Электрический генератор тока — это устройство, предназначенное для превращения неэлектрических видов энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. При этом его конструкция базируется на использовании принципа электроманитной индукции.
Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока
Генератор переменного тока
Электромагнитная индукция — это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.
На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.
В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.
Принцип действия генератора переменного тока
Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.
Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.
Конструкция якоря генератора постоянного тока
В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.
- В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
- В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.
Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная — статором.
Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.
В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.
Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.
Электрогенераторы переменного тока
Выпускается огромное количество самых разнообразных электрогенераторов переменного тока. Классифицировать их можно по таким параметрам:
- конструктивное исполнение;
- способ возбуждения;
- количество фаз.
По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:
- с независимым возбуждением – обмотка возбуждения запитывается постоянным током от независимого источника электропитания;
- с самовозбуждением – в обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
- с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
- с возбуждением от возбудителя – маломощного генератора постоянного тока, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.
Схема трехфазного генератора
По количеству фаз электрогенераторы бывают:
- однофазные;
- двухфазные;
- трехфазные.
На практике чаще всего встречаются трехфазные генераторы переменного тока. Связано это с рядом преимуществ, характерных для этого вида агрегатов:
- получение экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение материалоемкости трансформаторных устройств и силовых проводов; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;
- увеличенный эксплуатационный ресурс, который обеспечивает уравновешенность системы;
- одновременное использование линейного и фазового напряжения.
Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением в 120° относительно друг друга.
При этом каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, которая способна подавать переменное напряжение потребителю R. Такая единичная обмотка и получила название «фаза».
Фазные обмотки могут соединяться между собой «треугольником» или «звездой».
Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система «Тесла» или соединение «Славянка» (сочетание шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника), однако широкого распространения они не получили.
Роль рамки в устройствах, вырабатывающих переменный ток, исполняет электромагнит, который вращаясь, смещает индуцированные в обмотках переменные ЭДС на треть такта относительно друг друга.
Среди множества генераторов переменного тока различают два основных вида их конструктивного исполнения: синхронные и асинхронные. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых при помощи микропроцессоров, появился новый тип электрогенераторов – инверторный.
Синхронные электрогенераторы
Устройство синхронного генератора
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:
- обмотка возбуждения;
- регулировочный реостат.
Основная особенность синхронного генератора — частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.
Асинхронные электрогенераторы
Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между частотами вращения ротора и индуцированной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «скольжением». Между ротором и статором асинхронного генератора имеется воздушный зазор. При этом на частоту вырабатываемой ЭДС влияет тормозной момент, возникающий при подключении нагрузки и препятствующий вращению ротора. Поэтому электроэнергия в асинхронных электрогенераторах вырабатывается при увеличенной скорости прокручивания ротора.
Конструкция асинхронных генераторов отличается простотой, однако имеет при этом худшие, по сравнению с синхронными агрегатами, технические характеристики — погрешность по частоте может достигать 4%, а по величине напряжения — до 10%.
Кроме того асинхронные электрогенераторы критичны к величине пускового тока.
Поэтому эксплуатировать их рекомендуется совместно со стабилизаторами, а в отдельных случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может понадобиться преобразователь частоты.
Инверторные генераторы
Инверторный генератор FUBAG Ti 3200
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.
Привод генераторов переменного тока
Бензиновый генератор Green-Field GF4500E
В бытовых условиях ротор генератора приводят в действие при помощи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом эксплуатационный ресурс бензиновых генераторов, оснащенных двухтактными ДВС составляет порядка 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактными ДВС достигает 5000 часов в год.
Использовать бензиновые электрогенераторы целесообразно при непродолжительных отключениях электричества и/или для выезда на природу.
Генераторы, работающие на дизельном топливе, отличаются большой мощностью и значительно долговечнее бензиновых. Среди них встречаются модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется применять в тех местах, где электричество отключают часто и надолго.
Дизельный генератор ONIS VISA P 14 FOX
Пользоваться такими бытовыми устройствами предельно просто – нужно залить топливо в бак, поворотом ключа запустить двигатель и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.
Дизельные электрогенераторы с жидкостным охлаждением – это устройства совсем другой категории. Они способны работать сутками и используются в основном на предприятиях в качестве источников резервного питания.
Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), работают за счет активации гидравлических или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединяется непосредственно с колесом турбины.
Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100000 кВт) и способны генерировать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора может достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения последнего находится в диапазоне 1500…3000 об/мин. Устанавливают такие агрегаты в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:
- устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
- наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
- контроль параметров и отображение их на дисплее;
- защита от перегрузки.
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
Использование дизельного генератора
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.
Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия
Главная › Электрооборудование ›
18.02.2022
Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.
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.
Устройство и конструкция генератора переменного тока
Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:
- Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
- Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
- Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
- Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.
В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:
- Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
- Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.
Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:
- С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
- С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.
Что такое реле напряжения и для чего оно нужно в квартире
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.
Схема генератора переменного тока
Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.
Классификация и виды генераторов
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.
Асинхронный
У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.
Синхронный
Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.
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:
- Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
- Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
- Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
- Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.
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:
- Относительная дешевизна топлива;
- Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
- Высокий уровень противопожарной безопасности;
- В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
- Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.
Бензогенератор
Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:
- Малые габариты при высокой мощности;
- Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
- В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
- Просты в обслуживании и ремонте;
- Во время работы не издают много шума;
- Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.
Как подключить понижающий трансформатор с 220 на 12 вольт?
Основные сферы применения
В зависимости от того, где используется электрогенератор, определяются его технические характеристики. Главным образом, отношения генератора к определенной категории по области применения, определяет его мощность. Разделяют следующие разновидности оборудования по сферам эксплуатации:
- Бытовые. Обладают мощностью от 0,7 до 25 кВт. Обычно к этой категории относятся бензиновые и дизельные генераторы. Применяются для электроснабжения бытовых электроприборов и оборудования малой мощности, очень часто на строительных площадках. Сгодятся в качестве портативного источника электроэнергии при выезде на природу;
- Профессиональные. Могут применяться в качестве постоянного источника электроэнергии в муниципальных учреждениях и мелких производственных предприятиях. Его мощность не превышает 100 кВт;
- Промышленные. Могут эксплуатироваться на крупных фабриках и заводах, где требуется высокомощное оборудование. Такие аппараты обладают мощностью более 100 кВт, имеют немалые габариты и сложны в техническом обслуживании для неподготовленного человека.
Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия Ссылка на основную публикацию 
Как работает генератор переменного тока
Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле (в одних исполнениях генераторов магнит неподвижен, а обмотка вращается, в других — обмотка неподвижна, магнит вращается). Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.
Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка (катушка) приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется.
Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита (или магнит относительно рамки), электрический ток также изменяет свое направление на противоположное.
Переменный электрический ток будет генерироваться до тех пор, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле).
В данном обзоре постараемся перевести умные электротехнические определения на простой язык и рассмотреть наглядно принцип работы генератора переменного тока.
Рассмотрим схематически конструкцию генератора:
 |
| а — модель генератора; M — магнитопровод статора (неподвижной части генератора); R — магнитопровод ротора (подвижной части генератора); Ф — магнитный поток ротора; Wф — фазная обмотка статора; Eф — ЭДС, наведенная в фазной обмотке; ω — круговая частота вращения ротора. |
| б — ротор с коаксиальным (цилиндрическим) постоянным магнитом NS и с шестью когтеобразными полюсами N и S. |
| в — шестиполюсный статор с тремя фазными обмотками, соединенными «звездой»; R — магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников из твердой стали; 1, 2, 3, общ. — выводы фазных обмоток, соединенных «звездой». |
При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.
Принцип работы генератора
Рассмотрим наглядно принцип работы генератора переменного тока на примере следующей модели:
Здесь мы видим магнитопровод статора, фазную обмотку статора и вращающийся магнит. При вращении магнита за счет его магнитного поля в фазной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС).
На этом, казалось бы, можно и закончить рассмотрение принципа работы генератора. Но мы не будем повторять прописные истины, а постараемся заглянуть немного глубже в процесс генерирования электроэнергии.
Начнем с ротора — вращающегося магнита. В генераторах в роли магнита выступает электромагнит. И важно рассмотреть некоторые его особенности.
Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него.
Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.
Теперь обратим внимание на магнитные линии. В обычном магните магнитные линии (замкнутые кривые) направлены от северного полюса к южному. В электромагните все также.
Единственное, нужно обращать внимание на то, в какую сторону намотана катушка, и на полярность подключения к источнику постоянного тока.
С учетом таких особенностей можно выделить правило правой руки для магнитного поля:
 |
| Если охватить соленоид (разновидность электромагнитов) ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока (от плюса к минусу) в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида. |
Воспользуемся правилом правой руки и покажем магнитные линии магнита и электромагнита в нашей модели генератора:
Прежде чем переходить к рассмотрению процесса наведения в фазной обмотке переменной электродвижущей силы (ЭДС), отметим еще одну важную деталь.
Если катушка электромагнита подключена к источнику постоянного тока, соответственно в ее витках потенциал от плюса к минусу плавно изменяется.
Примем условно, что напряжение источника постоянного тока, подключенного к обмотке электромагнита, равно 2×m Вольт. Тогда потенциалы на выводах источника +m и -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт.
С учетом всех вышеперечисленных особенностей и значений разберемся, что происходит с фазной обмоткой статора при вращении ротора (электромагнита):
Когда магнит находится в положении 1 оба его полюса равноудалены от магнитопровода статора. Фазная обмотка перпендикулярна магнитному полю. Она находится на нейтрали, то есть между полюсами. В связи с этим ЭДС в ней не возникает.
При движении ротора из положения 1 в положение 3 положение магнитного поля изменяется. Максимальное взаимодействие магнитного поля с фазной катушкой возникает в точке 3. В процессе движения магнита (по мере приближения к точке 3 и обратно к нейтральному положению) фазная обмотка противодействует этому движению.
В чем заключается противодействие фазной обмотки? Обмотка статора должна создать соответствующее магнитное поле.
То есть, когда магнит приближается северным полюсом, ему должен оказывать сопротивление северный полюс, так как одноименные полюса отталкиваются.
Чтобы создать магнитное поле по обмотке должен протекать ток, направление которого определяется по рассмотренному выше правилу правой руки.
Для протекания тока в фазной обмотке необходимо напряжение (разность потенциалов). Вспоминаем, что электромагнит у нас — это также катушка, подключенная к источнику постоянного тока. В ее витках потенциал от плюса к минусу плано изменяется от +m до -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт.
По такому же принципу определяем, что в точке 3, где происходит максимальное взаимодействие магнитных полей, потенциалы на выводах фазной обмотки максимальны и равны +u и -u Вольт. Потенциалы на выводах фазной обмотки равны нулю, когда магнит находится в положении 1.
Двигаясь к точке 3 потенциалы на выводах фазной обмотки по модулю увеличиваются, а при дальнейшем движении к нейтральному положению уменьшаются. Таким образом мы получаем синусоиды потенциалов на выводах генератора.
Вычитая одну синусоиду из другой (разность потенциалов) мы приходим к синусоиде переменной ЭДС (напряжения, если подключена нагрузка) генератора.
Важно! Магнит (ротор) должен постоянно вращаться. Как только он остановится, например в положении 3, в фазной обмотке образуется разность потенциалов и моментально она пропадет. Для постоянного поддержания переменной разности потенциалов в обмотке статора необходимо непрерывное изменение магнитного поля.
Разобравшись с приведенной моделью генератора переменного тока кратко рассмотрим следующую привычную модель:
По сути обе модели генераторов функционально одинаковы. Мы всего лишь фазную обмотку первого генератора разделили пополам и изменили форму статора. Единственное отличие заключается в том, что при одинаковом положении ротора на выводах фазной обмотки знаки потенциалов изменятся.
К примеру возьмем положение 3, северный полюс сверху. В этом положении у первой модели генератора потенциал верхнего вывода фазной обмотки имел знак «+» (+u Вольт). Проанализируем, какой знак в этом положении будет у второй модели генератора. Середина обмотки в любом положении — это нулевой потенциал.
Нужно определить направление тока, таким образом, чтобы образованное магнитное поле противодействовало магнитному полю ротора. По правилу правой руки при обхвате верхней катушки большой палец должен быть направлен вниз. То есть ток течет от нижнего вывода к нулю и далее к верхнему выводу.
Ток течет от плюса к минусу, соответственно потенциал на верхнем выводе в рассматриваемый момент -u Вольт.
Завершая обзор можно отметить, что принцип работы генератора переменного тока прост. Дополнив стандартное объяснение потенциалами мы заглянули чуть глубже.
Ведь все рассматривают только напряжение — разность потенциалов, и такой подход часто упрощенный и поверхностный. Если есть возможность хоть условно указать потенциалы точек, лучше это сделать. А зная потенциалы всегда можно прийти к напряжению генератора.
Также для правильного формирования и анализа витков катушки важно знать простое правило правой руки.
Синхронный генератор переменного тока: устройство, принцип работы, применение
Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение.
Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным.
Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.
Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.
Устройство
В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.
Бесщёточные генераторы.
Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.
В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.
Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.
Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором
Пояснение:
- схема устройства;
- схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
- модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».
Синхронные машины с индукторами.
Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.
Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.
Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности
Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.
По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:
- однофазные;
- двухфазные;
- трёхфазные.
По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.
По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:
- соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
- «звезда»;
- «треугольник»;
- сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».
Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.
Принцип работы
Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)
Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора
Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.
Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.
Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.
Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.
Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.
При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость).
Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза.
Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.
Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.
Регулирование частоты
Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:
- Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
- Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.
Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.
Регулирование ЭДС
В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений.
Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр.
Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.
Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.
Рис. 4. Схема регулировки напряжения
Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях.
Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно.
Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.
Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто
Применение
У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами.
При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю.
Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.
Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.
Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.
Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.
Список использованной литературы
- Ю.А. Макаричев, В.Н. Овсянников «Синхронные машины» 2010
- Сыромятников И.А. «Режимы работы синхронных генераторов» 1952
- Бартош А.И. «Электрика для любознательных» 2019
ИНФОФИЗ
Рассмотрим замкнутый контур (рамку) площадью S, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого равна B. Контур равномерно вращается вокруг оси OO’ с угловой скоростью ω.
Магнитный поток, пронизывающий контур, определяется формулой Ф = BS cosΔφ, где Δφ — угол между вектором нормали n к плоскости контура и вектором В.
Рамка вращается внутри магнита с частотой v, и за время t совершает N = vt оборотов. За оборот рамка поворачивается на угол 2π рад.
Угол на который поворачивается рамка за время t: Δφ = 2π vt = ωt, тогда изменение магнитного потока ΔФ = BS cos Δφ = BS cos ωt .
В замкнутом контуре возникает э.д.с. индукции, которая по закону электромагнитной индукции равна скорости изменения магнитного потока .
Тогда получим мгновенное значение э.д.с.
e = — Ф’ = — (BS cos ωt)’ = BSω sin ωt
Следовательно э.д.с. индукции, возникающая в замкнутом контуре, при его равномерном вращении в однородном магнитном поле меняется со временем по закону синуса. Э.д.с. индукции максимальна при sin ωt = 1, т.е. α = ωt = π/2
Величина ε0 = ωBS – называется амплитудным значением э.д.с. индукции.
Если такой контур замкнуть на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток, сила и направление которого изменяются. Такая рамка, вращающаяся в магнитном поле является простейшимгенератором переменного тока.
В нашей стране используется переменный ток частотой 50 Гц (в США – 60 Гц). Такой ток вырабатывается генераторами.
Генераторы электрического тока – это устройства для преобразования различных видов энергии – механической, химической, тепловой, световой и др. – в электрическую.
Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.
В настоящее время имеется много различных типов генераторов. Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС — электродвижущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка).
Неподвижную часть генератора называют статором, а подвижную – ротором.
Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток.
В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит.
Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. К концам обмотки ротора присоединены контактные кольца.
Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.
Модель генератора переменного тока.
Промышленные генераторы имеют намного большие размеры, для увеличения напряжения, снимаемого с клемм генератора, на рамки наматывают не один, а много витков.
Во всех промышленных генераторах переменного тока витки, в которых индуцируется переменный ток, устанавливают неподвижно, а вращается магнитная система.
Если ротор вращать с помощью внешней силы, то вместе с ротором будет вращаться и магнитное поле, создаваемое им, при этом в проводниках статора будет индуцироваться э.д.с.
Принцип действия генератора переменного тока следующий. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали.
Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором.
Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.
Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов.
Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.
Структурная схема генератора переменного тока.
Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь.
Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту.
Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра.
Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.
Загрузка...
