Алтернатор

Алтернатор или наизменичник — електричен генератор кој ја претвора механичката енергија во електрична енергија во форма на наизменична струја. Поради трошоците и едноставноста, повеќето алтернатори користат вртечко магнетно поле со неподвижна арматура. Понекогаш се користи и линеарен алтернатор или вртечка арматура со неподвижно магнетно поле. Во принцип, кој било AC електричен генератор може да биде наречен алтернатор, но обично под терминот се подразбираат мали вртечки машини управувани од автомобилски или други мотори со внатрешно согорување. Алтернатор кој го користи постојан магнет за нејзиното магнетно поле се нарекува магнето. Алтернаторите во електрани управувани од страна на парни турбини се наречени турбо-алтернатори. Големи 50 или 60 Hz трифазни алтернатори во електроенергетски постројки го генерираат поголемиот дел од електричната енергија во светот, која е дистрибуирана од страна на електрични мрежи.
1 Историја
Системи за генерирање наизменична струја биле познати во едноставни форми од откривањето на магнетната индукција на електрична струја во 1830-тите. Вртечки генератори произведувале наизменична струја но, бидејќи имале малку корист од тоа, го претвориле во еднонасочна струја со додавање на комутатор во генераторот. Раните машини биле развиени од страна на пионерите Мајкл Фарадеј и Хиполајт Пикси. Фарадеј го развил „вртечкиот правоаголник“, кој работел на ''хетерополарен '' принцип – секој активен спроводник поминувал успешно преку деловите каде магнетното поле се во спротивна насока. Келвин и Себастијан Феранти, исто така, развиле рани алтернатори, чии честоти се движеле помеѓу 100 и 300 Hz.
Во доцните 1870-ти започнале со првите големи електрични системи со централни генераторски станици за напојување на лачни светилки, што се користат на улиците, фабричките дворови, или во ентериерот на големи складишта. Некои, како Јаблочковите лачни светилки воведени во 1878 година, работеле подобро на наизменична струја и развојот на овие рани агрегатни системи за генерирање бил придружуван со првата употреба на зборот „алтернатор“. Снабдувањето на соодветно количество напон за генераторските станици во овие рани системи зависело од инженерот. Во 1883 година Ганц Воркс измислил генератор на константен напон  што може да произведе излезen напон, без оглед на вредноста на оптоварувањето. Воведувањето на трансформатори во средината на 1880-тите довело до широка употреба на наизменична струја и употребата на алтернатори потребни за да се произведе. По 1891 година, повеќефазните алтернатори снабдувале струја од повеќе различни фази. Подоцна алтернаторите биле наменети за разни наизменични струјни честоти помеѓу шеснаесет и околу сто херца, за употреба со лачно осветлување и електрични мотори. Специјализирани радиофреквенциски алтернатори како Александерсоновиот алтернатор биле развиени како долгобранови радиопредаватели во Првата светска војна и се користеле во неколку безжични телеграфски станици со голема моќност пред да ги заменат трансмитерите со вакуумски цевки.
2 Принцип на работа
Спроводник кој се движи во однос на магнетно поле развива електромоторна сила (ЕМС) во неа (Фарадеевиот закон). Оваа електромоторна сила го менува својот поларитет кога се движи под магнетни столбови со спротивен поларитет. Типично, вртечки магнет, наречен ротор се претвора во стационарен сет на спроводници обвиткано во калеми на железно јадро, наречен статор. Полето минува низ спроводниците, генерира индуцирана електромагнетна сила (електромоторна сила), додека механичкиот влез предизвикува роторот да се сврти
Вртечкото магнетно поле индуцира агрегатен полнеж во намотките на статорот. Бидејќи струењата во облогите на статорот варираат во чекор со положбата на роторот, алтернаторот е синхрон генератор.
Магнетното поле на роторот може да биде создадено од постојани магнети, или со електромагнет од електромагнетниот полимер. Автомобилските алтернатори користат вртечки намотки кои овозможуваат контрола на генерираниот напон на алтернаторот со менување на струјата во полето. Машините со постојан магнет ја избегнуваат загубата поради магнетизирање на струјата во роторот, но се ограничени во големината, поради трошокот за магнетен материјал. Бидејќи постојаното магнетно поле е константно, терминалниот напон варира со брзината на генераторот. Агрегатите без четкички за пренос на честички обично се поголеми од оние што се користат во автомобилите.
Автоматскиот уред за контрола на напон ја контролира тековната струја за да го направи излезниот напон константен. Ако излезниот напон од стационарните калеми на арматурата падне поради зголемена побарувачка, поголема струја се внесува во вртечките теренски калеми низ напонски регулатор (VR). Ова го зголемува магнетното поле околу теренските калеми, што предизвикува поголем напон во конусите на арматурата. Така, излезниот напон се враќа до неговата оригинална вредност.
Алтернаторите што се користат во главните централи, исто така, ја контролираат тековната струја за да ја регулираат реактивната моќност и да помогнат во стабилизирањето на електроенергетскиот систем од ефектите на моменталните грешки. Често постојат три групи на намотки на статорот, физички неутрализирани така што вртечкото магнетно поле создава трифазна струја, разместени за една третина од периодот во однос на едни со други.
3 Синхрони брзини
<math />, каде <math /> е честота во Hz (циклуси во секунда). <math /> е бројот на снопови (2,4,6...) и <math /> е вртежна брзина изразена во вртежи во минута. Многу стари описи на системи на наизменична струја понекогаш ја даваат честотата во однос на алтернациите во минута, сметајќи го секој полуциклус како една алтернација; па 12.000 алтернации за минута одговараат на 100 Hz.
Излезната честота алтернаторот зависи од бројот на полови и вртежната брзина. Брзината што одговара на одредена честота се нарекува синхрони брзина за таа честота. Оваа табела дава неколку примери:
Полови, вртежи во минута за 50 Hz, вртежи во минута за 60 Hz, вртежи во минута за 400 Hz
2, 3.000, 3.600, 24.000
4, Околу 1.500, 1.800, 12.000
6, 1.000, 1.200, 8.000
8, 750, 900, 6.000
10, 600, 720, 4.800
12, 500, 600, 4.000
14, 428,6, 514,3, 3.429
16, 375, 450, 3.000
18, 333,3, 400, 2.667
20, 300, 360, 2.400
40, 150, 180, 1.200
4 Класификации
Алтернаторите можат да бидат класифицирани според методот на побудување, бројот на фази, видот на ротација, методот на ладење и нивната примена.
4.1 Алтернатори со побудување
Постојат два главни начини за да се произведе магнетно поле кои се користи во алтернаторите, со користење на постојани магнети кои создаваат сопствено постојано магнетно поле или со користење на теренски калеми. Алтернатори кои користат постојани магнети се наречени магнетос.
Во други алтернатори, намотките во полето формираат електромагнет да се произведе вртечкото магнетно поле.
Уред кој користи постојани магнети за производство на наизменична струја се нарекува постојан магнетен алтернатор (PMA). Генераторот на постојан магнет (PMG) може да произведе или наизменична струја или еднонасочна струја ако има комутатор.
4.1.1 Директно поврзан еднонасочен генератор
Овој метод на побудување се состои од помали генератори за еднонасочна струја (DC) фиксиран на истата оска со алтернаторот. Генераторот на еднонасочна струја генерира мала количина на електрична енергија доволно за да ги поттикне теренските калеми од поврзаниот алтернатор за да генерира електрична енергија. Варијација на овој систем е тип на алтернатор кој користи еднонасочна струја од батеријата за почетно поттикнување при стартување, по што алтернаторот станува само-поттикнат.
4.1.2 Трансформација и исправање
Овој метод зависи од резидуалниот магнетизам задржан во јадрото на железо за да генерира слабо магнетно поле што ќе овозможи создавање на слаб напон. Овој напон се користи за да ги поттикне теренските калеми за алтернаторот за да генерира посилен напон како дел од процесот на изградување. По првичното издигнување на напон на наизменична струја, полето се снабдува со поправен напон од алтернаторот.
4.1.3 Алтернатори без четки
Алтернаторот без четкички е составен од два алтернатори изградени крај-до-крај на една осовина. Помалите бесшумни алтернатори може да изгледаат како една единица, но двата дела лесно се препознаваат на големите верзии. Поголемиот дел од двата дела е главен алтернатор, а помалиот е поттикнувачот. На поттикнувачот има стационарни теренски калеми и вртечка арматура. Главниот алтернатор ја користи спротивната конфигурација со вртечко поле и стационарна арматура. Исправувачки мост е монтиран на роторот. Не се користат ниту четки ниту лизгачки прстени, со што се намалува бројот на делови. Главниот алтернатор има вртечко поле како што е опишано погоре и стационарна арматура (намотки за производство на електрична енергија).
Измената на количината на струја низ стационарните полнежни калеми варираат на 3-фазен излез од поттикнувачот. Овој излез се коригира со склопувач на вртечки исправувач, монтиран на роторот, а добиената еднонасочна струја го снабдува вртечкото поле на главниот алтернатор, а со тоа и излезот на алтернаторот. Резултат на сето ова е тоа што мал поттикнувач на еднонасочна струја индиректно го контролира излезот на главниот алтернатор.
Примерите од мал обем се присутни кај моторните погонски мотори. На пример, раните Хонда четирицилиндрични мотоцикли (CB750F, CB350F, CB500F, CB550F) користеа брз Hitachi 200W генератор. Ова има фиксен „ротор“ навив на надворешниот капак; надворешниот крај на железното јадро е диск што го затвора полкот на надворешниот ротор. Роторот се состои од два пресечени шестполечни „канџи“ заварени и разделени со немагнетен прстен. Ова е затегнато директно до крајот на кацигата со пет лежишта преку средиштето на еден пол. Другиот пол има отворен крај да ги прими намотките на статорот. Надворешната обвивка исто така ги држи трифазните намотки на статорот. Магнетното коло има две помошни воздушни празнини помеѓу роторот и неговото стационарно јадро. Регулаторот бил конвенционален автомобилски тип со вибрирачки точки. Бидејќи нема прстени, тој бил многу компактен и солиден, но поради помошни воздушни празнини, има слаба ефикасност.
4.2 Според бројот на фази
Друг начин да се класифицираат алтернаторите е по бројот на фази на нивниот излезен напон. Излезот може да биде еднофазен, или повеќефазен. Трифазните алтернатори се најчести, но повеќефазни алтернатори може да бидат двофазни, шестфазни, или повеќефазни.
4.3 Според вртечкиот дел
Револвирачкиот дел од алтернаторите може да биде арматура или магнетно поле. Револвирачкиот тип со арматура има навив на арматурата на роторот, каде што навивот се движи низ стационарно магнетно поле. Револвирачкиот тип со арматура не се користи често. Револвирачкиот тип со поле има магнетно поле на роторот за да се ротира преку стационарно намотување на арматурата. Предноста е во тоа што тогаш колото на роторот носи многу помала моќност од колото на арматурата, што ги прави врските на лизгачките прстени помали и помалку скапи; само два контакти се потребни за роторот со еднонасочна струја, додека честопати свиткувањето на роторот има три фази и повеќе делови за кои секој бара врска на лизгачки прстен. Стационарната арматура може да се навива за секое средно напонско ниво, до десетици илјади волти; Производството на конектори за лизгачки прстени за повеќе од неколку илјади волти е скапо и непогодно.
4.4 Методи на ладење
Многу алтернатори се ладат со амбиентниот воздух, преку комората со приклучен вентилатор на истата оска што го придвижува алтернаторот. Во возилата како што се транзитните автобуси, големата побарувачка на електричниот систем може да бара голем алтернатор кој треба да се лади со масло.  Исто така се користи и ладење со вода. Скапите автомобили може да користат алтернатори за ладење со вода за да се исполнат високите побарувачки на електричниот систем.
5 Специфични апликации
5.1 Електрични генератори
Повеќето производители на електрична енергија користат синхрони машини како нивни генератори. Поврзувањето на овие генератори со алатната мрежа бара условите за синхронизација да бидат исполнети.
5.2 Автомобилски алтернатори
Алтернаторите се користат во модерните автомобили за полнење на батеријата и за напојување на електричниот систем, кога моторот работи.
До 1960-тите години, автомобилите користеле DC динамо генератори со комутатори. Со достапноста на евтин силициум диодни исправувачи, наместо тоа, се користеле алтернатори.
5.3 Дизел-електрични локомотивни алтернатори
Во подоцнежните дизел-електрични локомотиви и дизел-електрични единици, главниот двигател го претвора алтернаторот кој обезбедува електрична енергија за влечните мотори (AC или DC).
Алтернаторот за влечење обично вклучува интегрирани силициумски диодни исправувачи за да им обезбеди на влечните мотори со до 1200 волти DC или заедничка инверторска шина.
Првите дизел-електрични локомотиви, и многу од оние кои сè уште се во употреба, користат DC генератори како, пред силициумската електроника, полесно е да се контролира брзината на мотори со еднонасочна струја. Повеќето од нив имаат два генератора: еден за генерирање на струја за поголем главен генератор.
Евентуално, генераторот, исто така, обезбедува главно крајна електрична енергија или моќ за електрично греење на возот. Таа бара постојана брзина на моторот, обично 900 вртежи во минута за 480 V 60 Hz апликација, дури и кога локомотивата не се движи.
5.4 Морски алтернатори
Морските алтернатори што се користат во јахти се слични на автомобилските алтернатори, со соодветни прилагодувања за солената вода. Морските алтернатори се дизајнирани да бидат неексплозивни, на начин што искрите од четката да не ги запали експлозивните гасни смеси во околината на моторот. Тие може да бидат 12 или 24 волти во зависност од видот на инсталираниот систем. Поголемите морски дизели можат да имаат два или повеќе алтернатори за да се справат со тешката електрична побарувачка на една модерна јахта. На единечни алтернаторски кола, моќта може да се подели помеѓу почетната батерија на моторот и домашната или куќната батерија (или батериите) со употреба на диода со поделба на полнежите (изолатор на батерија).
5.5 Радиоалтернатори
Високoчестотни алтернатори на типот на варијабилно-одбивање биле комерцијално применети за радиопренос во радиочестотите со ниски честоти. Овие биле користени за пренос на Морзеовиот код и, експериментално, за пренос на глас и музика. Во Александарсовиот алтернатор, и намотката на полето и арматурната намотка се стационарни, а струјата се индуцира во арматурата поради менување на магнетното поле на роторот (кој нема намотки или делови за пренесување на полнежот). Таквите машини биле направени за производство на радиочестотна струја за радиопренос, иако ефикасноста била ниска.
6 Поврзано
Генератор