Принцип действия генератора
Генераторами называются машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.
Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.
Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.
Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.
Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле
Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собой простейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.
Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.
Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.
При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.
Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.
При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ — из-за плоскости чертежа на нас.
Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.
Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.
Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.
Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.
При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.
Вращая рамку дальше, снова будем иметь движение проводников АА и ВВ вдоль магнитных силовых линий, а в дальнейшем — повторение всех процессов сначала.
Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).
Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.
Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки
Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название переменного тока.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Принцип работы генератора переменного тока
Переменный ток — основа электрического питания потребителей. Именно этот ток доставляется потребителю по разветвленной системе воздушных и кабельных линий, в промежутках занижаемый трансформаторами.
Переменный ток образуется за счет работы мощных генераторов на электростанциях. Статья подробно раскроет тему, что такое генератор переменного тока, опишет разновидности этих устройств, на каком принципе основана его работа и сферы применения.
Начало
Простейший и самый первый генератор переменного тока был разработан физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и получил название «Диск Фарадея». Конструкция первого генератора переменного тока была очень простой. Она включала такие элементы:
Принцип действия генератора переменного тока Фарадея заключался в том, что при вращении рамки, вырабатывался ток со слабым напряжением. Происходит это следующим образом:
Все генераторы переменного тока используют вращающееся магнитное поле. При изменении положения медной рамки существует также момент полной потери напряжения. Он возникает при медленном вращении, например, без двигателя. При быстром вращении, величина напряжения остается неизменной.
Назначение и устройство
Современные генераторы переменного тока работают по тому же принципу, но в качестве движущей силы используют различные механизмы. Основное назначение генератора переменного тока — это преобразование какого-либо типа энергии в электрический ток. В качестве источника энергии может быть:
Генератор или альтернатор переменного тока состоит из следующих частей:
Это самые основные части, из которых состоит простейший альтернатор. Мы рассмотрели устройство и принцип действия современного генератора переменного тока.
Генераторы такого типа могут быть синхронными и асинхронными. Оба устройства практически идентичны. Разница между ними заключается в следующем. Синхронные и асинхронные модели отличаются наличием обмотки на роторе (синхронный) или ее отсутствием (асинхронный). Также различия заключаются в принципе возбуждения, схемы подключения.
Разновидности
Внутреннее устройство генератора переменного тока зависит от его типа. Электромашины делятся на 2 основных типа:
Также существует классификация по:
Далее будет дано подробное описание всех классификаций.
Синхронные
Альтернатор синхронного типа имеет главную особенность, по которой его можно определить с первого взгляда. На его роторе имеется обмоточный провод. Он необходим для стабилизации частоты между статором и ротором. ЭДС в таком устройстве создается за счет пересечения магнитного полюса ротора и обмотки статора.
Альтернатор синхронного типа оснащается роторами с несколькими полюсами, число которых всегда кратно 2, например, 2, 4, 6, 8. Работает генератор переменного тока по следующему принципу:
Работа такого генератора сильно зависит от типа нагрузки. Нагрузка индукционного типа сильно влияет на размагничивание якоря. Этот эффект приводит к большой потере напряжения.
При емкостных нагрузках якорь наоборот намагничивается, что значительно увеличивает выходное напряжение. Схема генератора переменного тока синхронного типа представлена ниже.
Синхронный альтернатор имеет одно большое преимущество. Его выходное напряжение намного выше (в 3–4 раза) номинальных значений. Увеличение необходимо, если устройство питает электрические насосы, приборы и устройства, которым нужен стартовый ток. Такие устройства сильно увеличивают реактивные нагрузки на общую сеть, с которыми справляется синхронный генератор.
Недостатки у такого генератора также есть. Первый заключается в высокой чувствительности к перегрузке в цепи. Реакцией на нагрузку является краткий, но достаточно мощный ток на обмотке ротора, который появляется из-за увеличения тока самим блоком регулировки. В результате обмотка выгорает или происходит ее нагрев.
Вторым минусом является искрение. У простейшего генератора синхронного типа на роторе установлены контактные кольца с щетками. Они небезопасны при эксплуатации на промышленных предприятиях, в условии наличия легко воспламеняемых газов или жидкостей. Для таких случаев используются трех машинные генераторы синхронного типа. Устройство и принцип работы генератора переменного тока такого типа сильно отличается. Этот генератор состоит из:
Все эти элементы установлены на общий вал. Работа осуществляется следующим образом:
В конечном итоге генератор выдает номинальное требуемое напряжение, которое регулируется блоком AVR. Вся работа такого устройства производится в одном корпусе, который полностью герметичен.
Асинхронный
Асинхронный генератор переменного тока имеет иное устройство. Его ротор не имеет обмотки. По этой причине принцип его работы сильно отличается. Во время вращения, ротор такого генератора опережает обороты магнитных полей, которые создаются статором. Роторы этих устройств имеют 2 типа обмотки: короткозамкнутую и фазную. Принцип работы асинхронных электрогенераторов следующий:
Главное отличие заключается в невозможности регулировки напряжения при установленном числе оборотов. Асинхронные генераторы сильно зависимы от приводных двигателей. Любая потеря стабильности приводит к понижению напряжения и частоты тока.
Преимуществом подобных устройств является низкая чувствительность к возникновению коротких замыканий. Применение — питание бытовых приборов, сварочного оборудования и электрических насосов. При наличии реактивной нагрузки, AVR должен увеличить обороты приводного двигателя на короткий срок. При этом включенный в цепь понижающий трансформатор защищает остальные устройства от перенапряжения.
Самые распространенные и универсальные типы генераторов переменного тока имеют 3 независимые обмотки. Такие устройства являются трехфазными. Их принцип работы следующий:
Каждая обмотка такого устройства — это независимый однофазный генератор переменного тока, который способен питать бытовую сеть.
Для снижения числа проводников, которые подключены к генератору, используется один общий провод. Он заменяет 3 проводника от приемников. Этот проводник становится нейтралью. Основные особенности трехфазных генераторов следующие:
Общая схема трехфазного генератора представлена ниже.
Трехфазные генераторы могут использоваться для бытовых нужд. Но подключение стоит проводить между несколькими потребителями или помещениями. Для единоличного потребления подходит однофазная модель синхронного типа. Главное подобрать модель подходящей мощности с небольшим запасом.
Возбуждение
По способу возбуждения, генераторы делятся на 4 основных типа. Они бывают следующими:
Генераторы переменного тока могут иметь схожее устройство. Часто промышленные и бытовые модели различаются только размером и компоновкой. Но есть отличие по принципу возбуждения и количеству фаз. Также существует классификация по схеме подключения внутренней обмотки.
Схемы подключения
Существуют две основные схемы подключения внутренней обмотки. Каждая со своими особенностями.
Каждая схема подключения также предполагает одинаковое сечение проводов. В случае возникновения большой нагрузки на одной фазе, ее провод может выгореть, что приведет к появлению несимметричности цепи, а по нейтрали, в этом случае, потечет ток.
Инвертор
Инверторный генератор переменного тока представляет собой современный и универсальный блок, который может использоваться для бытовых и промышленных нужд. Состоит устройство из следующих частей:
Особенность таких устройств — это стабильная выдача напряжения, возможность подключения к переменному и постоянному току через отдельные гнезда. Рассмотрим, как работает этот тип генератора.
На выходе разъема получается ток частотой 50 Гц, напряжением 220 вольт. Инверторные модели генераторов обладают существенным преимуществом. Оно заключается в следующих нюансах конструкции:
На данный момент различаются 3 основных типа инверторных генераторов:
Инверторные генераторы переменного тока компактные, установить и использовать их довольно просто. В бытовую сеть могут быть подключены через обычный рубильник, с предварительно отсоединенной основной сетью.
Заключение
Статья дала подробное описание всех разновидностей генераторов переменного тока. В данном устройстве используется простой принцип выработки электрического тока за счет образования ЭДС. Генераторы имеют простое устройство, способны обеспечивать бесперебойным электричеством как бытовые, так и промышленные сети.
Видео по теме
Трансформаторы
Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.
Для преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.
Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.
Устройство и работа трансформатора
Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.
Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.
На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.
В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.
Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2 e.
Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u1|≈|e1|.
При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно: |u2|=|e2|.
Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:
К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K
Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула: U1/U2≈ I2/I1.
То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.
Устройство и принцип работы генератора переменного тока
Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел
Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.
К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.
Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.
Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.
Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.
Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе.
Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.
Превращение механической энергии в электрическую
Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.
Базовые принципы
Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.
Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.
Переменный ток
В его честь была названа частота тока
Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.
Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.
Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.
Устройство и конструкция генератора переменного тока
Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:
В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:
Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:
В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.
Основные рабочие части и их подключение
Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины, а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.
За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.
Устройство и принцип действия генератора переменного тока
Трехфазные генераторы переменного тока и устройство их
Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.
Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.
Синхронный генератор электрического тока и принцип действия этого устройства
Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.
Принцип работы электрогенератора
В основу работы агрегатов, преобразующих энергию, положен закон Фарадея об электродвижущей силе (ЭДС). Учёный открыл закон, который объяснил природу появления тока в металлическом контуре (рамке), вращающемуся в однородном магнитном поле (явление индукции). Ток возникает также при вращении постоянных магнитов вокруг металлического контура.
Простейшая схема генератора представляется в виде вращающейся металлической рамки между двумя разно полюсными магнитами. На оси рамки помещают токосъёмные кольца, которые получают заряд электрического тока и передают его дальше по проводникам.
В действительности статор (неподвижная часть прибора) состоит из электромагнитов, а ротором служит группа рамных проводников. Устройство представляет обратный электромотор. Электродвигатель поглощает электрический ток и заставляет вращаться ротор. Электрический генератор, преобразовывающий кинематическую энергию механического вращения в ЭДС, называют индукционным генератором.
Технические характеристики генератора постоянного тока
Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:
Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).
В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена. Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.
Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.
Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.
В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.
В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным. Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря.
Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.
Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.
В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.
Реакция якоря
Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.
Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.
Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.
Мощность
Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.
Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.
На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.
Описание схем
Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:
“Звезда”
Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.
Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.
Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.
Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.
Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.
Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.
“Треугольник”
Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.
В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.
Все упомянутые зависимости справедливы только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке фаз, их необходимо пересчитывать аналитическими или графическими методами.
Назначение генератора переменного тока
Переменные генераторы тока применяют уже достаточно давно. За последние годы сфера применения стала еще более обширной. Используются такие приборы не только в промышленных, но и в бытовых целях. Производственные электроустановки представляют собой самый выгодный вариант для генерации электроэнергии, используемой на заводах и предприятиях, учебных учреждениях, торговых центрах и т. д. Также такие генераторы позволяют значительно ускорить строительство того или иного сооружения в тех местах, где нет возможности провести линию электропередачи.
В быту такие устройства также применяются. Они обладают более компактными размерными характеристиками и универсальностью. Часто их используют для питания частных домов, дачных участков или коттеджей.
Обратите внимание! Бытовые и производственные генераторы перемененного тока пользуются популярностью практически во всех сфера жизни человека. Особенно они полезны там, где постоянно возникают перебои с подачей электроэнергии или ее нет вообще.
Классификация и виды агрегатов
Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.
По принципу работы
Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.
Асинхронные генераторы
Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.
Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.
Синхронные электрогенераторы
Синхронный генератор переменного тока конструктивно состоит из двух частей — подвижного ротора и неподвижного статора.
При вращении ротора, представляющего собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания при помощи щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция исключает необходимость применения скользящих контактов, что существенно упрощает конструкцию агрегата. Изначально магнитный поток возбуждается от стороннего возбудителя, закрепленного на общем валу и подключаемого к системе при помощи муфты.
В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается за счет выпрямленного тока. При этом электрическая цепь образуется за счет активации трансформаторов, входящих в цепь нагрузки. Туда же включен и полупроводниковый выпрямитель. В состав основной электрической цепи входят:
Основная особенность синхронного генератора — частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.
Инверторные генераторы
Инверторный электрогенератор — это обычный асинхронный генератор, на выходе которого установлен дополнительный стабилизатор выходных параметров.
Работает он следующим образом: вырабатываемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, а затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы заданной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с почти идеальными техническими характеристиками.
Автономность
Главное преимущество, которым обладает электрический генератор, – это его полная независимость от централизованных поставщиков энергии. Автономность электротехнического оборудования бывает стационарной и мобильной.
Стационарные
Обычно это генераторные станции, работающие от дизельных двигателей. Станции используют для электроснабжения потребителей в местах, удалённых от централизованных электрических сетей.
Стационарные генераторные станции необходимы для обеспечения током производственных процессов там, где даже кратковременные перебои поставки электроэнергии недопустимы.
Мобильные
Электрогенераторы мобильного типа выполнены в виде компактных аппаратов, которые можно перемещать в пространстве. Передвижные станции используют для электросварки, местного освещения, снабжения током бытовых электроприборов и многое другое.
Оборудование включает в себя двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или дизельном топливе. Агрегаты имеют различные габариты. Компактный аппарат может транспортировать один человек. Существуют мобильные агрегаты, которые устанавливаются на специальном автомобильном прицепе.
Режимы работы
В зависимости от того, в каком режиме эксплуатируются агрегаты, их подразделяют на основные и резервные.
Основные
Аппараты предназначены для работы в постоянном режиме. Мощные электрогенераторы с дизельными двигателями относят к промышленным установкам. Устанавливаются там, где требуется получение электроэнергии круглосуточно.
Резервные
Само название агрегатов говорит о применении их в исключительных случаях – при внезапном отключении централизованного электроснабжения. Генераторы могут включаться в работу при срабатывании реле, реагирующего на исчезновение напряжения в электросети централизованного источника. Резервные аппараты рассчитаны на беспрерывную работу в течение нескольких часов.
Схемы подключения
Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:
Однофазный генератор
Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.
Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть
Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.
Трехфазный генератор
Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.
Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.
Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.
По типу топлива двигателя
Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.
Газовый генератор
В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:
Дизельный генератор
Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:
Бензиновые
Бензиновые генераторы в основной своей массе изготавливают мощностью, не превышающей 20 кВт. Устройства используют для аварийного обеспечения электричеством загородных домов, дач, а также для питания ручных электроинструментов, небольших станков и прочее. Генераторы могут поддерживать освещение придомовой территории, автомобильной стоянки и торговых площадей.
Дополнительная информация. Стандартное топливо для агрегатов – это бензин марки АИ-92. Кратковременно можно заливать в бак оборудования бензин АИ-76 и АИ-95.
Бензиновые генераторы переменного тока могут быть мобильными и стационарными. Особо мощные тяжёлые установки оснащают колёсной парой. В зависимости от модели, устройства оснащают ручным запуском или стартером. Для понижения шумности работы двигателя внутреннего сгорания аппарат помещают в звукопоглощающий кожух.
Способы возбуждения обмотки
Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.
Тут можно выделить 4 типа:
С параллельным возбуждением
Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.
Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.
Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.
Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.
Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы
У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.
Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.
В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 Iн, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.
Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.
Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы
Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.
Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.
Со смешанным возбуждением
Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.
Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.
Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:
При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.
Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.
Особенности установки
Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.
Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.
Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.
Применение генераторов переменного тока на практике
Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.
Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.
Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.
Автомобильные генераторы
На фото — электрический генератор для автомобиля
Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.
Принципиальная схема автомобильного генератора
Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.
Функции генератора
При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).
Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.
Устройство генератора
Элементы источника переменного тока спрятаны в одном корпусе, который также является основой для статорной обмотки.
В процессе изготовления кожуха применяются легкие сплавы (чаще всего алюминия и дюрали), а для охлаждения предусмотрены отверстия, обеспечивающие своевременный отвод тепла от обмотки.
В передней и задней части кожуха предусмотрены подшипники, к которым и крепится ротор — главный элемент источника питания.
В кожухе помещаются почти все элементы устройства. При этом сам корпус состоит из двух крышек, расположенных с левой и с правой стороны — около приводного вала и контрольных колец соответственно.
Две крышки объединяются между собой с помощью специальных болтов, изготовленных из алюминиевого сплава. Этот металл отличается незначительной массой и способностью рассеивать тепло.
Основные параметры и характеристики
Для любого электрогенератора важны такие характеристики как:
Виды генераторов
Выделяют два вида автомобильных генераторов:
Первый вид генераторов в настоящее время уже не используется. Такие устройства устанавливались на старых моделях автомобилей (ГАЗ-51, Победа и др.). Они имеют много недостатков, такие как:
Сейчас применяются генераторы переменного тока. Главное их отличие в том, что вне зависимости от режима работы двигателя автомобильную сеть питает постоянный ток. Это достигается благодаря полупроводниковому выпрямителю.
Принцип работы генератора
Главный потребитель электроэнергии еще на запуске машины — стартер. При этом стоит заметить, что при впрыске топлива в мотор сила тока способна вырасти сразу до сотни ампер, если не больше. В таком режиме оборудование транспортного средства получает электроэнергию только от аккумулятора, который, как уже было отмечено ранее, быстро разряжается.
Как только двигатель начинает работать, на смену батарее приходит генератор, который тут же направляет электроэнергию для работы электрических систем, датчиков и других устройств.
При работе двигателя внутри машины происходит непрерывная зарядка аккумулятора, а также обеспечивается работоспособность электрооборудования, и со всем этим справляется автогенератор. Если он неожиданно выйдет из строя, то батарея машины, проработав небольшое количество времени, быстро сядет, и железному коню потребуется ремонт.
Режимы работы
Чтобы разобраться в особенностях функционирования автомобильного генератора, важно понять особенности каждого из режимов:
Правила эксплуатации генератора (по Остеру)
И напоследок несколько “вредных” советов, как быстро и без проблем “сжечь” генератор:
Основные неисправности автомобильного генератор
Электрогенераторы для автомобилей надежные, но неисправности все же случаются. Они бывают:
К механическим относится:
Обнаружить их просто по стукам и другим посторонним шумам. Ремонт сводится к замене неисправных деталей.
Чаще случаются электрические неисправности:
Для определения неисправностей необходимо знать характерные признаки:
Неисправную деталь желательно выявить сразу. Если пробит регулятор напряжения, аккумуляторная батарея постоянно перезаряжается. При неисправных кольцах или щетках аккумулятор перезаряжается или недозаряжается, быстро требуется замена.
Чтобы самостоятельно провести диагностику и ремонт, необходимо хорошо знать, из чего состоит генератор, как расположены детали, для чего каждая предназначена, как работает. Сначала проверяется предохранитель, потом расположение агрегата, целостность корпуса, ремня, проводки, вращение ротора, контактные кольца, щетки.
Из механических повреждений самым частым считается износ подшипников. Необходимо их снять, оценить состояние посадочных мест, при необходимости заменить на новые. Свист во время разгона свидетельствует о проблемах с ремнем. Заменить его тоже не совсем просто.
Проверка обмоток ротора проводится мультиметром, сопротивление должно быть 1,8-5 Ом. Если цифра меньше, на витках короткое замыкание, если больше, обмотка оборвана. Чтобы проверить обмотки статора, необходимо отсоединить их от выпрямителя. Об отсутствии у обмоток контакта с корпусом свидетельствует бесконечное значение на приборе.
Диоды выпрямителя тоже проверяются мультиметром, меняя щупы местами. Полупроводниковая деталь неисправна, если показания при проверке не зависят от расположения щупов. Диодный мост нужно менять полностью, если окислились контакты.
Современный автомобильный генератор достаточно сложный, для проверки, диагностики, ремонта лучше обратиться к опытным специалистам, обладающим необходимыми знаниями, использующим при работе специальный стенд, заменяющим неисправные детали на соответствующие оригинальные.
Генератор на жидком топливе
Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.
Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.
Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…
На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.
Вывод
Таким образом, существует огромное количество видов генераторов переменного тока, которые используются в той или иной жизненной ситуации. Они обладают всевозможными видами защиты от перегрузок, перегрева, токов КЗ. Основной принцип работы заключается в преобразовании энергии различного типа в электрическую.
