Кіріспе

Механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіретін құрылғы

Альтернатор – механикалық энергияны ауыспалы ток түрінде электр энергиясына түрлендіретін электр генераторы. Құнының төмендігі және қарапайымдылығы себепті, көптеген альтернаторлар стационарлық якорьы бар айналмалы магниттік өріс қолданады. Кейде сызықтық альтернатор немесе стационарлық магниттік өрісі бар айналмалы якорь қолданылуы мүмкін. Принцип бойынша, кез келген айнымалы ток генераторын альтернатор деп атауға болады, бірақ бұл термин көбінесе автомобильдер мен басқа да ішкі жану қозғалтқыштарымен қоздырылатын кішкентай айналмалы машиналарды білдіреді. Магниттік өрісі үшін тұрақты магнитті пайдаланатын альтернатор магнето деп аталады. Бу турбиналарымен жұмыс істейтін электр станцияларындағы альтернаторлар турбоальтернаторлар деп аталады. Электр станцияларындағы ірі 50 немесе 60 Гц үш фазалы альтернаторлар әлемдегі электр қуатының көп бөлігін өндіреді, ол электр желілері арқылы таратылады.

Тарих

Ауыспалы ток өндіретін жүйелер 1830 жылдары электр тогының магниттік индукциясының ашылуынан бастап қарапайым түрде белгілі болды. Айналмалы генераторлар табиғи түрде ауыспалы ток өндірді, бірақ оны аз пайдаланғандықтан, генераторға коммутатор қосу арқылы тікелей токқа айналдыру қалыпты жағдай болды. Алғашқы машиналарды Майкл Фарадей және Гипполит Пикси сияқты пионерлер жасаған. Фарадей "айналмалы тіктөртбұрышты" әзірледі, оның жұмысы гетерополярлы болды – әрбір белсенді өткізгіш магнит өрісінің қарама-қарсы бағытта болатын аймақтарынан бірінен соң бірі өтті. Лорд Келвин және Себастьян Ферранти 100 және 300 Гц арасындағы жиілікті өндіретін алғашқы генераторларды да жасады. 1870 жылдардың соңында орталық генерациялық станциялары бар алғашқы ірі электр жүйелері пайда болды, олар бүкіл көшелерді, зауыт аулаларын немесе үлкен қоймалардың ішкі кеңістіктерін жарықтандыру үшін қолданылатын аркалық шамдарды қуаттандыруға арналған. Мысалы, 1878 жылы ұсынылған Яблочков доғалық шамдары ауыспалы токпен жақсы жұмыс істеді, ал осы ертедегі АЖ генерациялау жүйелерінің дамуы "алмастырғыш" сөзінің алғаш рет қолданылуымен бірге жүрді. 1883 жылы Ганц зауыты нақты жүктемеге қарамастан, белгіленген шығыс кернеуін бере алатын тұрақты кернеу генераторын ойлап тапты. 1880 жылдардың ортасында трансформаторлардың енгізілуі ауыспалы ток кеңінен қолданылуына және оны өндіруге қажетті алмастырғыштарды пайдалануға әкелді. 1891 жылдан кейін көп фазалы токтарды беру үшін көп фазалы алмастырғыштар енгізілді. Кейінгі алмастырғыштар аркалық жарықтандыру, шамдық жарықтандыру және электр моторларын пайдалану үшін 16 мен 100 герц аралығындағы әртүрлі ауыспалы ток жиіліктеріне арналған. Александрсон алмастырғышы сияқты арнайы радиожиілікті алмастырғыштар Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде ұзын толқынды радио хабарларын тарату үшін жасалды және вакуумдық түтіктермен алмастырылғанша бірнеше жоғары қуатты сымсыз телеграф станцияларында қолданылды.

Жұмыс істеу принципі

Магниттік өріске қатысты қозғалатын өткізгіште электр қозғалтқыш күші (ЭҚК) пайда болады (Фарадей заңы). Бұл ЭҚК қарама-қарсы полюстік магниттік полюстердің астынан өтетін кезде полярлығын өзгертеді. Әдетте, ротор деп аталатын айналатын магнит, статор деп аталатын, темір өзекке оралған стационарлық өткізгіштер жиынтығының ішінде айналады. Өріс өткізгіштерді кесіп өтеді, механикалық күш роторды айналдырғанда, индуцияланған ЭҚК (электр қозғалтқыш күші) тудырады. Айналатын магниттік өріс статор орамдарында айнымалы ток кернеуін тудырады. Статор орамдарындағы токтар ротордың орналасуына сәйкес өзгеретіндіктен, бұл генератор синхронды генератор болып табылады.

Синхрондық жылдамдықтар

Бір қос өріс полюсі тұрақты орамдағы бір нүктеден өткен сайын ауыспалы тоқтың бір циклы пайда болады. Жылдамдық пен жиілік арасындағы қатынас , мұндағы жиілік Гц (секундына цикл) арқылы белгіленеді. – полюстердің саны (2, 4, 6, …) және – минутына айналу жылдамдығы (rpm). Көне ауыспалы ток жүйелерінің сипаттамаларында жиілік кейде минутына жасалатын ауыспалылар саны арқылы беріледі, мұнда әр жарты цикл бір ауыспалы ретінде есептеледі; сондықтан минутына 12 000 ауыспалы 100 Гц-ке тең келеді. Алтернатордың шығыс жиілігі полюстердің саны мен айналу жылдамдығына байланысты. Белгілі бір жиілікке сәйкес келетін жылдамдық сол жиілік үшін синхронды жылдамдық деп аталады. Келесі кестеде мысалдар келтірілген:

Полюстер Айналу жылдамдығы (rpm), 50 Гц 60 Гц 400 Гц 2 3000 3600 24000 4 1500 1800 12000 6 1000 1200 8000 8 750 900 6000 10 600 720 4800 12 500 600 4000 14 428.6 514.3 3429 16 375 450 3000 18 333.3 400 2667 20 300 360 2400 40 150 180 1200

Жіктеу

Альтернаторлар қозу әдісі, фазалар саны, айналу түрі, салқындату әдісі және қолданылу саласы бойынша жіктелуі мүмкін.

Қаттылықпен

Алтернаторларда қолданылатын магнит өрісін жасаудың екі негізгі тәсілі бар: өздерінің тұрақты магнит өрісін тудыратын тұрақты магниттерді пайдалану немесе өріс орамдарын пайдалану. Тұрақты магниттерді пайдаланатын генераторлар магнето деп аталады. Басқа алтернаторларда айналмалы магнит өрісін жасау үшін электромагнит құрайтын ораулы өріс орамдары қолданылады. Көкейкес ток өндіру үшін тұрақты магниттерді пайдаланатын құрылғы тұрақты магнит генераторы (PMA) деп аталады. Тұрақты магнит генераторы (PMG) коммутаторы болса, көкейкес ток немесе тұрақты ток өндіре алады.

Тікелей қосылған тұрақты ток генераторы

Бұл қозу әдісі бір осьте орналасқан кішкентай тұрақты ток генераторынан тұрады. Тұрақты ток генераторы, қосылған генератордың өріс орамдарын қозуға жеткілікті мөлшерде электр энергиясын өндіреді. Бұл жүйенің бір түрі – генераторды іске қосу кезінде аккумулятордан тұрақты токты пайдаланып бастапқы қозу жасап, кейін өзін-өзі қоздыратын генератор. Жартылай өткізгіш технологияның дамуымен щеткасыз генераторлар мүмкін болды. Кішкентай щеткасыз генераторлар бір құрылғы сияқты көрінуі мүмкін, бірақ үлкендерінде екі бөлігін анықтау оңай. Екі бөліктің үлкені – негізгі генератор, ал кішісі – қоздырғыш. Қоздырғышта стационарлық өріс орамдары және айналмалы якорь (қуат орамдары) болады. Негізгі генератор кері конфигурацияны қолданады: айналмалы өріс және стационарлық якорь. Роторға «айналмалы түзеткіш құрастырмасы» деп аталатын көпірлі түзеткіш орнатылады. Бұл конструкцияда щеткалар мен сырғалар қолданылмайды, бұл тозуға ұшырайтын бөліктердің санын азайтады. Негізгі генератордың жоғарыда сипатталғандай айналмалы өрісі және стационарлық якорьы (электр энергиясын өндіру орамдары) бар. Стационарлық қоздырғыш өріс орамдары арқылы ток мөлшерін өзгерту арқылы қоздырғыштан 3 фазалы шығыс өзгереді. Бұл шығыс роторға орнатылған айналмалы түзеткіш құрастырмасымен түзетіледі, ал нәтижесінде алынған тұрақты ток негізгі генератордың айналмалы өрісін және осылайша генератордың шығысын қамтамасыз етеді. Соның нәтижесінде кішкентай тұрақты ток қоздырғышы негізгі генератордың шығысын жанама түрде басқарады.

Фазалар саны бойынша

Альтернаторларды жіктеудің тағы бір жолы – олардың шығыс кернеуінің фазаларының саны бойынша. Шығыс бір фазалы немесе көп фазалы болуы мүмкін. Үш фазалы альтернаторлар ең көп таралған, бірақ көп фазалы альтернаторлар екі фазалы, алты фазалы немесе одан да көп фазалы болуы мүмкін. Теңіз көліктерінде сумен салқындату да қолданылады. Қымбат автомобильдер электр жүйесінің жоғары талаптарын қанағаттандыру үшін сумен салқындатылатын альтернаторларды пайдаланады.

Электр генераторлары

Электр энергиясын өндіруші станциялардың көпшілігі генератор ретінде синхронды машиналарды қолданады. Бұл генераторларды электр желісіне қосу үшін синхронизация шарттары орындалуы қажет.

Автомобиль генераторлары

Алтернаторлар қазіргі заманғы ішкі жанатын қозғалтқышпен жабдықталған автомобильдерде аккумуляторды зарядтау және қозғалтқыш жұмыс істеп тұрғанда электр жүйесіне қуат беру үшін қолданылады. 1960 жылдарға дейін автомобильдерде коммутаторлы тұрақты ток (DC) динамо-генераторлары қолданылды. Арзан кремний диодты түзеткіштер қолжетімді болғаннан кейін, алтернаторлар олардың орнына қолданыла бастады.

Дизельді-электрлік локомотивтер генераторлары

Кейінгі дизельдік электрлік локомотивтер мен дизельдік электрлік көп бірліктерде негізгі қозғалтқыш тракциялық қозғалтқыштарға (AC немесе DC) электр энергиясын беретін генераторды айналдырады. Тракциялық генератор әдетте 1200 вольтқа дейінгі тұрақты токпен тракциялық қозғалтқыштарды қамтамасыз ету үшін интегралды кремний диодты түзеткіштерін қамтиды. Алғашқы дизельдік электрлік локомотивтер, және әлі де пайдаланудағы көптеген локомотивтер, кремнийлік қуат электроникасы жетілмегенге дейін, тұрақты ток қозғалтқыштарының жылдамдығын басқару оңай болғандықтан, тұрақты ток генераторларын қолданды. Олардың көпшілігінде екі генератор болды: біреуі үлкен генераторға қозу тогын беру үшін. Генератор сонымен қатар локомотивтік жетекті қуатпен (HEP) немесе пойызды жылытуға қажетті қуатпен де қамтамасыз етеді. HEP опциясы локомотив қозғалмағанда да, 480 В 60 Гц HEP жүйесі үшін, әдетте 900 айналым/мин тұрақты қозғалтқыш жылдамдығын қажет етеді.

Теңіз генераторлары

Яхталарда қолданылатын теңіз генераторлары автомобиль генераторларына ұқсас, бірақ тұзды су ортасына бейімделген. Теңіз генераторлары жарылыс қаупін болдырмау үшін (жанудан қорғалған) жасалған, сондықтан щеткалардан шығатын ұшқын қозғалтқыш бөліміндегі жарылғыш газ қоспаларын тұтандырмайды. Олар орнатылған жүйенің түріне қарай 12 немесе 24 вольтты болуы мүмкін. Ірі теңіз дизельдерінде заманауи яхтаның жоғары электрлік сұранысын қанағаттандыру үшін екі немесе одан да көп генераторлар болуы мүмкін. Бір генераторлы тізбектерде қуат қозғалтқыш батареясы мен тұрмыстық немесе үй батареясы (немесе батареялар) арасында бөлінген зарядтау диоды (батарея оқшаулағышы) немесе кернеуге сезімтал реле арқылы бөлінеді. Үлкен үй батареяларын орнатудың жоғары құнына байланысты, теңіз генераторлары көбінесе сыртқы реттегіштерді пайдаланады. Көп сатылы реттегіштер зарядтау тиімділігін (зарядтау уақытын) және батареяның қызмет ету мерзімін арттыру үшін өріс тогын басқарады. Көп сатылы реттегіштерді әртүрлі батарея түрлеріне бағдарламалауға болады. Екі температура сенсорын қосуға болады: біреуі батареяның зарядтау кернеуін реттеу үшін, екіншісі генератордың қызып кетуінен қорғау үшін генератордың өзінде орнатылады.

Радиоалтернаторлар

Жоғары жиілікті, өзгермелі тежелу типіндегі генераторлар төмен жиілікті радио толқындары арқылы радио хабарларын таратуда коммерциялық түрде қолданылды. Олар Морзе кодын тарату үшін, ал тәжірибелік түрде дауыс пен музыканы тарату үшін пайдаланылды. Александерсон генераторында, магниттік өріс орауы мен якорь орауы қозғалмайды, ал ток якорьде ротордың (оның орауы немесе ток өткізгіш бөліктері жоқ) магниттік тежелуінің өзгеруі арқасында пайда болады. Мұндай машиналар радио хабарларын тарату үшін радиожиілікті ток өндіруге арналған, бірақ олардың тиімділігі төмен болды.