Методи за генериране на променлив ток
За получаване на променлив ток с индустриална честота (50 Hz) в електроцентралите се инсталират синхронни алтернатори на електрически машини. В тези машини, както и в генераторите за постоянен ток, се използва явлението електромагнитна индукция. С помощта на алтернатор механичната енергия, доставяна от главния двигател (парна или хидравлична турбина), се преобразува в електрическа енергия на променлив ток.
Фигура 1. Схема на устройството на алтернатора.
Синхронен генератор (фиг. 1) се състои от неподвижна част 1 - статор и въртяща се част 2 - ротор.
Статорът е сглобен от листова електротехническа стомана. Има формата на кух цилиндър. В жлебовете (канални вдлъбнатини), направени по вътрешната повърхност на статора, са положени изолирани проводници, свързани помежду си и образуващи намотката на променлив ток на статора.
Роторът е електромагнит, който се възбужда от постоянен ток. Този възбуждащ ток се подава в намотката на ротора през медни пръстени, монтирани на вала на ротора. По пръстените се плъзгат неподвижни четки, свързани чрез жици към възбудител - малък генератор на постоянен ток.
Конструкцията на ротора зависи от работната скорост на въртене, за която е проектиран генераторът.
За високоскоростни генератори, въртящи се от парни турбини (турбо генератори), роторите са направени неизпъкнали. За нискоскоростни генератори, въртящи се от хидравлични турбини (хидравлични генератори), роторите са направени с изпъкнал полюс (фиг. 2).
Най-простият имплицитно полюсен ротор (3000 и 1500 об / мин) е масивна стоманена изковка, в радиалните жлебове на която проводниците са подсилени с метални клиновенамотки за възбуждане.
Фигура 2. Схема на ротор с изпъкнал полюс.
Магнитният поток на ротора преминава през тялото на ротора, две въздушни междини между статора и ротора и ядрото на статора (виж фиг. 1). Когато роторът се върти, този магнитен поток F пресича проводниците на статора и индуцира в тях променлива ЕМП. Тъй като магнитният поток във въздушната междина е насочен перпендикулярно на проводниците на намотката на статора, съгласно закона за електромагнитната индукция във всеки от тези проводници се индуцира ЕМП по време на въртенето на потока.
- където B е магнитната индукция в жлеба, където се намира този проводник;
- L е активната дължина на проводника, т.е. дължината на тази част от проводника, която е в магнитното поле;
- V е периферната скорост, т.е. скоростта на магнитния поток спрямо проводника.
В повечето случаи периферната скорост на генератора се поддържа постоянна (v = const) и тъй като дължината L също е постоянна, промяната в EMF e по време на въртене на ротора се причинява само от промени в магнитната индукция B по протежение на обиколката на ротора. Ако тази индукция е разпределена синусоидално по обиколката на ротора (B = Bm sin a), тогава ЕМП се променя във времето също синусоидално (e = Em sin wt). Това обстоятелство се използва при конструирането на генератори за променлив ток, за да се получи синусоидално напрежение от тях.
Един оборот на биполярния ротор съответства на един период на променливата EDE, индуцирана в проводниците на намотката на статора. Ако статорът има p двойки полюси, тогава въртенето на ротора през ъгъла, зает от една двойка полюси, причинява един период на промяна в ЕМП. В този случай един оборот на ротора съответства на p периоди на променливата ЕМП. Роторът прави n оборота в минута; така на минутапроменливата ЕМП на генератора ще има p • n периоди. Броят на периодите в секунда на алтернатора, т.е. честотата на неговата променлива EDE, ще бъде 60 пъти по-малък:
Но генераторът трябва да доставя променлив ток със стандартна честота f = 50 Hz. При това условие p• n = 3000.
По този начин максималната скорост, която може да има алтернатор с мощност, съответства на една двойка полюси p = 1. При тази скорост n = 3000 rpm работят гореспоменатите турбогенератори. Изгодно е да се изграждат машини с най-високата допустима скорост, тъй като при една и съща мощност високоскоростните машини тежат по-малко и имат по-малки размери.
Скоростта на хидрогенератора се определя от скоростта на движение на водата, следователно, когато се изгражда хидростанция на бавно течащи реки, е необходимо да се захранват роторите на хидрогенераторите с голям брой полюси. Например генераторите на Днепърската водноелектрическа станция, кръстена на. Ленин правят 83,3 оборота в минута, а роторите им имат по 72 полюса (т.е. p \u003d 36).