمل عدد كافٍ للحفاظ على انخفاض الجهد على النحو الأمثل عند نفس المستوى.

في مولد التيار المستمر ، توجد ملفات الدوار في الفتحات دائرة مغناطيسية… هذا يسمح بتقليل فقدان المجال الكهرومغناطيسي المستحث.

ميزات تصميم مولدات التيار المستمر

العناصر الرئيسية للجهاز هي:

• إطار طاقة خارجي

• أقطاب مغناطيسية

• الجزء الثابت.

• دوار دوار

• تبديل بلوك الفرش.

هيكل مصنوع من سبائك الصلب أو الحديد الزهر لإعطاء قوة ميكانيكية للهيكل العام. تتمثل المهمة الإضافية للإسكان في نقل التدفق المغناطيسي بين القطبين.

أقطاب مغناطيسية متصلة بالجسم بمسامير أو مسامير. يتم تركيب ملف عليها.

الجزء الثابت ، الذي يُطلق عليه أيضًا اسم نير أو هيكل عظمي ، مصنوع من مواد مغناطيسية حديدية. يتم وضع ملف ملف الإثارة عليه. قلب الجزء الثابت مجهز بأقطاب مغناطيسية تشكل مجالها المغناطيسي.

الدوار له مرادف: المرساة. يتكون قلبها المغناطيسي من ألواح مغلفة تقلل من تكوين التيارات الدوامة وتزيد من الكفاءة. يتم وضع الدوار و / أو ملفات الإثارة الذاتية في القنوات الأساسية.

عقدة التبديل مع الفرش ، يمكن أن تحتوي على عدد مختلف من الأعمدة ، ولكنها دائمًا من مضاعفات اثنين. عادة ما تكون مادة الفرشاة من الجرافيت. صُنعت ألواح التجميع من النحاس ، كأفضل معدن مناسب للخصائص الكهربائية لتوصيل التيار.

بفضل استخدام مفتاح ، يتم إنشاء إشارة نابضة في أطراف الخرج لمولد التيار المستمر.

الأنواع الرئيسية لمنشآت مولدات التيار المستمر

وفقًا لنوع مصدر الطاقة الخاص بملف الإثارة ، يتم تمييز الأجهزة:

1. مع الإثارة الذاتية.

2. تعمل على أساس الإدماج المستقل.

يمكن للمنتجات الأولى:

• استخدام مغناطيس دائم

• أو تعمل من مصادر خارجية ، مثل البطاريات وتوربينات الرياح ...

تعمل المولدات التي يتم تبديلها بشكل مستقل من ملفها الخاص ، والذي يمكن توصيله:

• بالتتابع

• التحويلة أو الإثارة الموازية.

يظهر أحد خيارات مثل هذا الاتصال في الرسم التخطيطي.

مثال على مولد التيار المستمر هو تصميم كان يستخدم غالبًا في هندسة السيارات في الماضي. هيكلها هو نفس هيكل المحرك التعريفي.

يمكن أن تعمل هياكل المجمع هذه في وقت واحد في وضع المحرك أو المولد. وبسبب هذا ، فقد انتشروا في السيارات الهجينة الموجودة.

عملية تشكيل المرساة

يحدث هذا في وضع الخمول عندما يتم ضبط ضغط الفرشاة بشكل غير صحيح ، مما يؤدي إلى إنشاء وضع احتكاك دون المستوى الأمثل. هذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في المجالات المغناطيسية أو نشوب حريق بسبب زيادة الشرارة.

طرق التقليل هي:

• تعويض المجالات المغناطيسية عن طريق توصيل أقطاب إضافية ؛

• تعديل إزاحة موضع فرش التجميع.

مزايا مولدات التيار المستمر

يشملوا:

• بدون خسائر بسبب التباطؤ وتشكيل التيار الدوامة ؛

• العمل في ظروف قاسية

• انخفاض الوزن والأبعاد الصغيرة.

مبدأ تشغيل أبسط المولد

داخل هذا التصميم ، يتم استخدام نفس التفاصيل كما في التناظرية السابقة:

• حقل مغناطيسي؛

• إطار دوار

• كتلة جامع مع فرش التصريف الحالية.

يكمن الاختلاف الرئيسي في تصميم مجموعة المجمّع ، المصممة بحيث عندما يدور الإطار عبر الفرشاة ، يتم الاتصال باستمرار بنصف الإطار دون تغيير موضعها دوريًا.

لذلك ، يتم نقل التيار ، الذي يتغير وفقًا لقوانين التوافقيات في كل نصف ، دون تغيير تمامًا إلى الفرشاة ، ثم من خلالها إلى دائرة المستهلك.

وبطبيعة الحال ، يتم إنشاء الإطار عن طريق لف ليس من منعطف واحد ، ولكن من خلال عدد محسوب منها لتحقيق التوتر الأمثل.

وبالتالي ، فإن مبدأ تشغيل مولدات التيار المستمر والتيار المتردد شائع ، وتكمن اختلافات التصميم في إنتاج:

• الدورية تجميع مجمع الدوار.

• تكوين لف الدوار.

ميزات تصميم المولدات الصناعية

ضع في اعتبارك الأجزاء الرئيسية لمولد الحث الصناعي حيث يتلقى الجزء المتحرك حركة دورانية من توربين قريب. يتضمن بناء الجزء الثابت مغناطيسًا كهربائيًا (على الرغم من أنه يمكن إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة مجموعة من المغناطيسات الدائمة) وملف دوار بعدد معين من المنعطفات.

يتم إحداث قوة دافعة كهربائية في كل حلقة ، والتي تضاف على التوالي في كل منها وتشكل عند أطراف الخرج القيمة الإجمالية للجهد الموفر لدائرة الإمداد للمستهلكين المتصلين.

لزيادة سعة EMF عند خرج المولد ، يتم استخدام تصميم خاص للنظام المغناطيسي ، مصنوع من دائرتين مغناطيسيتين بسبب استخدام درجات خاصة من الفولاذ الكهربائي على شكل ألواح مغلفة مع قنوات. يتم تثبيت الملفات بداخلها.

في غلاف المولد ، يوجد قلب ثابت به قنوات لاستيعاب ملف يخلق مجالًا مغناطيسيًا.

يحتوي الدوار الذي يدور على المحامل أيضًا على دائرة مغناطيسية مشقوقة بداخله مثبتة على ملف يتلقى EMF مستحثًا. عادة ، يتم اختيار الاتجاه الأفقي لمحور الدوران ، على الرغم من وجود مولدات بترتيب رأسي والتصميم المقابل للمحامل.

يتم دائمًا إنشاء فجوة بين الجزء الثابت والدوار ، وهو أمر ضروري لضمان الدوران ومنع التشويش. ولكن في الوقت نفسه ، هناك فقدان للطاقة الحثية المغناطيسية فيه. لذلك ، يحاولون جعلها صغيرة قدر الإمكان ، مع مراعاة كلا المطلبين بالطريقة المثلى.

يقع المثير على نفس عمود الدوار ، وهو عبارة عن مولد تيار مباشر منخفض الطاقة نسبيًا. الغرض منه: توفير الكهرباء لملفات مولد الطاقة في حالة الإثارة المستقلة.

غالبًا ما تستخدم هذه المثيرات مع تصميمات التوربينات أو المولدات الهيدروليكية عند إنشاء طريقة الإثارة الأولية أو الاحتياطية.

تُظهر صورة المولد الصناعي ترتيب حلقات الانزلاق والفرش لالتقاط التيارات من هيكل دوار دوار. أثناء التشغيل ، يتعرض هذا الجهاز لضغط ميكانيكي وكهربائي مستمر. للتغلب عليها ، يتم إنشاء هيكل معقد يتطلب أثناء التشغيل إجراء فحوصات دورية وإجراءات وقائية.

لتقليل تكاليف التشغيل المتولدة ، يتم استخدام تقنية بديلة مختلفة تستخدم أيضًا التفاعل بين المجالات الكهرومغناطيسية الدوارة. يتم وضع مغناطيسات دائمة أو كهربائية فقط على الدوار وتتم إزالة الجهد من الملف الثابت.

عند إنشاء مثل هذه الدائرة ، يمكن تسمية هذا الهيكل بمصطلح «المولد». يتم استخدامه في المولدات المتزامنة: عالية التردد ، وقاطرات السيارات ، وقاطرات الديزل والسفن ، ومنشآت محطات الطاقة لإنتاج الكهرباء.

خصائص المولدات المتزامنة

مبدأ التشغيل

يكمن الاسم والميزة المميزة للحركة في إنشاء اتصال صارم بين تردد القوة الدافعة الكهربائية المتناوبة المستحثة في لف الجزء الثابت «f» ودوران الجزء المتحرك.

يتم تثبيت ملف ثلاثي الطور في الجزء الثابت ، ويوجد على الجزء المتحرك مغناطيس كهربائي ذو قلب وملف مثير تغذيه دوائر التيار المستمر من خلال مجمع الفرشاة.

يتم دفع الجزء المتحرك إلى الدوران بواسطة مصدر طاقة ميكانيكية - محرك دفع بنفس السرعة. يقوم مجالها المغناطيسي بنفس الحركة.

يتم تحفيز القوى الدافعة الكهربائية من نفس الحجم ولكن يتم تحريكها بمقدار 120 درجة في الاتجاه في لفات الجزء الثابت ، مما يؤدي إلى إنشاء نظام متماثل ثلاثي الطور.

عندما يتم توصيلها بنهايات لفائف الدوائر الاستهلاكية ، تبدأ تيارات الطور في العمل في الدائرة ، والتي تشكل مجالًا مغناطيسيًا يدور بنفس الطريقة: بشكل متزامن.

يعتمد شكل إشارة خرج المجال الكهرومغناطيسي المستحث فقط على قانون توزيع ناقل الحث المغناطيسي في الفجوة بين أقطاب الجزء المتحرك وألواح الجزء الثابت. لذلك ، فإنهم يسعون إلى إنشاء مثل هذا التصميم عندما يتغير حجم الحث وفقًا لقانون الجيب.

عندما تكون الفجوة ثابتة ، يكون متجه التدفق داخل الفجوة شبه منحرف ، كما هو موضح في الرسم البياني الخطي 1.

ومع ذلك ، إذا تم تصحيح شكل الحواف في القطبين بحيث يتم انحرافه عن طريق تغيير الفجوة إلى القيمة القصوى ، فمن الممكن تحقيق الشكل الجيبي للتوزيع كما هو موضح في السطر 2. يتم استخدام هذه التقنية في الممارسة العملية.

دوائر الإثارة للمولدات المتزامنة

القوة الدافعة المغناطيسية الناشئة عن ملف إثارة العضو الدوار «OB» تخلق مجاله المغناطيسي. لهذا ، توجد تصميمات مختلفة لمحركات التيار المستمر تعتمد على:

1. طريقة الاتصال.

2. طريقة عدم الاتصال.

في الحالة الأولى ، يتم استخدام مولد منفصل يسمى المثير «ب». يتم تشغيل ملف الإثارة بواسطة مولد إضافي وفقًا لمبدأ الإثارة الموازية ، يسمى المثير «PV».

توجد جميع الدوارات على عمود مشترك. لذلك ، فإنهم يدورون بنفس الطريقة تمامًا. تستخدم المتغيرات المتغيرة r1 و r2 لتنظيم التيارات في دوائر الإثارة والمضخم.

باستخدام طريقة عدم الاتصال ، لا توجد حلقات انزلاق على الدوار. يتم تثبيت ملف المثير ثلاثي الأطوار مباشرة عليه. يدور بشكل متزامن مع الدوار وينقل التيار الكهربائي المباشر من خلال مقوم الدوران المشترك مباشرة إلى ملف المثير «ب».

أنواع الدوائر اللاتلامسية هي:

1. نظام الإثارة الذاتية من الملف الثابت للجزء الثابت ؛

2. مخطط آلي.

في الطريقة الأولى ، يتم تغذية الجهد من لفات الجزء الثابت إلى محول التنحي ، ثم إلى مقوم أشباه الموصلات «PP» ، الذي يولد تيارًا مباشرًا.

بهذه الطريقة ، يتم إنشاء الإثارة الأولية بسبب ظاهرة المغناطيسية المتبقية.

يتضمن المخطط التلقائي لإنشاء الإثارة الذاتية استخدام:

• محول الجهد VT ؛

• منظم الإثارة الآلي ATS ؛

• محول التيار TT ؛

• المعدل VT ؛

• محول الثايرستور TP ؛

• كتلة الحماية BZ.

خصائص المولدات غير المتزامنة

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذه التصميمات في عدم وجود علاقة صلبة بين سرعة الدوار (nr) و EMF المستحث في الملف (n). هناك دائما فرق بينهما ، وهذا ما يسمى "زلة". يُشار إليه بالحرف اللاتيني "S" ويعبر عنه بالصيغة S = (n-nr) / n.

عندما يتم توصيل الحمولة بالمولد ، يتم إنشاء عزم كبح لتدوير الدوار. يؤثر على تواتر EMF المتولد ، ويخلق زلة سلبية.

يتم إنشاء الدوار للمولدات غير المتزامنة:

• دائرة مقصورة؛

• مرحلة؛

• أجوف.

يمكن أن تحتوي المولدات غير المتزامنة على:

1. الإثارة المستقلة.

2. الإثارة الذاتية.

في الحالة الأولى ، يتم استخدام مصدر جهد تيار متردد خارجي ، وفي الحالة الثانية ، يتم استخدام محولات أو مكثفات أشباه الموصلات في النوعين الأولي والثانوي أو كلا النوعين من الدوائر.

وبالتالي ، فإن المولدات ومولدات التيار المباشر لديهما الكثير من القواسم المشتركة في مبادئ البناء ، ولكنها تختلف في تصميم بعض العناصر.