Alternator

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Imagine istorică a unui alternator trifazat din Kraftwerk Heimbach , Germania

Alternatorul este o mașină electrică rotativă bazată pe legea fizică a inducției electromagnetice (sau Faraday-Neumann), care convertește energia mecanică furnizată de motorul principal în energie electrică sub formă de curent alternativ . Acest proces, numit conversie de energie electromecanică, implică formarea câmpurilor magnetice care acționează ca un mediu intermediar. Conversia electromecanică a energiei este foarte eficientă, cu randamente de aproape 95%. [ fără sursă ]

Rețeaua electrică este, în cea mai mare parte, alimentată de alternatoare, deoarece acești generatori sunt mijloacele de conversie a energiei prezente în principalele centrale electrice .

Principiu constructiv

Principiul de construcție și funcționare variază în funcție de tipul generatorului.

Generator sincron

Mașina constă dintr-o parte goală fixă, numită stator , în interiorul căreia se rotește o parte cilindrică cu cheie pe arborele de rotație, numită rotor .

Rotorul generează câmpul magnetic rotativ prin intermediul unor magneți electroni , alternativ se utilizează magneți permanenți care nu necesită alimentare. Pe stator sunt înfășurările electrice pe care sunt induse forțele electromotoare care vor susține curentul electric produs. [1] [2] . Frecvența rotațiilor rotorului este dată de formula: . Singura excepție este în trei faze sau două faze alternatoare motociclete, unde alternatoare nu sunt reale cu trei faze sau două faze alternatoare, dar sunt trei sau două alternatoare o singură fază , dispuse echidistant și supus la trei sau două perechi de poli pe rotație, deci există trei sau două unde sinusoidale care nu sunt defazate.

Tipul de construcție variază considerabil în funcție de tipul de mașină la care sunt cuplate. În cazul alternatoarelor situate în centrale hidroelectrice, unde turbina hidraulică are o viteză de rotație care nu este prea mare, de ordinul a câteva sute de rotații pe minut, înfășurarea rotorului iese în raport cu arborele (vorbim de o N „mașină de poli ieșită” [3] ). Viteza depinde de caracteristicile turbinei hidraulice și este invers proporțională cu numărul de poli. Alternatoarele cuplate la turbomachine (turbine cu gaz sau cu abur) au înfășurarea rotorului găzduită în fante, viteză de rotație mai mare și se disting în plus prin tipul de răcire, aer, apă și hidrogen.

Eficiența acestor alternatoare este foarte mare, în jur de 0,97 (97%) pentru a scădea la 0,83 (83%).

Generator asincron

Dacă, pe de altă parte, un motor asincron este utilizat ca bază, acest motor este utilizat ca generator numai atunci când puterile implicate sunt conținute și în principal atunci când este conectat la o rețea electrică predominantă (rețea națională), care este menținută în tensiunea prin alternatoare sincrone. Pentru a funcționa ca un generator, motorul asincron ia energie reactivă din rețea pentru a magnetiza circuitul rotorului (deoarece circuitele rotorului cușcă de veveriță sunt lipsite de excitație), rotorul este apoi pornit de o sursă externă de energie (sursă mecanică) și adus în hipersincronism (rotorul se rotește mai repede decât câmpul magnetic al statorului), devenind un generator de energie. În această condiție, în timp ce furnizează putere activă rețelei dominante, absoarbe simultan puterea reactivă pentru a menține câmpul magnetic rotativ alimentat. Conform unor studii, eficiența acestor mașini ar trebui să fie de aproximativ 0,6 (60%), pentru a scădea la 0,4 (40%), rezultând astfel mult mai mică decât sistemul sincron, dar cu avantajul de a fi robuste și ușor de gestionat, deoarece în cazul creșterii vitezei arborelui nu există o supra-frecvență (frecvență mai mare), ci fenomene mecanice localizate de exemplu în arbore (cum ar fi frânarea).

Pentru a opera un generator asincron pe o insulă (fără rețea externă conectată, dar fiind singurul generator), condensatorii sunt utilizați conectați la terminalele motorului, atât pentru ieșirea trifazată 220/380 cu condensatori 3 stea 15 de 400 volți. pe kW, iar pentru cel monofazat la 230 V, cu tehnica C-2C, doi condensatori dintre care al doilea ("2C") are valoarea dublă a primului ("c"), care asigură puterea reactivă necesar motorului, permițându-i să funcționeze ca generator. Defectul acestei aplicații este necesitatea unui regulator mecanic pe sistemul de alimentare (motor cu ardere internă, turbină etc.) sau disipare electronică situată în aval de motorul / generatorul asincron izolat. În consecință, va exista o frecvență și o tensiune stabilă, deoarece sarcina electrică conectată variază. Această tehnică se numește IGC ( Induction Generator Controller ) și este adesea utilizată în turbine hidroelectrice chiar și peste 50 kW funcționând izolat. Evident, va fi necesară o rezistență electrică (balast) pentru a disipa toată puterea produsă. Uneori, un amestec al celor două tehnici este utilizat și pe turbine hidraulice de sine stătătoare, este inutil să spunem că este absurd utilizarea acestui sistem cu un motor asincron ca generator pentru un generator în afara rețelei: un alternator sincron este mai bun, de fapt autonomul asincron este utilizat numai pentru turbine bihidraulice cu putere redusă, dar sarcina trebuie să fie în principal rezistivă, altfel riscul de dez-excitație, cu consecința pierderii de tensiune și creșterea vitezei (turbină / evacuare a primului motor). Asincronul poate fi utilizat în paralel cu rețeaua care furnizează tensiunea de excitație pentru turbinele hidraulice care eliberează energie în paralel cu rețeaua națională.

Utilizări practice

Imagine istorică: Alternatoare utilizate la începutul secolului al XX-lea (1909) în sala de mașini a unei centrale hidroelectrice din Turkmenistan , ( Imperiul Rus ), pentru producerea de energie electrică.

Există multe utilizări ale alternatoarelor, care sunt utilizate în aproape toate centralele electrice care apoi îl transformă pentru a permite transportul și distribuția pentru uz industrial și casnic. Procesul care alimentează mecanic arborele alternatorului este similar cu toate tipurile de centrale și se bazează pe o turbină sau un motor cu ardere internă . Aceasta include cele capabile să exploateze energia potențială , cum ar fi centralele hidroelectrice , sau energia termică a aburului , cum ar fi centralele termoelectrice [4] , geotermale și termonucleare .

În aceste mari alternatoare, electricitatea este produsă la niveluri de tensiune în ordinea a mii de volți , de obicei trifazate la o frecvență de 50 Hz (60 în Statele Unite și alte câteva țări). Viteza de rotație este constantă, este o funcție a caracteristicilor de construcție ale mașinii și ale motorului principal la care este cuplată și este independentă de sarcină; pe măsură ce acest lucru crește sau scade (adică al utilizatorilor conectați) viteza de rotație nu se schimbă, dar pentru a o menține neschimbată este necesar să măriți sau să micșorați intervalul forței care îl face să se miște, acest lucru deoarece fiecare utilizator conectat crește rezistența opusă la mișcare ( forță contraelectromotoare ).

Datorită capacității realizate de industria electronică în miniaturizarea componentelor, alternatorul a înlocuit progresiv dinamul în producția de energie electrică în mașini și în toate celelalte autovehicule. [5] Are funcția de a menține bateria încărcată, necesară pentru pornirea motorului și alimentarea tuturor funcțiilor electrice la bord. Deoarece nu există mijloace de stocare a energiei electrice în curent alternativ, există o punte redresoare care are funcția de a o transforma în curent continuu și de a permite astfel acumularea acesteia în baterie. Chiar și la biciclete, utilizarea unui alternator mic a fost impusă, în locul dinamului, pentru a alimenta dispozitivele de iluminat.

Teste fără sarcină și scurtcircuit

Aceste teste sunt utilizate pentru a analiza caracteristicile alternatorului. [6]

Testul fără sarcină permite obținerea caracteristicilor de magnetizare și emf , pentru acest test alternatorul trebuie acționat de un motor care trebuie să depășească pierderile fără sarcină ale generatorului, care se ridică la 0,5 ÷ 4% din puterea nominală [7 ]

Testul de scurtcircuit permite obținerea curentului permanent de scurtcircuit, raportul de scurtcircuit și urmărirea caracteristicii de scurtcircuit [8]

Funcționare staționară

Principiul de funcționare al unui alternator cu 2 faze.

Alternatorul, în forma sa cea mai simplă, este compus dintr-un solenoid lovit de un câmp magnetic legat să se rotească în jurul unei axe perpendiculare pe liniile câmpului. De fapt, să luăm în considerare următoarele aproximări:

Mai întâi definim două coordonate generalizate :

  • unghiul variabil al câmpului rotorului față de o fază statorică:
  • unghiul variabil al înfășurării rotorului față de aceeași fază statorică: .

Exprimăm apoi inducția magnetică a rotorului văzută din faza statorului:

unde amplitudinea (care pentru frecvență joasă verifică legea lui Ampère , adică fără curent de deplasare ):

și, prin urmare, fluxul magnetic al rotorului concatenat cu faza statorului de referință este valid prin alegerea suprafeței interne semicilindrice a statorului:

unde L r este inductanța variabilă a rotorului, care rezolvă integralul este:

.

În mod corespunzător, inducția magnetică a unei faze stator sf pe alta este o undă pătrată de amplitudine:

Cu toate acestea, întrucât bobinele ocupă de fapt un arc de înfășurare non-neglijabil, este aproximat într- o serie Fourier trunchiată la primul ordin:

coeficientul 2 / π face ca media integrală a câmpului sinusoidal să fie identică cu intensitatea câmpului pătrat: .

Curentul statorului alternează cu aceeași frecvență ca și câmpul rotorului, prin urmare:

și exprimând fiecare inducție în coordonatele fazei de referință care are unghiurile θ și φ, în sistemul cu faze N f :

cu .

Pe baza celei de-a doua formule a lui Werner, putem descompune fiecare inducție în două câmpuri contra-rotative:

Inducțiile sunt sumabile dacă sunt liniare; dacă, în plus, amplitudinile curenților fazelor statorice sunt egale una cu cealaltă, și cele ale inducțiilor magnetice vor fi egale, deci le putem scoate din însumări:

Primul este o sumă de termeni constanți, în timp ce al doilea este nul deoarece termenii sunt partiții a două transformări în părți N f .

În cele din urmă, fluxul magnetic al statorului legat de faza de referință este:

unde L sb este inductanța statorului L s fără a lua în considerare componenta de dispersie L sd , care rezolvă integralul este:

,

în timp ce eu este curentul total al statorului raportat pe fază, egal cu:

,

Acum, pentru principiul suprapunerii valabil pentru circuitele magnetice liniare și legea Faraday-Neumann-Lenz :

,

unde este se numește tensiune fără sarcină a alternatorului.

executând transformata Fourier a ecuației anterioare, avem:

,

unde este , este reactanța sincronă. Acest lucru permite delimitarea circuitului electric echivalent al alternatorului.

Avantajele tehnice în comparație cu o dinamă

Avantajele tehnice în producția de energie electrică într-un alternator comparativ cu o dinamă sunt în esență două:

  • Eliminarea pieselor târâtoare
  • Producția de energie electrică în curent alternativ, mai degrabă decât în curent continuu .

Eliminarea periilor, adică contactele glisante care necesită un contact mecanic cu colectorul, reduce într-un alternator cantitatea de piese necesare construcției sale în comparație cu construcția unui dinam și, de asemenea, reduce necesitatea întreținerii periodice a mașină din cauza uzurii pieselor în contact.

Deși tehnologia de-a lungul anilor a contribuit la îmbunătățirea calităților mecanice ale dinamurilor prin scăderea rezistenței electrice a materialelor utilizate, eficiența totală a unei dinamuri este încă afectată de fracțiile de energie scăzute de frecare, astfel încât alternatoarele au înlocuit-o aproape complet în sarcina de producere a energiei electrice, în afară de cazurile rare în care este necesar să se genereze curent continuu și nu este posibil să se utilizeze un redresor , sau nu este foarte convenabil să se facă acest lucru.

Alternator motor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Alternator motor .

Alternatorul din sectorul transporturilor a cunoscut o evoluție, care implică utilizarea alternatorului și ca motor de pornire.

Notă

  1. ^ Alternatorul Arhivat 28 iunie 2009 la Internet Archive .
  2. ^ Alternatorul
  3. ^ Principiul de funcționare și aspectele constructive ale alternatoarelor
  4. ^ Capitolul 3 - Centralele termoelectrice ( PDF ), pe tecnet.pte.enel.it . Adus la 6 mai 2009 (arhivat din original la 13 august 2011) .
  5. ^ Alternatorul (transport)
  6. ^ Fundamentele sistemelor electrice ( PDF ), pe Universitatea din Pavia . Adus la 16 noiembrie 2020 (Arhivat din original la 9 aprilie 2016) .
  7. ^ Test de vid al unui alternator , pe webalice.it . Adus la 25 aprilie 2014 (arhivat din original la 26 aprilie 2014) .
  8. ^ Test de scurtcircuit al unui alternator , pe webalice.it . Adus la 25 aprilie 2014 (arhivat din original la 26 aprilie 2014) .

Bibliografie

  • Olivieri și Ravelli; Electrotehnică, al doilea volum: mașini electrice. Ediții CEDAM.

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 22806 · LCCN (EN) sh85041708 · BNF (FR) cb123986174 (data)