Генератор, как основное оборудование для преобразования механической энергии в электрическую энергию, проходит через все аспекты производства электроэнергии, промышленной эксплуатации и повседневной жизни, от мегаваттных блоков крупных электростанций до небольших портативных генераторов, его основная рабочая логика всегда вращается вокруг закона электромагнитной индукции Фарадея, в сочетании с точной механической структурой и электромагнитным дизайном для достижения стабильного и эффективного выхода электроэнергии. Ниже будет полностью разобран рабочий механизм генератора с точки зрения основных принципов, базовой структуры, рабочего процесса, диаграмм и различий в типах, чтобы сделать сложный принцип интуитивным и понятным.
Основной принцип работы генератора проистекает из явления электромагнитной индукции, обнаруженного Фарадеем в 1831 году, которое четко указывает на то, что, когда катушка проводника движется в магнитном поле, чтобы вырезать магнитную индуктивную линию, или магнитный поток, проходящий через катушку, изменяется со временем, оба конца катушки естественным образом генерируют индукционный электрический импульс; Если катушка подключена к замкнутому контуру, индукционная электродвижущая сила будет приводить к направленному движению заряда, образуя индукционный ток. Основная формула этого процесса может быть представлена как $\ varepsilon = - N \ frac {d \ Phi B} {dt} $, из которых $\ varepsilon $представляет индукционную электрическую силу, $N $$N $$- число витков катушки, $$\ Phi B $- магнитный поток, проходящий через катушку, формула ясно показывает, что размер индукционной электрической силы пропорционален количеству витков катушки и скорости изменения магнитного потока, что также является основной основой для оптимизации эффективности выработки электроэнергии при проектировании генератора.
Для достижения непрерывного возникновения электромагнитной индукции и стабилизации выходной энергии генератор должен иметь сложную структуру координации, каждый компонент выполняет свои обязанности, взаимодействует друг с другом, образуя полную систему преобразования энергии. Его основные компоненты включают статоры, роторы, системы возбуждения, первичные двигатели, а также скользящие кольца, щетки или коллекторы для вывода тока. Среди них статор является неподвижным основным компонентом, состоящим из сердечника статора и обмотки трехфазного якоря, сердечник статора изготовлен из сложения силиконовой стали, может эффективно уменьшить вихревые потери, обмотка якоря является ключевым носителем индукционной и выходной энергии; Ротор является вращающимся компонентом, обычно состоящим из обмотки возбуждения или постоянного магнита, который при входе в постоянный ток образует электромагнит с поперечным распределением n - и s - полюсов, обеспечивая стабильное магнитное поле для выработки электроэнергии; Роль системы возбуждения заключается в передаче стабильного тока возбуждения постоянного тока в обмотку ротора для обеспечения постоянной интенсивности магнитного поля и обеспечения стабильности напряжения выработки электроэнергии; Основной двигатель является генератором « источника энергии», будь то турбина тепловой электростанции, гидротурбина гидроэлектростанции или дизель небольшого генератора, бензиновый двигатель, его основная роль заключается в обеспечении непрерывной вращающейся механической энергии, приводя ротор к высокоскоростному вращению; В то время как скользящие кольца и щетки (в основном для генераторов переменного тока) и переключатели (в основном для генераторов постоянного тока) отвечают за выведение электрической энергии, генерируемой катушкой, для обеспечения непрерывности и направленности выхода тока.
Среди всех видов генераторов, синхронные генераторы переменного тока наиболее широко используются, будь то большая огневая мощь, гидроэнергия, атомная электростанция или основное оборудование питания в промышленном производстве, в основном используется такой генератор, его полный рабочий процесс можно разделить на пять последовательных шагов, в сочетании с графической энергией более интуитивного понимания: первый шаг - поле возбуждения, система возбуждения в обмотку ротора в постоянный ток, так что ротор превращается в сильный электромагнит, образуя стабильный переменный магнит (N - полюс S - полюсом чередуется), который является основой для выработки электроэнергии; Второй шаг - механический привод, исходный двигатель запускается под действием первичной энергии (уголь, вода, ветер, ядерная энергия и т. Д.), приводя ротор к высокоскоростному вращению с постоянной скоростью вращения, а затем приводя переменный магнитный полюс на роторе к синхронному вращению, образуя вращающееся магнитное поле; Третий шаг - изменение магнитного потока, высокоскоростное вращающееся магнитное поле постоянно режет обмотку якоря на статоре, из - за чередования магнитных полюсов ротора магнитный поток, проходящий через катушку статора, будет периодически меняться со временем, время от времени усиливаться, время от времени уменьшаться, а направление постоянно чередуется; Четвертый шаг - индукционная выработка электроэнергии, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, периодическое изменение магнитного потока в катушке статора возбуждает создание синусоидальной переменной электрической силы, в то время как трехфазная обмотка якоря на статоре имеет пространственную разность под углом 120 °, поэтому она создает три набора переменных электрических сил с фазовой разностью 120 °, которые вместе образуют трехфазный переменный ток; Пятый шаг - выход тока, через выходной зажим обмотки статора, который передает генерируемый трехфазный переменный ток в сеть или непосредственно поставляет различные виды нагрузки, завершает выход электрической энергии, выходная частота которого может быть рассчитана по формуле $f = \ frac {Pn} {120} $, в том числе $f $$$$за выходную частоту (единица Hz), $P $за логарифм ротора, $n $$за скорость ротора (единица rpm), что также является ключевым принципом для поддержания постоянной частоты сети.
В сочетании с диаграммой, чтобы лучше понять логику работы генератора, общая диаграмма в основном делится на три категории: во - первых, принцип однофазного генератора переменного тока указывает, как правило, левая сторона показывает положение катушки под разными углами вращения в магнитном поле, интуитивно отображает процесс резки катушкой магнитной линии индуктивности, средняя метка выпрямления и выходной структуры, справа - выходная синусоидальная форма волны переменного тока, может ясно видеть каждую вращающуюся половину катушки, направление тока будет поворачиваться один раз, что также является основной характеристикой переменного тока; Во - вторых, трехфазная обмотка генератора переменного тока и схема выходной формы волны, на рисунке, соответственно, отмечена конфигурация однофазной, двухфазной и трехфазной обмотки, в которой основное внимание уделяется структурным характеристикам трехфазной обмотки с пространственной разностью 120 °, в то же время соответствующая форма волны напряжения, представляющая три группы переменного тока, может интуитивно понять причину формирования трехфазной разности фаз электрического тока, а трехфазная энергия из - за стабильного энергоснабжения, высокой эффективности стала основной формой промышленного энергоснабжения и электроснабжения; В - третьих, синхронная структура генератора и блок - схема возбуждения, На рисунке четко обозначено положение и соединение статора, ротора, системы возбуждения, скользящего кольца, щетки и других компонентов, постепенно показывается полный процесс, в котором ток возбуждения проходит в ротор, ротор генерирует магнитное поле, вращение ротора с приводом двигателя, обмотка статора с резким магнитным полем и выход электрической энергии, так что абстрактный принцип работы становится визуализированным, что облегчает быстрое понимание синергии между различными компонентами.
В дополнение к применению самого широкого спектра генераторов переменного тока, генераторы постоянного тока также имеют определенное применение в небольших сценариях низкого напряжения, основное различие между ними заключается в способе вывода тока и конструкции: генератор переменного тока использует комбинацию скользящего кольца и щетки для вывода тока, скользящее кольцо вращается синхронно с ротором, щетка неподвижна, через контакт между ними выводит переменный ток, генерируемый катушкой, его структура относительно проста, небольшой износ, низкая стоимость обслуживания, подходит для сценария выработки электроэнергии большой мощности; Генератор постоянного тока в конце катушки ротора оснащен переключателем, переключатель состоит из нескольких разделенных медных колец, вращающихся с ротором, через контакт с фиксированной щеткой, переменный ток в катушке преобразуется в постоянный ток в постоянном направлении, а затем выводится, но его структура относительно сложная, коллектор и щетка изнашиваются больше, стоимость обслуживания высока, поэтому в основном используется для небольших источников постоянного тока низкого напряжения, таких как небольшие портативные генераторы постоянного тока, старые автомобильные генераторы и так далее.
Понимание принципа работы генератора в то же время, необходимо овладеть несколькими ключевыми дополнительными точками для дальнейшего совершенствования познания: с точки зрения пути преобразования энергии, весь рабочий процесс генератора - это, по сути, передача и преобразование энергии, то есть первичная энергия (уголь, вода, ветер, ядерная энергия и т. Д.) преобразуется в механическую энергию через двигатель, двигатель передает механическую энергию ротору, вращение ротора создает вращающееся магнитное поле, обмотка статора магнитной резки преобразуется в электрическую энергию посредством электромагнитной индукции, конечный выход для всех видов нагрузки, весь процесс сохраняет энергию, не генерирует дополнительную энергию, только реализует преобразование формы энергии; С точки зрения физических законов, генератор также следует закону Ленца во время работы, то есть магнитное поле, создаваемое индукционным током, будет препятствовать изменению исходного магнитного поля, поэтому в процессе выработки электроэнергии ротор будет подвергаться действию электромагнитного сопротивления, что требует постоянного ввода механической энергии двигателем, преодоления электромагнитного сопротивления, поддержания постоянной скорости вращения ротора, обеспечения стабильности выхода электрической энергии; С точки зрения промышленного применения, крупные электростанции, как правило, используют вращающийся магнитный синхронный генератор, то есть статор фиксирован, ротор вращающегося возбуждения структуры, по сравнению с ротором для катушки, статор для магнитного поля вращающегося катушки генератора, эта структура может эффективно уменьшить риски безопасности и потери энергии, вызванные вращающимся контактом большого тока высокого напряжения, повысить эффективность и стабильность выработки электроэнергии, что также является основной дизайнерской идеей большого генератора.
Подводя итог, принцип работы генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, благодаря синергии статора, ротора, системы возбуждения, двигателя и других компонентов для достижения стабильного преобразования механической энергии в электрическую энергию, в том числе синхронный генератор переменного тока благодаря простой структуре, высокой эффективности, стабильности подачи электроэнергии, стал основным типом применения, в то время как генератор постоянного тока подходит для небольших сценариев низкого давления. Сочетание диаграмм позволяет более интуитивно понять логику его работы, понять роль каждого компонента и процесс преобразования энергии, будь то работа блока на большой электростанции или использование небольшого портативного генератора, его основные принципы всегда совпадают, за исключением различий в структурной сложности и масштабе мощности.
