Un generatore di corrente elettrica è un dispositivo progettato per convertire tipi di energia non elettrica (chimica, meccanica, termica) in energia elettrica. Inoltre, il suo design si basa sull'uso del principio dell'induzione elettromagnetica.
Il principio di funzionamento e il dispositivo dell'alternatore più semplice
L'induzione elettromagnetica è un fenomeno scoperto nel 1831 dal fisico inglese Michael Faraday (1791-1867), il quale scoprì che quando un flusso magnetico variabile nel tempo attraversa un circuito conduttivo chiuso, in quest'ultimo si genera una corrente elettrica. È questo principio che sta alla base di qualsiasi generatore.
In pratica, il principio dell'induzione elettromagnetica viene implementato come segue: una corrente elettrica nasce in un telaio chiuso (rotore) quando è attraversata da un campo magnetico rotante formato, a seconda dello scopo e del design del generatore, da magneti permanenti o speciali avvolgimenti di eccitazione. Quando si ruota la cornice, l'ampiezza del flusso magnetico cambia. Più velocemente gira, maggiore è la tensione di uscita.
Nel 1827, il fisico ungherese Anjos Istvan Jedlik (1800-1895) scoprì questo effetto e lo utilizzò per creare un modello originale di un generatore di corrente elettrica. Tuttavia, credendolo famoso, lo scienziato non brevettò la sua scoperta e annunciò la creazione della prima dinamo solo nel 1850.
Per drenare la corrente elettrica, il telaio è dotato di un collettore di corrente, che lo trasforma in un circuito chiuso e garantisce un contatto costante del telaio rotante con gli elementi fissi del generatore. Le spazzole a molla vengono premute contro gli anelli del collettore e quindi la corrente elettrica viene fornita ai terminali di uscita del generatore.
Ruotando, le metà del telaio passano successivamente vicino ai poli del magnete. In questo caso, si verifica un cambiamento ciclico nella direzione del movimento della corrente emergente: su ciascun polo, la corrente si muove in una direzione.
A seconda del design del collettore, il generatore può produrre sia corrente continua che alternata.
- Nei generatori CC, per ciascuna metà dell'avvolgimento nel gruppo collettore, ci sono semianelli isolati l'uno dall'altro. A causa del fatto che questi semianelli cambiano costantemente con le spazzole, la corrente non cambia direzione, ma semplicemente pulsa.
- Negli alternatori, le estremità del telaio sono legate ad anelli collettori e l'intera struttura ruota attorno al proprio asse. Quando il telaio ruota, le spazzole, ciascuna delle quali è strettamente adiacente al proprio anello, forniscono una calata affidabile. In questo caso, non vi è alcun cambiamento ciclico nella posizione delle spazzole.
La parte rotante del generatore è chiamata rotore e la parte fissa è chiamata statore.
Il principio di funzionamento dei generatori di corrente alternata e continua è identico. Differiscono l'uno dall'altro nel design degli anelli collettori situati sul rotore rotante e nella configurazione degli avvolgimenti.
Negli alternatori viene spesso utilizzata una soluzione tecnica originale, basata sul fatto che l'EMF si verifica in un conduttore non solo quando ruota in un campo magnetico, ma anche quando il campo magnetico stesso ruota rispetto a un conduttore fisso.
Questo effetto è ampiamente utilizzato dagli sviluppatori che posizionano magneti elettrici o permanenti su un rotore rotante. In questo caso, la tensione viene rimossa dall'avvolgimento installato fisso, il che consente di eliminare i progetti complessi delle unità di raccolta della corrente.
Generatori di corrente alternata
- prestazione costruttiva;
- metodo di eccitazione;
- numero di fasi.
Secondo il metodo di eccitazione, il consumatore può incontrare unità:
- con eccitazione indipendente: l'avvolgimento di eccitazione è alimentato da corrente continua da una fonte di alimentazione indipendente;
- con autoeccitazione: una corrente raddrizzata dal generatore stesso viene fornita all'avvolgimento di eccitazione;
- con eccitazione da magneti permanenti - non c'è avvolgimento di eccitazione;
- con eccitazione dall'eccitatore - un generatore di corrente continua a bassa potenza, "seduto" sullo stesso albero con il generatore in manutenzione.
Per il numero di fasi, i generatori elettrici sono:
- monofase;
- bifasico;
- trifase.
In pratica, gli alternatori trifase sono i più comuni. Ciò è dovuto a una serie di vantaggi caratteristici di questo tipo di aggregati:
- ottenere un effetto economico nello sviluppo di sistemi per la trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze - riducendo il consumo di materiale dei dispositivi del trasformatore e dei cavi di alimentazione; Ciò è facilitato dalla presenza di un campo magnetico circolare;
- maggiore durata, che garantisce l'equilibrio del sistema;
- utilizzo simultaneo della tensione di linea e di fase.
Strutturalmente, un generatore elettrico trifase ha tre avvolgimenti indipendenti situati nello statore in un cerchio con un offset di 120 ° l'uno rispetto all'altro. In questo caso, ciascun avvolgimento è un generatore monofase, che è in grado di fornire una tensione alternata al consumatore R. Tale singolo avvolgimento è chiamato "fase". Gli avvolgimenti di fase possono essere interconnessi mediante "triangolo" o "stella".
Esistono altri schemi per collegare gli avvolgimenti, ad esempio il sistema Tesla a sei fili o la connessione Slavyanka (una combinazione di sei avvolgimenti sotto forma di una "stella" e un "triangolo"), ma non erano ampiamente utilizzati.
Il ruolo del telaio nei dispositivi che generano corrente alternata è svolto da un elettromagnete, che, mentre ruota, sposta l'EMF alternato indotto negli avvolgimenti di un terzo di ciclo l'uno rispetto all'altro.
Tra i tanti alternatori, ci sono due tipi principali del loro design: sincrono e asincrono. Di recente, dato il gran numero di dispositivi elettronici complessi controllati da microprocessori, è apparso un nuovo tipo di generatore elettrico: l'inverter.
Generatori di potenza sincroni
Un alternatore sincrono è strutturalmente composto da due parti: un rotore mobile e uno statore fisso.
Quando il rotore ruota, che è un elettromagnete con un nucleo e un avvolgimento di eccitazione, collegato a una fonte di alimentazione esterna mediante un meccanismo a spazzole, viene indotto un EMF nell'avvolgimento dello statore, che viene alimentato ai terminali di uscita del generatore. Questo design elimina la necessità di contatti striscianti, il che semplifica notevolmente il design dell'unità. Inizialmente, il flusso magnetico viene eccitato da un eccitatore di terze parti collegato a un albero comune e collegato al sistema tramite un giunto.
Nei generatori elettrici sincroni a bassa potenza, l'avvolgimento di eccitazione è alimentato da corrente raddrizzata. In questo caso, il circuito elettrico si forma a causa dell'attivazione dei trasformatori inclusi nel circuito di carico. È incluso anche un raddrizzatore a semiconduttore. Il circuito elettrico principale comprende:
- avvolgimento di eccitazione;
- reostato di regolazione.
La caratteristica principale di un generatore sincrono è che la frequenza della corrente elettrica generata è proporzionale alla velocità del rotore.
Generatori di corrente asincroni
Il design dei generatori asincroni è semplice, ma allo stesso tempo ha le peggiori caratteristiche tecniche rispetto alle unità sincrone: l'errore in frequenza può raggiungere il 4% e in termini di tensione - fino al 10%. Inoltre, i generatori asincroni sono fondamentali per la corrente di avviamento. Pertanto, si consiglia di utilizzarli insieme a stabilizzatori e, in alcuni casi, ad esempio, per un avviamento graduale di un motore elettrico, potrebbe essere necessario un convertitore di frequenza.
Generatori inverter
Un generatore elettrico inverter è un generatore asincrono convenzionale, all'uscita del quale è installato uno stabilizzatore aggiuntivo dei parametri di uscita.
Funziona come segue: la tensione generata dal generatore asincrono entra nell'inverter, dove viene prima raddrizzata, quindi dalla tensione costante ottenuta si formano impulsi di una determinata frequenza e ciclo di lavoro. All'uscita del dispositivo, questi impulsi vengono convertiti in una tensione sinusoidale con caratteristiche tecniche quasi ideali.
Azionamento dell'alternatore
In un ambiente domestico, il rotore del generatore è alimentato da motori a combustione interna (ICE) che funzionano con combustibili come benzina o diesel. Allo stesso tempo, la durata dei generatori a benzina dotati di motori a combustione interna a due tempi è di circa 500 ore all'anno (non più di 4 ore al giorno); l'ICE a quattro tempi raggiunge le 5000 ore all'anno.
Si consiglia di utilizzare generatori a benzina per brevi interruzioni di corrente e/o per uscite in campagna.
I generatori diesel sono più potenti e più durevoli dei generatori a benzina. Tra questi ci sono modelli con raffreddamento ad aria e liquido. Le unità raffreddate ad aria sono consigliate per l'uso in luoghi in cui l'elettricità viene spesso interrotta per lungo tempo.
L'utilizzo di tali dispositivi domestici è estremamente semplice: è necessario riempire il serbatoio del carburante, girare la chiave per avviare il motore e collegare il carico. Il loro pannello di controllo è dotato di tutte le etichette e i simboli necessari e intuitivi.
I generatori diesel raffreddati a liquido sono dispositivi di una categoria completamente diversa. Sono in grado di funzionare per giorni e notti e sono utilizzati principalmente nelle imprese come fonti di alimentazione di backup.
I generatori industriali, progettati per generare corrente alternata e fornirla ai consumatori su lunghe distanze utilizzando linee elettriche ad alta tensione (PTL), funzionano attivando turbine idrauliche o a vapore. In tali unità, il meccanismo del rotore è collegato direttamente alla ruota della turbina.
I generatori di corrente a turbina sono caratterizzati da un'elevata potenza (fino a 100.000 kW) e sono in grado di generare corrente alternata con tensione fino a 16 kV. In questo caso, la lunghezza e il diametro del loro rotore possono raggiungere rispettivamente 6,5 e 15 metri e la velocità di rotazione di quest'ultimo è nell'intervallo 1500 ... 3000 giri/min. Tali unità sono installate in stanze separate su basi di cemento appositamente preparate.
Opzioni e capacità del generatore domestico
Per facilità d'uso, i produttori equipaggiano i loro prodotti con una serie di opzioni utili, tra cui:
- dispositivo per l'avvio automatico dell'unità in caso di mancanza di corrente;
- la presenza di un RCD integrato che disconnette il dispositivo dalla rete in caso di guasto dell'isolamento e comparsa di una corrente di dispersione;
- controllo dei parametri e loro visualizzazione sul display;
- protezione da sovraccarico.
Quando un carico è collegato a un generatore elettrico, il cui valore sarà inferiore a quello nominale, l'unità inizierà a "mangiare" invano parte del combustibile liquido, non sfruttando appieno le sue capacità.
Non sarà superfluo avere uno speciale involucro antirumore, un serbatoio del carburante maggiorato, un involucro che protegga l'unità dagli effetti delle basse temperature, ecc.
Caratteristiche di installazione
Il potenziale proprietario di un alternatore prima dell'acquisto dovrebbe occuparsi di preparare un luogo per la sua installazione. Indipendentemente da dove verrà installata tale unità, all'interno o all'esterno, avrà bisogno di una piattaforma piatta e solida. L'installazione di un generatore elettrico su un terreno irregolare aumenterà le vibrazioni, che accelereranno l'usura delle parti e possono causare il guasto di un dispositivo costoso.
Quando si installa il generatore all'interno, è importante prevedere la ventilazione di scarico. Inoltre, durante il funzionamento dell'unità, si consiglia di lasciare aperta la porta della stanza, che a sua volta richiederà l'installazione di una griglia nella porta che blocchi gli estranei e, soprattutto, i bambini, l'accesso alla zona di pericolo.
Collegare il generatore alla rete in stretta conformità con i requisiti indicati nelle istruzioni per l'uso. In questo caso, il cavo elettrico deve essere collegato dopo la macchina introduttiva e il contatore elettrico.
