Elektrické generátory môžu byť dvoch typov:
1. Generátor jednosmerného prúdu: tiež známy ako dynamo alebo generátor jednosmerného prúdu (DC: „jednosmerný prúd“, jednosmerný prúd).
2. Generátor striedavého prúdu: je alternátor alebo generátor striedavého prúdu (AC: z anglického „ alternate current“, striedavý prúd).
Oba typy fungujú podľa princípu elektromagnetickej indukcie, ktorý uvádza:
Vždy, keď sa vodič (cievka) pohybuje v magnetickom poli takým spôsobom, že vodič (cievka) pretína čiary toku, medzi jeho koncami sa generuje napätie v dôsledku javu indukcie elektromagnetické.
Koncept môže byť prezentovaný aj takto:
Keďže medzi vodičom a magnetickým poľom dochádza k relatívnemu pohybu, na koncoch vodiča sa indukuje napätie. Toto je „efekt generátora“.
V elektrickom generátore možno identifikovať dva hlavné prvky:
- "Pole": Je to prvok, ktorý vytvára magnetické pole.
- "Pancier" alebo "Induktor": Je to prvok, v ktorom sa indukuje napätie. Pozostáva z vodiča navinutého vo forme cievky.
Pole môže byť vytvorené permanentným magnetom alebo elektromagnetom. Aby medzi vodičom a magnetickým poľom došlo k relatívnemu pohybu, všetky generátory majú dve mechanické časti: rotor (ktorý sa otáča) a stator (stacionárny).
Na obrázku 1a je pole vytvárané permanentným magnetom, ktorý tvorí stator.
Pri otáčaní rotora závisí generované napätie od:
- Na sile magnetického poľa B;
- Uhol, pod ktorým vodič cievky pretína elektrické vedenia;
- Relatívna rýchlosť, ktorou sa cievka pohybuje vzhľadom na pole;
- Dĺžka vodiča (ktorý tvorí cievku), ktorý je vo vnútri magnetického poľa.
Polarita napätia závisí od:
- Zo smeru siločiar magnetického poľa B;
- Zo smeru relatívnej rotácie cievky vzhľadom na pole.
Ak má vodič tvar rotujúcej slučky (ako na obrázku), obe strany slučky sa pohybujú v opačných smeroch a generované napätia (na každej strane slučky) sa sčítajú.
• Nastavenia
- V generátore striedavého prúdu (alternátore) môže byť kotvou buď rotor alebo stator.
- V generátore jednosmerného prúdu (dynamo) je kotva rotor a pole je stator. Dynamo je v podstate generátor striedavého prúdu. Súprava „spínací krúžok/kefy“má funkciu „usmerniť“striedavú vlnu a transformovať ju na vlnu s jednou polaritou. Obrázok 1b ukazuje základnú schému dynama.
V generátore jednosmerného prúdu sa prúd privádza do cievky cez sadu kontaktov tvorenú segmentovým krúžkom alebo krúžkom komutátora a kefami. Táto súprava funguje ako mechanický menič polarity.
Každý koniec cievky je pripojený k segmentu spínacieho krúžku. Preto je v druhom z nich toľko párov segmentov, koľko majú cievky armatúry. Táto súprava (spínací krúžok/kefy) je zodpovedná za zmenu smeru prúdu pri každej pol otáčke, aby sa cievka otáčala rovnakým smerom. Obrátením smeru prúdu sa obráti smer otáčania.
• Porovnávacie
Obrázok 2 predstavuje krivky intenzity prúdu ako funkciu rotácie dynama a alternátora s približne rovnakým výkonom. Ako vidíte, alternátor má veľmi široký pracovný rozsah a samoreguláciu (obmedzenie) maximálneho prúdu.
Medzi výhody alternátora pri jeho aplikácii v aute môžeme spomenúť:
- Dodávka záťažového prúdu, už pri voľnobežných otáčkach.
- Malé opotrebovanie, pretože záťažový prúd neprechádza mechanickými prvkami. V prípade dynama prúd prechádza cez súpravu „klzného krúžku/kefy“.
- Vysoká maximálna rotácia. Dynamo s komutátorovým krúžkom/kefkou nemôže dosiahnuť rovnakú maximálnu rotáciu; toto kvôli mechanickým obmedzeniam.
- Nie je potrebné používať istič. Dôvodom je skutočnosť, že pri zastavenom motore (alternátor nepracuje) a v dôsledku prítomnosti usmerňovacích diód nedochádza k spätnému toku prúdu z batérie do generátora.
V dyname je potrebné prepínač/vypínač v obvode, ktorý izoluje dynamo od batérie. Inak by cez dynamo pretekal prúd a následne by sa vybila batéria.
- Dodáva rovnakú napäťovú vlnu bez ohľadu na smer otáčania (nepolarizovaný výstup).
generátor striedavého prúdu rotujúceho magnetického poľa
Toto je automobilový generátor od 50-tych rokov. Má stacionárnu kotvu (cievku), ktorá tvorí stator. Magnetické pole (generované permanentným magnetom alebo elektromagnetom) tvorí rotor. V tomto prípade môže byť napätie generované cievkou (kotvou) privedené na záťaž priamo, bez potreby kefiek/klzných krúžkov.
• Rotor s permanentným magnetom
Obrázok 3 predstavuje zloženie tohto typu generátora. Keď je magnetické pole rotora v tejto polohe, indukčné čiary prerušia cievku kotvy a indukujú napätie s vyznačenou polaritou.
Na obrázku 4 sa už pole otočilo o 180o, čím sa indukovalo napätie s opačnou polaritou.
Opravte v oboch prípadoch (opačné) smery prúdu v zaťažovacom odpore.
Obrázok 5 zobrazuje pohľad v reze na generátor (podľa smeru pohľadu A), ktorý pomáha interpretovať obrázok 6, ktorý ukazuje, ako sa indukované napätie mení každých 90o uhla natočenia magnetického poľa počas celého cyklu.
V prípade príkladu (generátor s 1 cievkou a 1 fázou) tento cyklus definuje periódu striedavej vlny a následne frekvenciu. Hodnota periódy závisí od rýchlosti otáčania rotora.
Všimnite si orientáciu severného pólu magnetu a polaritu generovaného napätia. Pri interpretácii grafu vezmite do úvahy nasledovné:
- Pre každú polohu grafu sa predpokladá, že rotor (magnetické pole) rotuje v malých uhloch okolo uvažovanej polohy.
- Keď sa čiary toku pohybujú rovnobežne so stranami cievky (ako v [1]), cievka nereže čiary toku. Preto je napätie indukované v cievke kotvy nulové.
- Keď sa siločiary pohybujú kolmo na strany cievky (ako v [3]), cievka reže najviac čiar toku na jeden otočený uhol. Preto je indukované napätie maximálne.
- V iných polohách je indukované napätie medzihodnotou.
- Polarita závisí od toho, na ktorej strane cievky (označené „+“a „-“') sa pól N približuje alebo vzďaľuje.
- Keď sa N priblíži k strane [+], napätie sa zvýši smerom k maximálnej kladnej hodnote +Vm. Keď sa N blíži k strane [-], napätie klesá smerom k maximálnej zápornej hodnote -Vm.
- Keď sa pól N vzdiali od [+], napätie sa zníži vzhľadom na Vm. Keď sa pól N vzdiali od [-], napätie sa zvýši vzhľadom na -Vm.
- Označenie strán cievky symbolmi [+] a [-] je ľubovoľné, s jediným cieľom pomôcť pri interpretácii.
Indukovaná napäťová vlna je „sínusová vlna“.
V nasledujúcom texte bude napäťová vlna generovaná v cykle otáčania rotora (360o) analyzovaná na základe grafu na obrázku 6.
- V bode [1] sa magnet otáča kolmo na rovinu vinutia kotvy. Preto sa pri malých uhloch natočenia (napr. 5°) okolo tejto polohy siločiary pohybujú rovnobežne s vodičmi cievky. Výsledkom je, že generované napätie je 0 V, pretože cievka „neprerezáva“čiary toku.
- V polohe [2] dosiahne generované napätie maximum Vm, pretože cievka „prereže“najväčšie množstvo siločiar v malom uhle, ktorým prechádza rotor okolo polohy [2].
- Od polohy [2] začne napätie klesať a v [3] je situácia podobná ako v polohe [1], kde je generované napätie 0V.
- Situácia na pozícii [4] je podobná situácii [2], len so záporným napätím, pretože siločiary opúšťajúce severný pól „prerezávajú“druhú stranu cievky.
• Rotor s elektromagnetom
Keď rotor pozostáva z elektromagnetu, ako je znázornené na obrázku 7, budiaca cievka (rotor) je napájaná jednosmerným prúdom cez sadu kief/klzných krúžkov.
Funkciou budiaceho prúdu generuje magnetické pole a keďže je oveľa menší ako zaťažovací prúd, súpravy krúžkov/kefy nie sú vystavené vysokým prúdom.
Otáčavý pohyb tohto magnetického poľa indukuje striedavé napätie v statore, keď sú jeho cievky „prerezané“siločiarami elektromagnetu. Výhodou tejto konfigurácie oproti predchádzajúcej položke je možnosť regulácie intenzity generovaného magnetického poľa úpravou budiaceho prúdu a tým aj hodnoty výstupného napätia.
