Как устроены генераторы постоянного и переменного тока; Школа для электрика: электротехника и электроника

Как устроены генераторы постоянного и переменного тока

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

Принцип работы простейшего генератора

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется принцип электромагнитной индукции, когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается постоянными магнитами в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

у нее используют не один виток, а несколько — в зависимости от величины запланированного напряжения;

число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах магнитопровода. Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

внешняя силовая рама;

коммутационный узел со щётками.

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

использовать постоянные магниты;

или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;

настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;

работа в экстремальных условиях;

пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

коллекторного узла вращающегося ротора;

конфигурации обмоток на роторе.

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе — электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии — приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем — полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

трансформатора напряжения ТН;

автоматизированного регулятора возбуждения АВР;

трансформатора тока ТТ;

выпрямительного трансформатора ВТ;

тиристорного преобразователя ТП;

блока защиты БЗ.

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором — полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

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:

Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

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
Электрогенераторы переменного тока
Синхронные электрогенераторы
Асинхронные электрогенераторы
Инверторные генераторы
Привод генераторов переменного тока
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Особенности установки

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.

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.

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

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.

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 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.

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.

Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Генератор синхронный переменного тока

Существуют такие типы генераторов переменного тока:

Машины синхронные.
Машины асинхронные.

Синхронный генератор переменного тока имеет строгую физическую зависимость между вращательным движением ротора и генерируемой частотой электричества. В таких системах ротор – это электромагнит, собранный из сердечников, полюсов и возбуждающих обмоток. Последние запитываются от источника постоянного тока посредством щеток и кольцевых контактов. Статор же представляет собой катушки провода, соединенные между собой по принципу звезды с общей точкой – нолем. В них уже наводится ЭДС и вырабатывается ток.

Вал ротора приводится в движение посторонней силой, обычно турбинами, частота движения которых синхронизирована и постоянна. Электрическая цепь, подключаемая к такому генератору, представляет собой трехфазную схему, частота тока в отдельной линии которой смещена на фазу в 120 градусов относительно других линий. Чтобы получить правильную синусоиду, направление магнитного потока в просвете между статорной и роторной частью регулируют конструкцией последних.

Возбуждение генератора переменного тока реализуют двумя методами:

Контактным.
Бесконтактным.

В схеме контактного возбуждения на обмотки электромагнита через щеточную пару подают электроэнергию с другого генератора. Этот генератор может быть совмещен с валом основного. Он, как правило, имеет меньшую мощность, но достаточную, чтобы создать сильное магнитное поле.

Бесконтактный принцип предусматривает, что синхронный генератор переменного тока на валу имеет дополнительные трехфазные обмотки, в которых при вращении наводится ЭДС и вырабатывается электричество. Оно через выпрямляющую схему поступает на катушки возбуждения ротора. Конструктивно в такой системе отсутствуют подвижные контакты, что упрощает систему, делая ее более надежной.

Устройство и принцип работы

Понять, как происходит такое преобразование, можно глядя на простейшую модель генератора. Его работа основана на принципе возникновения ЭДС — электродвижущей силы. Коротко сформулировать суть этого явления можно так, если замкнутая рамка пересекает магнитное поле, в ней возникает (наводится) электрический ток. Чтобы «снять» ток с рамки, используют специальное устройство ‒ щеточный узел. На концах рамки сделаны кольца, которые соприкасаются с токосъёмными контактами (щетками). Щетки, за счет силы упругости пружин, плотно прилегают к кольцам, обеспечивая контакт. К щеткам припаяны провода, по которым далее в устройство и передаётся ток.

Генератор переменного тока: устройство и принцип действия

Как получается переменное напряжение? Представьте себе, рамка вращается, то одной, то другой стороной приближаясь к полюсам (положительному S и отрицательному N). Чем ближе к полюсу, тем сильнее наводимое поле (больше сила тока), чем дальше ‒ тем меньше. Соответственно, на контактных кольцах имеем плавно изменяющуюся силу тока. Она то близка к нулю (когда рамка находится дальше всего), то подходит к максимуму. Таким образом, получаем на выходе ток синусоидальной формы.

Таким образом получаем на выходе генератора ток синусоидальной формы

Те же самые процессы происходят, если прямоугольную рамку закрепить неподвижно, а внутри нее вращать магнитное поле. Ток также имеет синусоидальную форму, просто имеем два типа установок ‒ с неподвижным статором и с неподвижным ротором.

Генератор постоянного тока устроен точно также и отличается только устройство снятия тока. К рамке прикреплены два полукольца, так что щетки снимают ток попеременно, то с одного конца рамки, то с другого. В результате на выходе имеем положительные полуволны, которые близки к постоянному току.

Как работает генератор переменного тока?

Работа генератора заключается в создании электродвижущей силы в проводнике под действием изменяющегося магнитного поля.

Схема и устройство простейшего генератора

По конструкции электрогенератор включает в себя следующие элементы:

вращающаяся индукторная составляющая, называющаяся рамкой;
движущая щеточная часть;
коллекторное приспособление, оснащенное щетками, предназначенное для отвода напряжения;
магнитное поле;
контактные кольца.

Схема простейшего генераторного устройства переменного тока

Принцип действия

Образование электродвижущей силы в обмотках статорного механизма осуществляется после появления электрополя. Для последнего характерны вихревые образования. Данные процессы происходят в результате изменения магнитного потока. Причем последний меняется из-за быстрого вращения роторного механизма.

Ток от него поступает в электроцепь посредством контактных элементов, выполненных в виде деталей скольжения. Для более упрощенного прохождения напряжения к концам обмотки производится подсоединение колец. К этим контактным составляющим подключаются неподвижные щеточные элементы. С их помощью между электропроводкой и обмоткой роторного устройства появляется связь.

В витках магнитного элемента происходит образование поля, в нем формируется ток небольшой величины. По сравнению с напряжением, которое выдает простейший генераторный агрегат на внешнюю электроцепь. Если узел характеризуется небольшой мощностью, то в нем поле образует постоянный магнит, который может прокручиваться. Благодаря такому устройству и принципу работы генератора переменного тока в целом упрощается вся система. Поэтому из конструкции можно убрать щетки и контактные элементы.

Канал «Top Generators» наглядно и схематично в видеоролике показал принцип функционирования агрегата.

Неисправности автогенераторов и способы их устранения

При работе генераторов могут возникать неисправности механического и электрического характера. Зачастую одна вовремя не исправленная поломка становится причиной других.

Признаки повреждения генератора:

мигание или постоянная работа лампы зарядки при работающем моторе;
недостаточная зарядка или перезаряд аккумулятора;
тусклый свет внешней световой сигнализации;
пульсации свечения ламп;
значительное увеличение яркости свечения ламп при повышении оборотов;
посторонние звуки, источником которых является генератор или привод.

Механические поломки

Распространенные неисправности механического характера:

появление трещин на приводном шкиве;
обрыв ремня привода;
износ подшипников якоря, который приводит к заклиниванию генератора.

Трещины и сколы на шкиве обнаруживаются при визуальном осмотре узла. Острые кромки начинают разрушать , который может сойти со шкива по поврежденным кромкам. Поломанный или лопнувший шкив требуется заменить новым, ремонт узла невозможен. Новый шкив должен иметь такие же геометрические параметры, как и изношенный.

Поврежденные подшипники якоря начинают издавать при работе характерный свист. Затягивать с ремонтом не следует, поскольку нарушается режим работы генератора из-за изменения зазора между якорем и статором. В итоге якорь может заклинить, что приведет к обрыву ремня и повреждениям щеток и обмотки.

Электрические поломки

Поломки электрической части генераторов:

истирание токосъемных щеток;
протирание коллекторной части ротора генератора;
выход из строя регулятора напряжения;
межвитковые замыкания обмотки статора;
выгорание выпрямительного диодного моста;
разрушение соединительной проводки;
обгорание или окисление мест подключения проводки.

Для проверки работоспособности генератора применяется мультиметр или вольтметр, предназначенный для измерения постоянного напряжения 0-20 В. Перед началом замеров рекомендуется прогреть агрегат, дав ему поработать 10-15 минут при холостых оборотах двигателя и работающем потребителе (например, ближнем свете фар). Замер напряжения между положительной клеммой генератора и массой автомобиля должен показать значение в пределах 13,5-14,5 В. Более точная информация имеется в инструкции по ремонту и обслуживанию машины. При отклонении напряжения от норматива требуется замена реле-регулятора.

Проверка напряжения на клеммах батареи позволяет обнаружить повреждения соединительной проводки. Для полноценного замера требуется увеличить обороты двигателя до высоких и подключить мощные потребители энергии (например, дальний свет фар, обогревы стекол и сидений). В этом случае напряжение должно быть близким к значению на реле-регуляторе. В противном случае требуется провести проверку проводов и точек подключения.

Исправность диодного моста проверяется путем установки мультиметра на положительный вывод генератора и массу в режиме замера переменного тока. Значение напряжения должно находиться в пределах до 0,5 В. Более высокое напряжение является признаком неисправности диодного моста.

на Форд Фокус 2 показан в видео, предоставленном каналом «Азбука Форд».

Замер пробоев обмоток генератора производится при отключенном аккумуляторе и отсоединенной от положительной клеммы устройства проводке. Тестер, переключенный в режим амперметра, подключается между клеммой и проводкой. Допустимым считается значение до 0,5 мА. При повышенном токе возможен пробой деталей диодного моста либо обмоток.

Для проверки обмоток возбуждения необходимо снять генератор с автомобиля. Работы ведутся при удаленном регуляторе напряжения и щеточном узле. Перед началом проверки контактные кольца очищаются от грязи. Тестирование выполняется мультиметром, переведенным в режим омметра. Подключение ведется к контактным кольцам. Нормальное значение сопротивления находится в интервале 5-10 Ом. Для замера пробоя на массу омметр цепляется к кольцам и корпусу. В исправном состоянии значение сопротивления будет бесконечным, при иных значениях — имеется пробой.

Категорически запрещается проверять работу генераторов методом короткого замыкания. Подобные действия приводят к выходу из строя не только агрегата, но и электронных блоков. Диагностику устройства рекомендуется проводить на стендах, имеющихся в специализированных центрах. Самостоятельные действия могут стать причиной дорогостоящего ремонта.

Видеоурок об устройстве и принципах работы автомобильных генераторов предоставлен каналом zrenie2015.

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Каким компаниям доверять?

Выпуском электрических генераторов занимаются не только известные компании, но и те, что появились совсем недавно. В имеющемся ассортименте легко запутаться без некоторой подготовки.

Стационарная установка

Отечественному покупателю хорошо известны следующие несколько названий:

«Вепрь». Пользуется наибольшим спросом среди российских компаний, занимающихся этим направлением. Мощность находится в диапазоне от 2 до 230 кВт. Генераторы подходят как для бытового, так и для промышленного применения. WAY — модели, подходящие для эксплуатации в домашних условиях.
SDMO. Ещё один производитель, модели которого встречаются в большом количестве. Агрегаты и в этом случае с двигателями, работающими на 1 либо на 3 фазах. Мощность, внешнее исполнение — главное отличие между разными моделями. Корпус с шумопоглощением отлично подходит тем, кто использует именно бытовые разновидности генераторов. Воздушное охлаждение, мощность до 10 кВа — характеристики отдельного класса устройств. Они часто снабжаются дополнительными выходами для переменного либо постоянного тока. Электростартер дополняет стационарные разновидности моделей. Они устанавливаются на раме или внутри контейнеров с функцией шумоизоляции.
Geko. Производитель с широкой линейкой продукции для любых условий. Создаёт не только бытовые модели, но и варианты с более узкой специализацией. Внутри моделей устанавливают одно- или трёхфазный двигатель в зависимости от того, какие цели преследует потребитель. Запуск — ручной либо его заменяет электростартер. У некоторых моделей есть кожухи, поглощающие шумы. Встроенная панель автоматического запуска тоже становится неплохим дополнением к стандартным электростанциям.

Генератор переменного тока: схема и виды, индукционный и электромеханический

Генератор электрического тока – это устройство, предназначенное для преобразования видов неэлектрической энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. Кроме того, его конструкция основана на использовании принципа электромагнитной индукции.

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока
Электрогенераторы переменного тока
Синхронные электрогенераторы
Асинхронные электрогенераторы
Инверторные генераторы
Привод генераторов переменного тока
Опции и возможности бытовых электрогенераторов
Особенности установки

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Генератор

Электромагнитная индукция – это явление, открытое в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), который обнаружил, что, когда изменяющийся во времени магнитный поток пересекает замкнутую проводящую цепь, в последней генерируется электрический ток. Именно этот принцип лежит в основе любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутом корпусе (роторе) при пересечении его вращающимся магнитным полем, создаваемым, в зависимости от назначения и конструкции генератора, постоянными или специальными магнитами обмотки возбуждения. По мере поворота рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее он вращается, тем выше выходное напряжение.

В 1827 году венгерский физик Аньос Иштван Едлик (1800-1895) обнаружил этот эффект и использовал его для создания оригинальной модели генератора электрического тока. Однако, посчитав это известным, ученый не запатентовал свое открытие и объявил о создании первой динамо-машины только в 1850 году.

Принцип работы генератора

Для отвода электрического тока рама оснащена токосъемником, который преобразует ее в замкнутую цепь и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамы с неподвижными элементами генератора. Пружинные щетки прижимаются к кольцам коллектора, и затем электрический ток подается на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половины рамки последовательно проходят рядом с полюсами магнита. В этом случае происходит циклическое изменение направления движения возникающего тока: на каждом полюсе ток движется в одном направлении.

Конструкция якоря генератора постоянного тока

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

В генераторах постоянного тока на каждую половину обмотки в сборке коллектора есть изолированные друг от друга полукольца. Из-за того, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не меняет направление, а просто пульсирует.
В генераторах переменного тока концы рамы привязаны к контактным кольцам, и вся конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамы щетки, каждая из которых вплотную примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежное опускание. В этом случае нет циклического изменения положения щеток.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная часть – статором.

Принцип работы генераторов переменного и постоянного тока идентичен. Они отличаются друг от друга конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе, и конфигурацией обмоток.

В генераторах переменного тока часто используется оригинальное техническое решение, основанное на том, что ЭДС возникает в проводнике не только при его вращении в магнитном поле, но и при вращении самого магнитного поля относительно неподвижного проводника.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые размещают электрические или постоянные магниты на вращающемся роторе. В этом случае напряжение снимается с неподвижно установленной обмотки, что позволяет исключить сложные конструкции токоприемных устройств.

Электрогенераторы переменного тока

Выпускается огромное количество самых разнообразных генераторов переменного тока. Их можно классифицировать по следующим параметрам:

способ возбуждения;
количество фаз.
конструктивное исполнение;

По способу возбуждения потребитель может встретить агрегаты:

при самовозбуждении – на обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
с возбуждением от возбудителя – генератора постоянного тока малой мощности, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.
с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается постоянным током от автономного источника питания;

Схема трехфазного генератора

По количеству фаз электрогенераторы бывают:

двухфазный;
трехфазный.
один этап;

На практике наиболее распространены трехфазные генераторы. Это связано с рядом характерных преимуществ данного типа агрегатов:

более длительный срок службы, что обеспечивает сбалансированность системы;
одновременное использование сетевого и фазного напряжения.
добиться экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снизить материалоемкость трансформаторных устройств и силовых кабелей; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;

Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением друг относительно друга на 120 °. В этом случае каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, который способен подавать переменное напряжение на потребителя R. Такая одиночная обмотка называется «фазой». Фазные обмотки могут быть соединены между собой «треугольником» или «звездой».

Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система Тесла или соединение Славянка (сочетание шести обмоток в виде «звезды» и «треугольника»), но они не получили широкого распространения.

Роль корпуса в устройствах, генерирующих переменный ток, выполняет электромагнит, который при вращении перемещает наведенную переменную ЭДС в обмотках на треть цикла относительно друг друга.

Среди множества генераторов переменного тока есть два основных типа их конструкции: синхронный и асинхронный. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых микропроцессорами, появился новый тип электрогенератора – инвертор.

Синхронные электрогенераторы

Устройство синхронного генератора

Синхронный генератор переменного тока конструктивно состоит из двух частей: подвижного ротора и неподвижного статора.

При вращении ротора, который представляет собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания посредством щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция устраняет необходимость в скользящих контактах, что значительно упрощает конструкцию устройства. Первоначально магнитный поток возбуждается сторонним возбудителем, подключенным к общему валу и подключенным к системе через муфту.

В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается выпрямленным током. В этом случае электрическая цепь образуется за счет включения трансформаторов, включенных в цепь нагрузки. Также включен полупроводниковый выпрямитель. В главную электрическую цепь входят:

обмотка возбуждения;
регулирующий реостат.

Основной особенностью синхронного генератора является то, что частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.

Асинхронные электрогенераторы

Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между скоростями ротора и наведенной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «пробуксовкой». Между ротором и статором индукционного генератора имеется воздушный зазор. В этом случае на частоту генерируемой ЭДС влияет тормозной момент, который возникает при подключении нагрузки и предотвращает вращение ротора. Следовательно, электрическая энергия в асинхронных электрических генераторах генерируется при более высокой скорости вращения ротора.

Конструкция асинхронных генераторов проста, но при этом имеет худшие технические характеристики по сравнению с синхронными агрегатами: погрешность по частоте может достигать 4%, а по напряжению – до 10%. Кроме того, асинхронные генераторы имеют решающее значение для пускового тока. Поэтому рекомендуется использовать их совместно со стабилизаторами, а в некоторых случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может потребоваться преобразователь частоты.

Инверторные генераторы

Инверторный генератор FUBAG Ti 3200

Инверторный электрогенератор – это обычный асинхронный генератор, на выходе которого установлен дополнительный стабилизатор выходных параметров.

Он работает следующим образом: генерируемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы определенной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с практически идеальными техническими характеристиками.

Привод генераторов переменного тока

Бензиновый генератор Green-Field GF4500E

В бытовых условиях ротор генератора приводится в движение двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые работают на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом срок службы бензогенераторов, оснащенных двухтактными двигателями внутреннего сгорания, составляет около 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактный ДВС достигает 5000 часов в год.

Рекомендуется использовать бензиновые генераторы для кратковременных отключений электроэнергии и / или для прогулок в сельской местности.

Дизель-генераторы мощнее и долговечнее бензиновых. Среди них модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется использовать в местах, где электричество часто отключается на длительное время.

Дизель-генератор ONIS VISA P 14 FOX

пользоваться такими бытовыми приборами крайне просто – необходимо залить топливо в бак, повернуть ключ для запуска двигателя и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и символами.

Дизель-генераторы с жидкостным охлаждением – это аппараты совершенно другой категории. Они способны работать днем и ночью и в основном используются на предприятиях в качестве резервных источников питания.

Промышленные генераторы, предназначенные для генерации переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния по высоковольтным линиям электропередачи (ВЛ), работают за счет включения водяных или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединен непосредственно с турбинным колесом.

Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100 000 кВт) и способны вырабатывать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора могут достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а частота вращения последнего находится в диапазоне 1500… 3000 об / мин. Такие агрегаты устанавливаются в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных фундаментах.

Опции и возможности бытовых электрогенераторов

Для удобства использования производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, в том числе:

наличие встроенного УЗО, отключающего прибор от сети в случае нарушения изоляции и появления тока утечки;
защита от перегрузки.
контроль параметров и их визуализация на дисплее;
устройство автоматического пуска агрегата при отключении электроэнергии;

При подключении нагрузки к электрогенератору, значение которого будет ниже номинала, агрегат начнет зря «съедать» часть жидкого топлива, не полностью используя свои возможности.

Не лишним будет наличие в комплекте поставки специального шумоизоляционного кожуха, увеличенного топливного бака, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низких температур и т.д.

Особенности установки

Использование дизельного генератора

Потенциальный владелец генератора перед покупкой должен позаботиться о подготовке участка к его установке. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на улице, для него потребуется плоская прочная платформа. Установка электрогенератора на неровной поверхности усилит вибрации, что ускорит износ деталей и может стать причиной выхода из строя дорогостоящего устройства.

При установке генератора в помещении важно предусмотреть вытяжную вентиляцию. Кроме того, при эксплуатации агрегата рекомендуется оставлять дверь в комнату открытой, что, в свою очередь, потребует установки в двери решетки, которая блокирует проникновение посторонних, особенно детей, в опасную зону.

Подключите генератор к электросети в строгом соответствии с требованиями, указанными в инструкции по эксплуатации. В этом случае электропровод нужно подключать после вводного автомата и электросчетчика.

Генератор переменного тока. Трансформатор

Урок 16. Физика 11 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Генератор переменного тока. Трансформатор”

На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.

Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:

индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;

якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;

и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.

Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором, а неподвижная — статором.

Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.

Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?

Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.

Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 100 2 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм 2 . Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.

Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/

Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.

Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.

В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.

Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:

Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.

Если первичная обмотка имеет N₁ витков, а вторичная — N₂ витков, то в обмотках индуцируются (без учёта потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно электродвижущие силы «ЭДС один» и «ЭДС два»:

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них:

Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:

Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:

Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.

В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор):

В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор):

Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.

Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:

Напомним, что здесь cos φ определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:

Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:

В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).

Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?

В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.

Виды электрических генераторов и принципы их работы

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии – в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: явление электромагнитной индукции, когда при пересечении линиями магнитного поля проводника – в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» – униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p – число пар магнитных плюсов ротора, n – количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Упрощенная схема трехфазного генератора переменного тока:

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.

Автомобильные генераторы

Еще один пример генератора переменного тока — самый распространенный в мире вид генератора – автомобильный генератор. Данный генератор традиционно содержит обмотку возбуждения с контактными кольцами на роторе и трехфазную обмотку статора с выпрямителем.

Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.

Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.

Необычные конструкции электрических генераторов:

Похожие записи:

Коды ошибок кондиционеров Hitachi и их расшифровка, инструкции

Трехфазный генератор: схема подключения с сети загородного дома через розетку

Генератор постоянного тока: из чего состоит, типы, схема и назначение

Генератор с автозапуском при отключении электричества: система автозапуска