Jak funguje asynchronní generátor?

Všechny známé typy generátorových zařízení se podle charakteristik jejich činnosti dělí na synchronní a asynchronní stroje, přičemž tento poslední typ je nejrozšířenější. Jejich konstrukce a princip činnosti jsou podobné asynchronním motorům, ale přeměna energie v generátoru probíhá v opačném směru (z mechanického na elektrický). Jak vypadá asynchronní generátor v reálu, můžete vidět na obrázku níže.

Asynchronní generátor (AG)

Podobně jako u asynchronních motorů zapnutých v reverzním režimu (pro brzdění) je při generování energie pozorován přibližně stejný efekt vedoucí k jejímu částečnému rozptylu ve formě tepla. Z toho vyplývá, že účinnost takového zařízení je poměrně nízká.

Princip činnosti

Předběžné seznámení se základy fungování generátorových strojů synchronního typu vám pomůže dobře porozumět principu činnosti asynchronního mechanismu. Faktem je, že synchronní a asynchronní generátory jsou si svou konstrukcí a způsobem činnosti velmi podobné a liší se pouze v malých detailech (zejména konstrukce rotujícího rotoru).

Mechanismy první třídy používají rotor s permanentními magnety umístěnými na něm. Když se otáčí z mechanického pohonu, magnetické prvky indukují ve statoru elektromagnetické pole různé velikosti a směru, což zajišťuje tok střídavého proudu v zátěži připojené k jeho svorkám. V tomto případě se rotor sám otáčí bez nesouladu s EMF, které vytváří v cívkách (ve fázi s ním).

Na rozdíl od synchronních strojů se asynchronní generátor vyznačuje přítomností mírného zpoždění rotace rotorového prvku zařízení ve vztahu k elektromagnetickému poli indukovanému ve statoru. Zdá se, že ten druhý zpomaluje svůj pohyb, který se běžně nazývá „klouzavý efekt“.

Dávejte pozor! Tento jev je vysvětlen konstrukčním znakem AG rotoru, vyrobeného ve formě zkratované pevné mřížky (takzvané „veverčí kolo“). Jeho vzhled je znázorněn na fotografii níže.

Rotor veverkového kola

Když se hnací hřídel otáčí vlivem vnějšího mechanického impulsu (například ze spalovacího motoru), v důsledku zbytkového magnetismu statoru se v mřížce takového rotoru indukuje jeho vlastní EMF. Výsledkem je, že obě pole (pohyblivé i stacionární) spolu začnou interagovat v dynamickém režimu.

Protože je pole ve vinutí rotoru indukováno se zpožděním vůči stacionárnímu statoru generátoru, poněkud zaostává za polem e/m v něm indukovaným (to znamená, že se otáčí asynchronně).

Možnost ovládání

Další vlastností synchronního generátoru (stejně jako asynchronního) je, že frekvence a amplituda EMF indukovaného na svorkách statoru výrazně závisí na rychlosti otáčení rotoru.

Důležité! Se změnou aktivní zátěže připojené ke generátoru se úměrně s ní mění i frekvence otáčení hřídele generátoru, což vede ke změně charakteristik EMF vytvořeného ve statoru.

Tato nevýhoda si vynucuje instalaci elektronického regulátoru napětí a frekvence do synchronních a asynchronních zařízení, který zajišťuje udržení těchto parametrů na správné úrovni (schéma regulátoru je uvedena níže).

Obvod regulátoru napětí AG

Protože asynchronní generátor pracuje na principu nesouladu rotace polí pohyblivé a stacionární části, není možné regulovat výstupní parametry v rámci systému. Vysvětluje se to nemožností organizovat okamžitou napěťovou zpětnou vazbu přivedením části výstupního signálu ze statoru do rotoru (u AG lze použít pouze externí stabilizátory napětí).

To je další rozdíl mezi asynchronními jednotkami a jejich synchronními protějšky, které jsou ve všech ostatních charakteristikách velmi podobné těm prvním.

Výhody a aplikace

Mezi výhody asynchronních generátorů patří následující vlastnosti:

• AG jsou odolné vůči přetížení a zkratům a mají také relativně jednoduchou konstrukci (to je odlišuje od složitějších synchronních strojů);
• Indikátor nelineárního zkreslení sinusoidy nepřesahuje 2 procenta (srovnej 15 % pro jejich synchronní analogy);
• Díky nízké hodnotě čistého faktoru zaručují asynchronní zařízení vysokou stabilitu provozu napájecího zdroje a k nim připojených TV přijímačů;
• Při napájení svařovacích zařízení poskytují výrazné zlepšení kvality svařování;
• Ke stabilizaci výstupního napětí mohou použít externí automatická řídicí zařízení;
• Při otáčení AG rotory generují omezené množství tepla, což nevyžaduje výkonná ventilátorová zařízení pro kompenzaci.

Tato vlastnost vám umožňuje spolehlivě utěsnit vnitřní dutinu jednotky, to znamená chránit ji před pronikáním prachu a nečistot. Díky této okolnosti se výrazně rozšiřuje rozsah použití asynchronních strojů schopných pracovat v podmínkách velké prašnosti a vysoké vlhkosti.

Možnost těsnění přispívá k tomu, že elektrocentrály asynchronního typu mají delší životnost a lze je provozovat při nízkých teplotách. Dodejme k tomu, že ke každému z fázových vinutí těchto jednotek je dovoleno připojit zátěže různého výkonu.

Další informace. Přípustná míra nerovnoměrnosti fázových zátěží (rozdíl v proudech, které odebírají) je u AG asi 70 %, čehož při práci se synchronními jednotkami nelze dosáhnout.

Nevýhodou, kterou lze za provozu snadno odstranit, je poměrně „těžká“ spouštěcí charakteristika generátoru, kterou lze korigovat instalací speciálních spouštěcích zesilovačů (obrázek níže).

Spouštěcí obvod generátoru

Tato zařízení poskytují možnost plynule uvést generátor do provozního režimu i při značných rozběhových proudech.

Ve všech ostatních ohledech mají AG nesporné výhody oproti synchronním strojům, přičemž některé z rozdílů byly diskutovány dříve. Díky těmto výhodám jsou široce používány jako zdroje elektřiny v následujících ekonomických oblastech:

• Pro napájení zařízení s reostatickým nebo regenerativním brzdným režimem (jeřáby, dopravníky atd.);
• V průmyslových zařízeních, která nevyžadují kompenzaci parazitního jalového výkonu a nemají vysoké požadavky na kvalitu dodávané energie;
• V domácích a polních podmínkách, kde jsou vyžadovány zdroje levné elektřiny s mechanickým pohonem od dieselového motoru;
• Jako výkonná nabíječka, která dobíjí baterie například v autoservisech.

Kromě toho je lze použít jako zdroje energie, ke kterým jsou připojeny svařovací jednotky, a také k zajištění nepřetržitého napájení kritických zdravotnických zařízení.

Typy asynchronních strojů

Různé typy AG se mohou lišit v následujících výkonnostních charakteristikách:

• Typ rotující části generátorového zařízení – jeho rotor;
• Počet výstupních nebo statorových vinutí v generátoru (počet provozních fází);
• Schéma zapojení cívek třífázového generátoru – trojúhelník nebo hvězda, stejně jako způsob jejich umístění a položení na póly statoru (foto níže);

Umístění statorových vinutí

• Přítomnost nebo nepřítomnost samostatného budícího vinutí.

V souladu s první z těchto charakteristik jsou všechny známé typy AG vybaveny rotorem nakrátko nebo fázově vinutým rotorem. První z nich je vyrobena ve formě jednodílné válcové konstrukce skládající se z jednotlivých čepů se dvěma kroužky, které je uzavírají (typu „veverička“).

Fázový rotor má na rozdíl od svého protějšku s klecí nakrátko indukční vinutí z izolovaného drátu, které zajišťuje vytvoření dynamického elektromagnetického pole. Vzhledem ke zvláštnostem jeho konstrukce má takový rotor vysoké výrobní náklady a vyžaduje specializovanou údržbu.

Výstupní vinutí statoru, stejně jako celý generátor, může být jednofázové nebo třífázové, což je určeno přímým účelem této jednotky (když je vyžadován zdroj napětí 220 nebo 380 V). U prvního z těchto návrhů je vše celkem jasné, ale třífázová modifikace AG má ještě jednu vlastnost týkající se elektrického obvodu pro zapínání vinutí.

Je známo, že pro vytvoření jakékoli třífázové napájecí sítě v elektrotechnice se používají dva typy připojení vinutí, posunuté ve vektorové reprezentaci jedna vůči druhé o 120 stupňů. Tento:

• Přepínání hvězd, kdy jsou začátky cívek spojeny v jednom bodě, kde se vytvoří nulový vodič a jejich konce se rozcházejí podél tří silových vedení (spolu s neutrálním vodičem jsou čtyři, jak je znázorněno na fotografii níže) ;

4vodičové připojení do hvězdy

• „Trojúhelníkové“ spojení, ve kterém je konec jedné cívky spojen se začátkem druhé a tak dále, dokud není řetězec zcela uzavřen. Druhá možnost připojení se používá u 3vodičových napájecích vedení, protože v tomto obvodu není žádný nulový vodič.

V každém produktu AG je zapojení podle jednoho nebo druhého schématu realizováno velmi specifickými způsoby, což umožňuje umístění vodičů všech statorových vinutí mezi póly jeho jádra. Jsou navinuty tak, že každá sekce fázových cívek A, B a C je od sebe po obvodu přesazena přesně o 120 stupňů.

Na závěr přehledu generátorových zařízení věnujte pozornost možnosti výroby AG z asynchronního motoru. Taková perspektiva se objevuje díky známému principu vratnosti působení elektrických strojů, podle kterého lze libovolně volit směr přeměny energie.