Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Принцип работы генератора переменного тока: 7 типов устройств

Устройство и принцип работы генератора переменного тока

С ростом научного прогресса и получением электрического тока, являющимся одним из основных видов энергии, жизнь человека стала намного комфортнее. Ведь благодаря ему, а точнее, его работе, приводятся в движение различные механизмы, освещаются и обогреваются помещения и так далее.

Ток в проводнике появляется за счёт электродвижущей силы (ЭДС), заставляющей перемещаться частицы, несущие заряд в проводнике. Если проводник испытывает воздействие магнитного поля, то это явление называется электромагнитной индукцией.

Иными словами, если соблюдается следующее условие: двигается проводник в магнитном поле или электромагнитное поле совершает движение вокруг проводника, то в последнем появляется электрический ток. В результате этого явления были созданы трансформаторы, электродвигатели и генераторы.

Обратите внимание

Генератор тока является электрической машиной, преобразующей механическую энергию в электрическую. Это примитивное устройство, состоящее из проводника, представляющего замкнутый контур и вращающийся между полюсами магнита.

В современных генераторах этот контур содержит минимум три обмотки, необходимые для создания большей ЭДС. Для чёткого понимания предназначения и процессов, протекающих при преобразовании электроэнергии, нужно ознакомиться с устройством и принципом действия генератора (ЭГ).

Устройство генератора

Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).

Он состоит из основных узлов:

  • корпус;
  • статор;
  • ротор, или якорь;
  • коробка коммутации.

Ещё один важный элемент — обгонная муфта генератора. Об особенностях её работы и ремонта читайте в материале нашего эксперта.

Рисунок 1. Генератор в разрезе

Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.

Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной.

Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора.

Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.

Принцип действия

Закон электромагнитной индукции является основным принципом действия генератора переменного тока. Устройство и принцип работы практически одинаковы для всех типов. Происходит индукция, в результате которой появляется ЭДС в контуре, при вращении в однородном магнитном поле. Это магнитное поле вращается.

Работает генератор переменного тока следующим образом:

  • ротор является магнитом, передающим при вращении магнитное поле в обмотки статора;
  • статор представляет собой катушки, к которым подведены провода для съёма электрической энергии;
  • при возникновении U происходит его съём.

Кольца выполняются из медного проводника, вращаются с ротором и валом одновременно. Щётки служат для передачи тока с вала на кольца. Разновидностей очень много и, следовательно, их можно классифицировать по следующим признакам:

  • конструктивный план;
  • метод возбуждения;
  • количество фаз: однофазные, двухфазные и трёхфазные;
  • тип соединения обмоток статора.

По конструктивному плану бывают с неподвижными полюсами и якорем (он вращается) и, наоборот, с вращающимися магнитными полюсами (якорь остаётся неподвижным). Последний вид получил широкое распространение, благодаря получению большего тока.

При вращении ротора, полюсные наконечники которого имеют минимальный зазор между статором для создания максимального Ф, происходит генерация ЭДС в витках статорной катушки.

Наконечники подбираются такой формы, чтобы U было близко к синусоидальному.

По методу возбуждения также делятся на подвиды.

  • Обмотки питаются постоянным током (независимое возбуждение). Эта модель приводится в действие при помощи другого генератора.
  • Питается своим же выпрямленным током (с самовозбуждением).
  • Возбуждение от постоянных магнитов.
  • Наиболее часто применяется соединение звездой и нейтральный провод, который выполняет роль компенсатора фазовых перекосов. Кроме того, нулевой провод позволяет исключить постоянную составляющую при возникновении вредоносных кольцевых токов (далее I), снижающих мощность и влияющих на нагрев.

    К генератору, обмотки которого соединены по типу звезды, подключается активная нагрузка с нейтральным проводом. Кроме того, бывает соединение треугольником , которое применяется редко.

    При таком подключении обмоток можно подключать устройства небольшой мощности. Генераторы отличаются между собой техническими параметрами.

    Технические параметры

    Генераторы отличаются также основными величинами, которые являются техническими параметрами. Среди всего числа можно выделить наиболее значимые:

    • электрическое U;
    • вырабатываемый I;
    • мощность (далее P);
    • частота вращения (обороты в минуту);
    • коэффициент P — cos ф.

    Регулируется U благодаря изменению Ф при последовательном подключении в цепь обмоток возбуждения регуляторов U (переменный резистор или электронный регулятор U). При наличии генератора-возбудителя ток непосредственно регулируется на нём. При использовании генераторов переменного U от постоянных магнитов следует применить стабилизаторы U или регуляторы.

    При подключении в цепь используют параллельное соединение ЭГ, один из которых считается резервным. Для подключения резервного ЭГ к шинам-проводникам нужно выполнять условие равенства ЭДС и U на этих шинах.

    Также фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Этот процесс получил название синхронизации ЭГ.

    Важно

    Для осуществления синхронизации генератора с сетью применяют синхроскоп, представляющий обыкновенную лампу накаливания и вольтметр (нулевой).

    Синхроскоп подключается к генератору последовательно. При пуске генератора регулируется I возбуждения. Если генератор синхронизирован, то лампы гаснут, а до этого — моргают.

    Чем чаще они моргают, тем быстрее процесс синхронизации и регулировка близятся к завершающей стадии. Нужно обратить внимание на вольтметр, который должен при синхронизированном ЭГ показывать значение, равное 0.

    Более подробную информацию о том, как проверить генератор, вы сможете найти в интересном материале нашего специалиста.

    Основное предназначение

    Генераторы широко используются для производства электроэнергии и представляют собой огромные машины, вырабатывающие ток высокой мощности. Однако не все разновидности имеют такие габариты.

    Устройства, применяемые в автотранспорте, используются в качестве источников U.

    Это очень удобно, так как ходовая часть транспорта совершает механические движения и глупо не воспользоваться этим видом энергии для вращения ЭГ.

    Генераторы трёхфазного типа переменного тока применяются вместе с мостовым выпрямителем и используются для зарядки аккумулятора.

    Кроме того, они используются для питания электропотребителей, например, системы зажигания, световой сигнализации и освещения, бортового компьютера и так далее. Подключается устройство к регулятору U, благодаря которому величина U остается постоянной.

    В авто применяются устройства переменного тока, так как они имеют меньшие размеры относительно своих собратьев — ЭГ постоянного U.

    Несмотря на одинаковое строение, они применяются в различных видах устройств и типах транспорта. Определённый тип ЭГ применяется в различных ситуациях. Выделяют основные виды устройств-генераторов, которые классифицируются по типу применения:

    • автомобильный;
    • электрический;
    • инвентарный;
    • дизельный;
    • синхронный;
    • асинхронный;
    • электрохимический.

    Основным предназначением автомобильного аккумулятора является вращение коленвала. Применяется новый тип — гибридный генератор, выполняющий роль стартера.

    Основным принципом работы можно считать использование для включения зажигания, при этом I течёт по контактным кольцам, а затем к щелочной части.

    Далее переходит на обмотку возбуждения, образовывается магнитное поле и запускается ротор, создающий электромагнитные волны.

    Совет

    Эти волны пронизывают обмотку статора. После происходит возникновение переменного тока на выходе обмотки. Если генератор осуществляет работу в режиме самовозбуждения, то при этом частота вращения увеличивается до допустимого значения, а переменный ток преобразуется в постоянный при помощи выпрямителя.

    Электрогенератор выполняет функции преобразователя механической энергии в электрическую. Источников может быть много: вода, пар, ветер, ДВЗ и другие сторонние силы, оказывающие механическую работу на ротор генератора.

    Очень распространён инверторный тип ЭГ. Он представляет собой автономный источник питания, который производит качественную электрическую энергию. Применяется практически везде и является очень надежным источником питания, при котором отсутствуют любые скачки U. Основной принцип действия:

    • вырабатывается переменный высококачественный ток, который при помощи диодного моста выпрямляется;
    • постоянный ток накапливается в аккумуляторах;
    • из аккумуляторов при помощи инвертора происходит преобразование в переменный стабилизированный ток.

    Ещё одним отличным и долговечным вариантом является дизельный ЭГ, преобразующий энергию топлива в электрическую. Топливо сгорает и преобразовывается из химического вида энергии в тепловую. Затем тепловая энергия преобразовывается в механическую. Затем происходит трансформация по старой схеме: механическая энергия в электрическую.

    В синхронном ЭГ ротор выполняет роль постоянного магнита с полюсами, число которых колеблется от 2 и более. Однако должна соблюдаться кратность 2. Во время запуска ротор генерирует слабое электромагнитное поле, но в процессе увеличения частоты вращения появляется ток в обмотке возбуждения.

    Во время этого процесса появляется U, поступающее на устройство, контролирующее его значение при изменении электромагнитного поля. Генераторы синхронного типа отлично зарекомендовали себя благодаря стабильно вырабатываемому U.

    Однако у них есть существенный недостаток — возможна перегрузка по току, а также наличие щёточного узла, который приходится иногда обслуживать.

    Принцип работы ЭГ асинхронного типа основан на постоянном нахождении в режиме «торможения с подвижной частью», вращающейся с опережением. Ротор бывает фазным и короткозамкнутым. Вспомогательное магнитное поле создаётся при помощи обмотки возбуждения и продолжает индуцироваться в роторе. От количества оборотов зависит частота тока и U.

    Очень интересным источником электричества является электрохимический генератор. Энергия электрического типа получается из водорода. Он является химическим источником тока, так как проходит реакция этого типа взаимодействия молекул кислорода и водорода.

    Однако этот источник довольно опасен. Ведь водород может и взорваться при больших количествах, а кислород выполняет роль катализатора. В очаге взрыва водорода произойдёт значительное возгорание, так как кислород усилит горение.

    Кроме того, при использовании ЭГ нужно совместно с ними применять и устройства, регулирующие параметры U и частоты. Принцип работы устройства заключается в поддержании постоянных значений U и других параметров электроэнергии для качественного питания потребителей.

    Регулятор также защищает генератор от перегрузок и аварийного режима. При возникновении аварийной ситуации при наличии регулятора, генератор не запустится и останется в выключенном состоянии. Это возможно при КЗ в цепи потребителей.

    Эти приборы улавливают U, частоту и I, а также Ф.

    Вывод

    Таким образом, существует огромное количество видов генераторов переменного тока, которые используются в той или иной жизненной ситуации. Они обладают всевозможными видами защиты от перегрузок, перегрева, токов КЗ. Основной принцип работы заключается в преобразовании энергии различного типа в электрическую.

    Пожалуйста, оцените этот материал!

    (8

    Что такое генератор переменного тока и какие типы генераторов существуют

    Устройство и принцип работы генератора переменного тока

    Любой генератор переменного тока представляет собой устройство электрического типа, предназначенное для преобразования механической энергии в электроэнергию с переменными токовыми величинами.

    В большинстве современных генераторов используется традиционный принцип действия вращающегося магнитного поля.

    Электрический генератор переменного тока

    Выделяется пара основных видов электрических генераторов, имеющих конструкционные отличия, представленные:

  • Устройствами, имеющими неподвижную часть в виде статора и вращающийся элемент, который представлен магнитными полюсами.

    Данный тип популярен у потребителей и очень активно эксплуатируется благодаря наличию неподвижной обмоточной части, не требующей снимать избыточную нагрузку электрической сети.

  • Устройствами электрического типа, имеющими вращающийся якорь и магнитные неподвижные полюса.

  • Таким образом, в конструкцию генератора любого типа входят две наиболее важные части: подвижная и неподвижная, а также некоторые связующие элементы, представленные щетками и проводными соединениями.

    Электрогенераторами переменного тока производится как активная энергия, так и реактивная, передающаяся и распределяемая по электросетям.

    Электрические генераторы ПТ, наряду с трансформаторами, рассчитаны на определенные номинальные токовые величины и достаточное количество номинального напряжения, зависящие от конструкционных особенностей такой машины, а также типоразмеры рабочих частей и связующих элементов.

    Типы генераторов переменного тока

    Существует несколько типов машин или установок, предназначенных для преобразования неэлектрического вида энергии в электроэнергию.

    Самые популярные виды представлены:

    • компактным преобразователем Стирлинга, имеющим линейный генератор ПТ;
    • однофазным генератором ПТ;
    • двухфазным генератором ПТ;
    • трехфазным генератором ПТ;
    • генератором ПТ на 380 Вольт без наличия двигателя;
    • стандартным генератором ПТ на 220 Вольт;
    • генератором ПТ на тиристоре;
    • синхронным генератором ПТ;
    • индукционным;
    • переносными.

    Генератор переменного тока ЭГВ – 32 У1

    В зависимости от конструкционных особенностей выделяются устройства, имеющие:

  • неподвижные магнитные полюса и вращающийся якорь;
  • вращающиеся магнитные полюса и неподвижный статор.
  • В зависимости от способа возбуждения:

    • с обмотками возбуждения, питающимися постоянными токовыми величинами с использованием посторонних источников электроэнергии, включая аккумуляторные батареи;
    • с обмотками возбуждения, питающимися с использованием сторонних генераторов ПТ, которые отличаются маломощными токами с одного вала;
    • с обмотками самовозбуждения, питающимися выпрямленными токовыми величинами;
    • с возбуждением, получаемым в процессе функционирования магнитных элементов постоянного типа.

    В зависимости от типа соединения фазной обмотки:

  • не обладающая практическим значением система Тесла;
  • подсоединение типа «Звезда»;
  • подсоединение типа «Треугольник»;
  • подсоединение типа «Славянка».
  • Последний вариант сочетает в себе шесть обмоточных элементов типа «Звезда» и одну обмотку «Треугольник» на каждом статоре.

    С конструктивной точки зрения могут быть выделены преобразующие энергию устройства или машины электрического типа, имеющие явно и неявно выраженные полюса.

    Устройство

    Конструкция и внутреннее устройство преобразователя одного вида энергии в другой может иметь существенные отличия. Самыми распространенными являются автомобильные генераторы ПТ, представленные следующими основными конструктивными элементами:

    • двухкрышечной корпусной частью со специальными вентиляционными отверстиями;
    • роторной однообмоточной электромагнитной частью, вращаемой посредством шкива в паре подшипников;
    • двумя медными кольцами и графитовыми щетками, подающими ток на роторную часть;
    • регулирующей релейной частью, отвечающей за выдачу генераторного напряжения в оптимальных пределах.

    Общая схема устройства генератора переменного тока

    Статорная часть имеет три медных обмотки, объединенные «треугольником» с подключением полупроводникового диодного моста, благодаря которому происходит преобразование типа напряжения.

    Современные автомобильные генераторы относятся к категории высокооборотных агрегатов, поэтому частота оборотов может составлять девять тысяч в одну минуту.

    Схема генератора переменного тока

    Принцип действия генераторов ПТ базируется на свойствах электромагнитной индукции, что и отражается в схеме таких агрегатов:

  • неподвижная якорная часть;
  • вращающаяся индукторная часть;
  • кольца контактного типа;
  • скользящая щеточная часть.
  • Характерным отличием трехфазных генераторов является электрическая схема, отображающая особое соединение на фазных обмотках.

    Синхронный и асинхронный

    В зависимости от принципа работы, генератор может быть представлен устройством синхронного и асинхронного типа. Для любых асинхронных генераторов характерна конструктивная простота и дешевизна изготовления, а также достаточно высокая устойчивость к короткому замыканию или перегрузкам.

    Асинхронные электрические генераторы прекрасно зарекомендовали себя в работе с активным уровнем нагрузки, включая лампы накаливания, электронагреватели, современную электронику и электрические конфорки.

    Разница синхронного и асинхронного генераторов

    Тем не менее, даже в условиях кратковременного перегруза отмечается выход устройства из строя. Именно по этой причине подключение приборов с индуктивной нагрузкой, включая электрические двигатели, не электронные сварочные аппараты и энергозависимый инструмент, потребует применения асинхронного генератора с трех- или четырехкратным запасом по уровню мощности.

    Генераторы синхронного типа востребованы в работе любого индуктивного потребителя, имеющего высокие параметры пусковых токовых величин.

    Обратите внимание

    Современные синхронные устройства электрического типа легко выдерживают пятикратный уровень секундной токовой перегрузки, что обусловлено линейной зависимостью числа оборотов вращения магнитного поля от количества роторных оборотов или угловой скорости генератора.

    Асинхронные и синхронные генераторы отличаются своим устройством, но первый вариант принято считать конструктивно более надежным, что объясняется отсутствием в них традиционного щеточного узла.

    Однофазный

    В соответствии с количеством фаз, все генераторы представлены двумя большими группами:

  • Однофазными.
  • Трехфазными.
  • Первый вариант предназначается исключительно для работы с любыми однофазными потребителями электрической энергии, а трехфазные генераторы относятся к категории универсальных, но дорогостоящих машин, нуждающихся в затратном обслуживании.

    Однофазный тип генератора

    Простейшие конструкции представлены магнитным полем, вращающейся рамкой и обычным коллекторным щеточным узлом, отводящим ток.

    Благодаря коллекторному узлу, рамочное вращение через щетки создает постоянство контакта с половинкой рамки в условиях отсутствия циклического изменения положения. Токовые величины, изменяющиеся в соответствии с законами гармоники, передаются на щетки и в схему потребителей энергии.

    Трехфазный тип генератора

    Однофазные генераторы в настоящее время являются самыми популярными автономными источниками тока и предназначаются для питания любых однофазных потребителей электрической энергии, к которым относятся практически все бытовые приборы.

    Принцип работы

    Основным принципом функционирования генераторов переменного тока являются вращательные движения токопроводящей рамки, располагаемой между парой постоянных магнитов, имеющих противоположные полюса. В большинстве случаев, конструкция стандартна и функционал таких устройств достаточно прост.

    Схема работы трехфазного генератора

    Например, роторы, которые установлены в промышленные индукционные генераторы, вращаются благодаря турбине, а статор бывает дополнен достаточно мощным электромагнитом. Внутри роторных обмоточных витков происходит индукция ЭДС, благодаря чему формируется суммарное напряжение, необходимое для потребителей.

    Принцип работы генераторов основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому происходит индукция ЭДС в прямоугольной контурной части проволочной рамки.

    Назначение

    Генераторы являются основными источниками электроэнергии в системах энергоснабжения, позволяющих обеспечивать питание любых потребителей и заряжать аккумуляторную батарею в процессе функционирования двигателя.

    Современные генераторы, имеющие встроенные кремневые диоды, обладают небольшими габаритами, простой конструкцией, надежностью и долгим сроком эксплуатации, что является отличным дополнением высокой удельной мощности таких устройств-преобразователей при малой вращательной частоте.

    Некоторое время назад генераторы отличались довольно узкой областью применения, но благодаря усилиям разработчиков, техников и специалистов, преобразователи энергии были в значительной степени усовершенствованы. На сегодняшний день область применения данных устройств очень широка, поэтому генераторы ПТ стали незаменимыми в промышленной и бытовой сфере.

    Устройство генератора переменного тока – принцип работы и общее назначение

    Устройство и принцип работы генератора переменного тока

    Конструктивно, электрогенератор состоит из:

  • Токопроводящей рамки.
  • Магнитов.
  • Работает он следующим образом:

  • Токопроводящая рамка помещается в магнитное поле, созданное между полюсами магнитов. Ее концы снабжают контактными кольцами, которые также способны вращаться.
  • С помощью упругих токопроводящих пластинок (щеток), кольца соединяют с электрической лампочкой.
  • Рамка, вращаясь в магнитном поле, постоянно пересекает своими сторонами магнитные силовые линии.
  • Пересечение рамкой магнитных силовых линий вызывает возникновение ЭДС и получение индукционного тока.
  • Под действием полученного индукционного тока, лампочка начинает светиться. Свечение лампочки продолжается до тех пор, пока вращается рамка.
  • Один полный оборот рамки внутри магнитного поля приводит к тому, что возникающая ЭДС, дважды меняет свое направление, причем ее величина дважды увеличивается до максимального значения (проводники проходили под полюсами магнитов) и дважды была равна нулю (проводники двигались вдоль силовых линий магнитного поля).

    Такое изменение ЭДС в процессе непрерывного вращения рамки вызывает в замкнутой электрической цепи постоянно изменяющийся по направлению и величине синусоидальный электрический ток, который в настоящее время называют переменным.

    В современной энергетике используются индукционные генераторы переменного тока различного типа. При этом, принцип их действия одинаков и базируется на принципе электромагнитной индукции.

    В общем виде, такие устройства представляют собой достаточно сложное изделие, состоящее из медной проволоки, и большого количества изоляционных и конструктивных материалов.

    Устройство и принцип работы

    Устройство

    Любой генератор переменного тока состоит из:

  • Постоянного тока или электромагнита, который создает магнитное поле. С целью получения мощного магнитного потока, в генераторах устанавливают специальные магнитные системы из двух сердечников, которые изготавливаются из электротехнической стали.
  • Обмотки, в которой возникает переменная ЭДС. Обмотки, создающие магнитное поле, размещают в специальных пазах одного сердечника, а обмотки, в которых возникает ЭДС – в пазах другого.
  • Для подвода питающего напряжения и съема полученного переменного тока, используются контактные кольца и щетки. Эти детали изготавливаются из токопроводящих материалов. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле значительно меньше той, которую генератор отдает во внешнюю цепь, поэтому генерируемое напряжение удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить маломощное питающее напряжение.
  • В маломощных устройствах щетки и кольца используются значительно реже, так как в их конструкциях можно использовать вращающиеся постоянные магниты, которым подвод питающего напряжения не нужен.

    Как правило:

  • Внутренний сердечник (ротор) вместе с обмоткой вращается вокруг своей оси.
  • Внешний сердечник (статор) неподвижен.
  • Зазор между ротором и статором должен быть минимальным – только тогда мощность потока магнитной индукции максимальна. При этом, магнитное поле создает неподвижный магнит, а обмотки, в которых создается ЭДС, вращаются.
  • Однако, в больших промышленных генераторах, внешний сердечник, создающий магнитное поле, вращается вокруг внутреннего, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, остаются неподвижными.

    Во время работы, в обмотке ротора возникает ЭДС, амплитуда которой пропорциональна количеству витков. Кроме того, она пропорциональна и амплитуде переменного магнитного потока (через виток).

    Принцип работы синхронного генератора:

    Область применения

    Повседневную жизнь человеческого общества невозможно представить без переменного тока. Его широкое использование связано с тем, что он обладает огромными преимуществами перед постоянным.

    При этом, главным преимуществом является то, что напряжение и силу переменного тока можно легко и практически без потерь преобразовать в достаточно широких пределах.

    Особенно, такое преобразование необходимо в случае передачи электроэнергии на большие расстояния. Электроэнергия обладает большими преимуществами перед другими видами энергии.

    Ее можно передавать на большие расстояния с малыми потерями и достаточно легко распределять между потребителями. Кроме того, электроэнергия просто превращается в другие виды энергии (световая, тепловая, механическая и пр.).

    Именно поэтому, генераторы переменного тока в современных условиях получили очень широкое применение. С их помощью вырабатывается электроэнергия, которая затем используется во всех отраслях промышленности, а также в быту и на всех видах транспорта.

    Классификация

    В связи с большим разнообразием генераторов, выпускаемых промышленностью различных стран, была разработана и достаточно обширная система их классификации.

    Так, генераторы переменного тока различают по:

  • Виду.
  • Конструкции.
  • Способу возбуждения.
  • Количеству фаз.
  • Соединению фазных обмоток.
  • Электрогенераторы переменного тока бывают:

  • Асинхронными. Изделия, в которых на вращающемся валу имеются пазы, предназначенные для размещения обмоток. Они генерируют электрический ток с небольшими искажениями, величина которого не превышает номинального значения. Изделия этого типа используются для электропитания бытовой техники.
  • Синхронными. Изделия, в которых катушки индуктивности размещены непосредственно на роторе. Они способны выдавать ток, который обладает высокой пусковой мощностью.
  • Генератор с неподвижным ротором

    Конструктивно различают генераторы:

  • С неподвижным ротором.
  • С неподвижным статором
  • Конструкции с неподвижным статором получили наибольшее распространение благодаря тому, что отпадает необходимость в использовании контактных колец и плавающих щеток.

    По способу возбуждения электрогенераторы бывают:

  • С независимым возбуждением (питающее напряжение подается на обмотку возбуждения от отдельного источника постоянного тока).
  • С самовозбуждением (обмотки возбуждения питаются выпрямленным (постоянным) током, получаемым от самого генератора).
  • С обмотками возбуждения, питание которых осуществляется от стороннего генератора постоянного тока малой мощности, “сидящего” на одном валу с ним.
  • С возбуждением от постоянного магнита.
  • По количеству фаз различают электрогенераторы:

  • Однофазные.
  • Двухфазные.
  • Трехфазные.
  • Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы.

    Это связано с наличием некоторых преимуществ, среди которых нужно отметить возможность беспроблемного получения:

  • Вращающегося кругового магнитного поля, что способствует экономичности их изготовления.
  • Уравновешенной системы, что существенно повышает срок службы энергоустановок.
  • Одновременно двух рабочих напряжений (фазного и линейного) в одной системе.
  • Высоких экономических показателей – значительно уменьшается материалоемкость силовых кабелей и трансформаторов, а также упрощается процесс передачи электроэнергии на большие расстояния.
  • Трехфазные генераторы отличаются электрическими схемами соединения фазных обмоток.

    Бывает, что фазные обмотки соединяются:

  • “Звездой”.
  • “Треугольником”.
  • Описание схем

    Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:

    “Звезда”

    Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.

    Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.

    Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.

    Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.

    Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.

    Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.

    “Треугольник”

    Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.

    В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.

    Все упомянутые зависимости справедливы только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке фаз, их необходимо пересчитывать аналитическими или графическими методами.

    Практическое применение

    Индукционные генераторы находят свое применение практически во всех областях жизнедеятельности человеческого общества.

    Причем в любом случае, для получения переменного тока используется энергия вращения вала генератора.

    Это касается:

  • Крупных гидро-, тепло-, и атомных электростанций.
  • Промышленных электрогенераторов.
  • Бытовых электрогенераторов.
  • Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, вырабатывают большое количество электроэнергии, которая затем передается на огромные расстояния.

    Они разрабатываются под конкретные, узкоспециализированные задачи и представляют собой сложнейшие устройства, для установки которых необходимо строить отдельные здания и сооружения. Кроме того, их работа обеспечивается специально организованной инфраструктурой.

    Промышленные генераторы используются для обеспечения электроэнергией объектов, в работе которых не должно быть перебоев с подачей напряжения.

    Кроме того, их используют для обеспечения электроэнергией строительных площадок, вахтовых поселков, удаленных ферм и буровых установок, находящихся в местах, где подводка стационарных линий электропередач невозможна или экономически нецелесообразна.

    Важно

    Как правило, для работы они используют дизельное топливо, вырабатывая при этом переменный ток большой мощности (220 или 380 В). Используются для этого синхронные генераторы, которые способны обеспечить работу промышленного оборудования большой мощности.

    В дизельных установках, вал генератора вращается с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

    Электрогенератор на шасси

    Все комплектующие изделия, входящие в состав промышленного генератора, монтируются на высокопрочных стальных шасси, которое при необходимости устанавливается:

  • Теплоизолированным контейнером.
  • Передвижным шасси (колесное, на полозьях).
  • Бытовые электрогенераторы приобрели большую популярность сравнительно недавно.

    Они используются для электрификации небольших коттеджей, загородных домов и дач, а также помогают решить ряд проблем, связанных с некорректной работой централизованной электросети и часто применяются в качестве аварийных источников переменного тока на ранее электрифицированных объектах подобного типа.

    В устройствах этого типа для вращения вала генератора используют как бензиновые, так и дизельные ДВС. Они вырабатывают переменный ток небольшой мощности (от 0,5 до 15 кВт) и отличаются:

  • Экономичностью.
  • Небольшими размерами.
  • Низким уровнем шума.
  • При выборе бытового генератора переменного тока, потенциальному потребителю необходимо обращать внимание на:

  • Тип ДВС (бензиновый или дизельный).
  • Заявленную в сопроводительной документации мощность.
  • Тип генератора (синхронный или асинхронный).
  • Фазность.
  • Блок управления.
  • Уровень шума.
  • Изучаем принцип работы генератора переменного тока и устройство агрегата

    Устройство и принцип работы генератора переменного тока

    Переменный ток – движущая сила многих производств и транспорта, в частности, автомобилей. Существуют как небольшие модели величиной с кулак, так и гигантские устройства несколько метров в высоту.

    Генератор – та самая техническая система, которая преобразует механическую (кинетическую) энергию в электрическую. Как же действует генератор?

    Какое явление используется при устройстве генератора переменного тока?

    Как бы не был устроен генератор, в основе его действия лежит процесс электромагнитной индукции – появление в замкнутом контуре электрического тока под воздействием измененного магнитного потока.

    Генератор условно делят на 2 части: индуктор и якорь.

    Индуктором называют ту часть устройства, где создается магнитное поле, а якорем – ту половину, где образуется электродвижущая сила или ток.

    Постоянным остается его техническое строение: проволочная обмотка и магнит.

    В обмотке возникает электродвижущая сила под воздействием магнитного поля. Это основа для генератора. Но мощный переменный ток нельзя получить из такой примитивной конструкции. Для преобразования нужен сильный магнитный поток.

    Для этого в проволочную намотку добавляют 2 стальных сердечника, которые и определяют назначение и устройство генератора переменного тока. Это статор и ротор. Обмотка, которая создает магнитное поле, помещается в паз одного сердечника – это статор, или индуктор.

    Он остается неподвижен в отличие от ротора. Статор питается постоянным током. Бывают двухполюсным или многополюсным.

    Ротор, или также — якорь, активно вращается с помощью подшипников и продуцирует электродвижущую силу или переменный ток. Представляет собой внутренний сердечник с медной проволочной намоткой.

    Генератор имеет прочный металлический корпус с несколькими выходами, что зависит от целевого назначения устройства. Переменчиво количество катушек с проволочной намоткой.

    Разбираемся в особенностях функционирования агрегата

    Теперь выясним, на каком принципе основана работа генераторов переменного тока. Схема функционирования достаточно проста и понятна. При условии постоянной скорости ротора электрический ток будет производиться единым потоком.

    Вращение ротора провоцирует изменение магнитного потока. В свою очередь электрическое поле порождает появление электрического тока.

    Через контакты с кольцами на конце ток от ротора проходит в электрическую цепь устройства. Кольца имеют хорошее скользящее свойство.

    Совет

    Они прочно контактируют со щеточками, которые являются постоянными неподвижными проводниками между электрической цепью и медной проволочной обмоткой ротора.

    В медной обмотке вокруг магнита присутствует ток, но он очень слаб в сравнении с силой электрического тока, который выходит из ротора по цепи в устройство.

    По этой причине для вращения ротора используют только слабый ток, подведенный по контактам со скольжением.

    При сборке генератора переменного тока очень важно выдерживать пропорции деталей, размер, величины зазоров, толщину проволочных жил.
    Собрать генератор переменного тока можно, если в вашем доме найдутся все необходимые детали и достаточное количество медной проволоки. Смастерить небольшой агрегат вполне реально.

    Или же для использования асинхронного двигателя как генератора существует подробная инструкция.

    Устройство и принцип работы генератора переменного тока на видео

    Устройство автомобильного генератора и его проверка — DRIVE2

    Устройство и принцип работы генератора переменного тока

    обозначения клемм генератора, схемы ссылка 1
    Как проверить автомобильный генератор ссылка 2

    Устройство и принцип работы автомобильного генератораЭлектрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор — устройство, преобразующее механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.

    Требования, предъявляемые к генератору:выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;

    напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

    Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя, слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и, ускоренному выходу ее из строя.

    Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей, отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.

    1

    Основные части генератора:
    1. Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
    2. Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора.

    На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
    3. Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами.

    Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
    4. Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
    5.

    Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
    6. Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
    7.

    Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;
    8. Защитная крышка диодного модуля.

    Рассмотрим электрическую схему соединения элементов генератора.

    2

    Принципиальная электрическая схема генераторной установки:1. Включатель зажигания;2. Помехоподавляющий конденсатор;3. Аккумуляторная батарея;4. Лампа-индикатор исправности генератора;5. Положительные диоды силового выпрямителя;6.

    Отрицательные диоды силового выпрямителя;7. Диоды обмотки возбуждения;8. Обмотки трех фаз статора;9. Обмотка возбуждения(ротор);10. Щеточный узел;11.

    Регулятор напряжения;B+ Выход генератора “+”;B- “Масса” генератора;

    D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.

    Обратите внимание

    В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока.

    И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.

    Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.

    Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.

    3

    Ротор генератора1. вал ротора;2. полюса ротора;3. обмотка возбуждения;

    4. контактные кольца.

    Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Однако его значение невелико и способно обеспечить самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения.

    Поэтому, для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора.

    Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт.

    После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.

    Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно “северный” и “южный” полюсы ротора, т. е.

    направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения.

    Важно

    Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.

    4

    Статор генератора1. обмотка статора;2. выводы обмоток;

    3. магнитопровод.

    Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.

    5

    Осциллограммы фазовых напряжений обмотокU1, U2, U3 – напряжения обмоток;Т – период сигнала (360 градусов);

    F – фаза смещения (120 градусов).

    Фазовые обмотки могут соединяться в “звезду” или “треугольник”.

    6

    Виды соединения обмоток1. «звездой»;

    2. «треугольником».

    При соединении в “треугольник” ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках при соединении в “треугольник” значительно меньше, чем у “звезды”.

    Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в “треугольник”, т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа “звезда”.

    В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в “звезду”, т. е. получается “двойная звезда”.

    Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода.

    Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор.

    Совет

    Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).

    Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор.

    Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом “+” генератора, а другие три с выводом “—” (“массой”).

    Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении.

    Следует обратить внимание на то, что под термином “выпрямительный диод” не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.

    7

    Сборка с выпрямительными диодами1. силовые диоды;2. дополнительные диоды;

    3. теплоотвод.

    Многие производители в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения заменяют диоды силового моста стабилитронами.

    Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации.

    Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25… 30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны “пробиваются “, т. е.

    Обратите внимание

    начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе “+” генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после “пробоя” используется и в регуляторах напряжения.

    Как было отмечено выше, напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны.

    Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее то, например, для момента времени t когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам показанным на рисунке.

    8

    Направление токов в обмотках и выпрямителе генератора

    Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок.

    Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода “+” генераторной установки к ее выводу “—” (“массе”), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.

    У значительного количества типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на трех диодах. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку.

    Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, три из них общие с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку.

    Поэтому в качестве диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25… 35 А).

    При необходимости увеличения мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя.

    9

    Схема генераторной установки с дополнительными диодами

    Важно

    Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в “звезду”, т. к. дополнительное плечо запитывается от “нулевой” точки “звезды”. Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный.

    Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды.

    Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой.

    Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е.

    одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном — нет.

    Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения.

    Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5…15% при частоте вращения более 3000 мин-1.

    Напряжение генератора без регулятора сильно зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям.

    Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение. Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения.

    Совет

    Ранее применялись вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.

    Оформление электронных полупроводниковых регуляторов может быть различным, но принцип работы у всех регуляторов одинаков.

    Конечно, можно изменять ток в цепи возбуждения введением в эту цепь дополнительного резистора, как это делалось в прежних вибрационных регуляторах напряжения, но этот способ связан с потерей мощности в этом резисторе и в электронных регуляторах не применяется.

    Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.

    Недостатком приведенного варианта подключения регулятора является то, что регулятор поддерживает напряжение на выводе “D+” генератора, а потребители, в том числе, аккумуляторная батарея, включены на вывод “В+”.

    Кроме того, при таком включении регулятор не воспринимает падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не вносит корректировок в напряжение генератора, чтобы компенсировать это падение.

    Эти недостатки устранены в следующей схеме, где напряжение на входную цепь регулятора подается от того узла, где его следует стабилизировать, обычно, это вывод “В+” генератора.

    10

    Усовершенствованная схема стабилизации напряжения

    Некоторые регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector