מה הם ההבדלים העיקריים בין מפעלי חשמל חילופין למפעלי חשמל ישר?

הבדלים העיקריים בין גנרטורים חילופיים ותקיפתיים

מכונה חשמלית היא מכשיר הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית ולהיפך. גנרטור הוא סוג כזה של מכונה שמעבירה אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. עם זאת, האנרגיה החשמלית שנוצרת יכולה להיות באחת משתי צורות: זרם חילופין (AC) או זרם תקיף (DC). לכן, ההבדל העיקרי בין גנרטורי AC ו-DC הוא שהם מפיקים זרם חילופין וזרם תקיף בהתאמה. אם כי יש ביניהם כמה דמיונות, קיימים מספר רב של הבדלים.

לפני שניכנס לרשימת ההבדלים ביניהם, נדון כיצד הגנרטור מייצר חשמל וכיצד נוצר AC ו-DC.

ייצור חשמל

החשמל נוצר על בסיס חוק האלקטרומגנטיות של פראדיי, שקובע שזרם חשמלי או כוח אלקטרומוטיב (EMF) ייווצר במנוע כאשר הוא נמצא בשדה מגנטי משתנה. גנרטורי AC ו-DC פועלים על אותו עיקרון לייצור זרם חשמלי.

ישנן שתי דרכים להשתנות השדה המגנטי הפועל על המנועים: או לסובב את השדה המגנטי סביב מנוע סטטי, או לסובב את המנוע בתוך שדה מגנטי סטטי. בשני המקרים, קווים מגנטיים מתחלפים עם המנוע, ובכך מפעילים זרם חשמלי במנוע.

אלטרנטור משתמש במושג של שדה מגנטי מסתובב סביב מנוע סטטי, אך זה לא יידון בערך זה.

גנרטור AC: טבעות החלקה ואלטרנטורים

מאחר לטבעות החלקה הן טבעות מוליכות רציפות, הן מעבירות את הזרם החילופין שנוצר בארמור כמו שהוא. ככל שהמשטחים מחליקים באופן רציף מעל הטבעות, הסיכון לקצר חשמלי או לדינור בין件

מאחר לטבעות החלקה הן טבעות מוליכות רציפות, הן מעבירות את הזרם החילופין שנוצר בארמור כמו שהוא. ככל שהמשטחים מחליקים באופן רציף מעל הטבעות, הסיכון לקצר חשמלי או לדינור בין המרכיבים קטן. הדבר מביא לחיי שימוש ארוכים יותר למשטחים בגנרטורים AC בהשוואה לגנרטורים DC.

אלטרנטור הוא סוג נוסף של גנרטור AC בלבד, הכולל ארמור סטטי ושדה מגנטי מסתובב. מאחר והזרם החשמלי נוצר בחלק הסטטי, העברתו למעגל החיצוני הסטטי פשוטה ופישוטית יותר. בעיצובים כאלה, המשטחים סובלים מהתמסרות מזערית, מה שמגביר את התמידות שלהם.

גנרטור DC

גנרטור DC הוא מכשיר הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בתכנית זרם תקיף (DC), גם ידוע בשם דינמו. הוא מייצר זרם תקיף פולסנטי, שבו גודל הזרם עשוי להשתנות אך כיוונו נשאר קבוע.

הזרם הנגרם בארמור הסובב הוא איננו תקיף במהותו. כדי להפוך אותו ל-DC, משתמשים בקומוטטור מחולק. הקומוטטור אינו רק מעביר זרם מהארמור הסובב למעגל החיצוני הסטטי, אלא גם מבטיח שהכיוון של הזרם המסופק נשאר עקבי.

קומוטטור מחולק בגנרטורים DC

הקומוטטור המחולק מורכב מצורה אחת של מוליך בצורת טבעת מחולקת לשני חצאים, עם הפסקה מבודדת ביניהם. כל חצי של הטבעת המחולקת מחובר למתחם נפרד של הסיבוב הארמור, בעוד שני משטחים פחמתיים סטטיים עושים מגע מחליק עם הקומוטטור הסובב כדי לספק זרם למעגל החיצוני.

כאשר הארמור מסתובב והזרם החילופין הנגרם משנה כיוון בכל מחזור חצי, הקומוטטור המחולק מבטיח שהזרם המסופק למעגל נשמר בכיוון עקבי:

• במחצית הסיבוב הראשונה, הזרם זורם דרך משטח אחד למעגל.

• במחצית הסיבוב הבאה, מקטעי הקומוטטור מחליפים מגע עם המשטחים, והופכים את כיוון הזרם הפנימי אך שומרים על אותו זרם חיצוני.

עם זאת, הפסקה בין מקטעי הקומוטטור מכניסה שני אתגרים מרכזיים:

• דינור: כשמשטחים עוברים בין מקטעים, הם מקשרים לרגע את הפסקה, מה שגורם לקצר חשמלי ודינור.

• התמסרות של המשטחים: הדינור החוזר ונשנה והלחץ המכני מגבירים את ההתמסרות של המשטחים, מה שמפחית אתעילות הגנרטור והחיים שלו.

גורמים אלה דורשים תחזוקה וחלפת משטחים תכופה בגנרטורים DC בהשוואה לגנרטורים AC עם טבעות חליקה.