Принцип работы синхронного генератора

Область применения

Синхронные генераторы – устройства, предназначенные для добычи переменного тока. Встретить такие устройства можно на различных станциях:

• атомных;
• тепловых;
• гидроэлектростанциях.

А также агрегаты активно используются в транспортных системах. Их применяют в различных автомобилях, в судовых системах. Синхронный генератор способен работать как в автономном режиме, отдельно от электрической сети, так и одновременно с ней. При этом удается подключить сразу несколько агрегатов.

Преимуществом станций, вырабатывающих переменный ток, является возможность обеспечить выделенное пространство электроэнергией. Удобно, если объект находится далеко от центральной сети. Поэтому агрегаты пользуются спросом у владельцев ферм, отдаленных от города населенных пунктов.

Принцип работы СГ

Конструкция генерирующей машины переменного тока достаточна проста. Статор и ротор – это основные компоненты синхронного генератора (СГ).

Синхронный альтернатор, в основном, вырабатывает электроэнергию тогда, когда ротор синхронного генератора движется по кругу вместе с магнитным полем, линии которого встречаются в неподвижной обмотке статора. Поле образуется посредством возбуждения дополнительным устройством, например:

• вспомогательным генератором;
• аккумулятором;
• разнообразными энергетическими преобразователями;
• и другими энергоисточниками.

Стоит отметить, что процесс преобразования энергий в СГ может происходить и по-другому – вращающееся части проводникового элемента могут располагаться в обездвиженном магнитном поле. В этом случае возникает трудность токосъема через щеточно-коллекторный узел электрической машины, какой соединяет ротор с цепями ее неподвижной части. Для генераторных машин невысокой мощности подобная схема может успешно применяться. Зачастую она встречается в установках передвижного типа.

В рассматриваемом генераторе продуцируется электродвижущая сила (ЭДС), расчет которой совершается по формуле:

• π – константа;
• B – индукция магнитного поля;
• l – длина паза статорного элемента;
• w – число витков в обмотке статорного компонента;
• Dn – диаметр статора внутри.

Электроэнергетика с такими устройствами построена, в основном, на электронапряжении в диапазоне 15 000-40 000 В. Энергообмен через коллектор альтернатора затруднителен. К тому же обмоточная катушка подвижного типа подвергается ударным нагрузкам большой силы и вращательным движениям с попеременной скоростью, что формирует проблематику с изоляционной составляющей. По этой причине якорные элементы производят обездвиженными, так как именно через них пропускается основная масса энергии.

Мощность устройства-возбудителя обычно не превосходит 4-5% от совокупной производительной мощности синхронного генератора – это дает возможность пропускать электроток через динамический узел.

Для информации. В механизмах переменного тока малой мощности (до нескольких кВт) роторный элемент изготавливается с магнитными деталями постоянного типа (ферритовыми, неодимовыми, полимерными магнитопластами и другими). В них не нужно устанавливать подвижные контакты, однако из-за этого существуют трудности с регулировкой выходного напряжения.

Как выбрать?

При выборе генератора важно найти подходящее и надежное устройство, которое сможет обеспечить электроэнергией отведенную площадь. Для начала необходимо определиться с техническими параметрами будущего устройства

Специалисты советуют обратить внимание на:

• массу электрогенератора;
• габариты устройства;
• мощность;
• расход топлива;
• показатель шума;
• продолжительность работы.

А также важным параметром является возможность организации автоматической работы. Чтобы понять, сколько фаз требуется будущему генератору, необходимо определиться с типом и количеством электроприборов, которые будут к нему подключаться.

Однако не всегда покупка подобной мобильной электростанции становится лучшим решением.

Перед покупкой дополнительно рекомендуется учесть нагрузку, которая будет оказана на устройство во время его работы. На каждую фазу должна приходиться нагрузка максимум в 30% от общего количества. Таким образом, если мощность генератора составляет 6 кВт, то в случае использования розеток с напряжением в 220 В удастся задействовать только 2 кВт.

Покупка трехфазного генератора востребована только тогда, когда в доме много трехфазных потребителей. Если большинство приборов однофазные, лучше приобрести соответствующий агрегат.

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.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита

Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Синхронная конструкция

Синхронным называют генератор (альтернатор), у которого частота вращения ротора совпадает с показаниями движения поля магнитного. При автономной работе оборудование тока переменного способно выдержать любую нагрузку. Техника отлично функционирует в условиях без централизованных магистралей. 

Принцип работы

Синхронный альтернатор работает по принципу электромагнитной индукции. При холостом движении катушка статора разомкнута, а энергия формируется в роторной обмотке. Подвижные части вращаются от мотора. Во время процесса внутри образуется постоянная частота, а магнитное поле переносится через детали и создают электродвижущую силу.

Для образования полей внутри конструкции нужна обмотка. Элемент позволяет надежно изолировать друг от друга металлические пластины. Если в синхронном альтернаторе якорь привести в движение вращением, то поток энергии переходит через статорные катушки.

Принцип работы оборудованияИсточник en.ppt-online.org

Щеточные конструкции работают в режиме двигателя или для генерации электричества. В моделях, функционирующих при высоких нагрузках, дополнительно используют системы охлаждения. В вал устанавливают «крылья», которые с двух сторон обдувают ротор и снижают температуру подвижного элемента. Чем сильнее поток кислорода, тем лучше проходит процедура.  

Особенности конструкции

Синхронный альтернатор по строению является типичным представителем генераторов. В пазах статора щеточной машины расположили одно-, двух- или трехфазную обмотку. От бесщеточного вида модель отличается ротором, который по функциям является электрическим магнитом. В конструкции присутствуют полюсы (от 2 и более).

У быстроходных генераторов количество полюсных пар равно 1. Чтобы получить ток, синхронный альтернатор надо вращать с определенной частотой. Производители создают конструкции, внутри которых присутствуют полупроводниковые трехфазные элементы. Для образования энергии применяют метод выпрямления токов переменных.

Технические особенности видаИсточник smolgelios.ru

Система возбуждения генераторов представляет собой оборудование, созданное для производства тока. Регуляторы используют для управления электричеством. По типу действия выделяют 2 группы:

• Пропорционального. При отклонении одного параметра равномерно трансформируют ток возбуждения.
• Сильного. Изменения происходят при расхождении нескольких показателей.

Структуры возбуждения в синхронном альтернаторе обеспечивают безопасное функционирование и торможение оборудования на холостом ходу. Техника работает по заданной программе с учетом нагрузок. При отклонении параметров устройство подстраивается под изменения (напряжения, скорости).

Генератор постоянного токаИсточник arsvest.ru

Виды оборудования

По техническим особенностям синхронные альтернаторы делят на 4 группы. В турбогенераторах энергия возникает при движении специальных элементов. Скорость у моделей часто достигает 6000 об/мин. Гидроконструкции за счет отсутствия полюсов работают на малых оборотах.

Виды щеточных альтернаторов Источник en.ppt-online.org

Мощный синхронный компенсатор применяют для стабилизации напряжения. Аппарат подходит для улучшения качества получаемой энергии. Двухполюсное ударное оборудование воздействует недолго, используют в графиках коротких замыканий. 

Плюсы и минусы

Синхронные генераторы (альтернаторы) обеспечивают на выходе равномерный ток, легко переносят максимальные нагрузки и небольшие колебания. Агрегаты подойдут для выработки электричества для бытовой, компьютерной техники и точного оборудования. Сильные стороны:

• качественная энергия;
• стабильное напряжение;
• практичность в эксплуатации;
• надежность.

К недостаткам синхронных генераторов (альтернатов) относят высокую цену, создание радиопомех и слабую защиту от пыли. Для снижения жара вращающихся щеток используют вентиляторы. Система охлаждения, как пылесос, втягивает мелкие частицы, которые засоряют конструкцию и станут причиной поломок. Чтобы минимизировать проблему, профессионалы советуют регулярно осматривать и вовремя менять детали. Угольные модели прослужат до 2 лет, медно-графитовые – 4 месяца.

Где используют оборудованиеИсточник gidroturb.ru

АСИНХРОННЫЙ АЛЬТЕРНАТОР: МИНУСЫ

К сожалению, асинхронный генератор обладает не только плюсами, но и минусами, главный их которых – это низкая способность «проглатывания» пусковых перегрузок. В связи с чем, напряжение на выходе нестабильно. В официальных характеристиках асинхронных генераторов указывается возможное отклонение в 10%, но в основном скачки выходят за пределы допустимого отклонения. Функции автоматического регулятора напряжения у данного вида генераторов не бывает.Различные незапланированные скачки могут испортить дорогую электронику, а в этом случае риск не благородное дело! Чтобы обезопасить свою электронику при выборе асинхронного генератора, используйте возможность приобретения и установки стартового усилителя, что способствует улучшению выходящего тока.

Итак, минусы асинхронного альтернатора:

• Нестабильное напряжение
• Ток низкого качества

Чтобы как-то выровнять эти показатели, помните при выборе генератора, что немаловажным фактором остается производитель мотора. Качественные бензиновые двигатели от мировых брендов способствуют улучшению выходных параметров, поскольку такой мотор поддерживает при изменении нагрузки постоянные обороты.

История создания

В конце XIX века компания Роберта Боша впервые разработала нечто похожее на генератор. Устройство было способно зажечь двигатель. В процессе испытаний было выявлено, что машина не подходит для постоянного использования, однако разработчики смогли усовершенствовать аппарата.

В 1890 году фирма практически полностью перешла на производство данного оборудования, так как оно приобрело большую популярность. В 1902 ученик Боша создал зажигание, задействуя высокое напряжение. Устройство было способно добыть искру между двумя электродами свечи, что сделало систему более универсальной.

Начало 60-х годов XX века стало эпохой распространения генераторов по всему миру. И если раньше устройства были востребованы только в автомобилестроении, то сейчас подобные агрегаты способны обеспечить электроэнергией целые дома.

Реакция якоря

Блокинг генератор: принцип работы

В обмотках статорного элемента при присоединении выхода с наружной нагрузкой начинает протекать электроток. Образующееся при этом силовое магнитное поле совмещается с полем, что формируется роторным элементом. Такое взаимодействие полей именуется реакцией якоря.

Реакция якоря в СГ при разнородных видах нагрузки

При активной нагрузке электроток и ЭДС имеют одни и те же фазы. Предельная сила электротока проявляется в тот момент, когда полюса роторного элемента находятся на противоположной стороне от якорных обмоток. Главный магнитный поток и второстепенный поток, который формируется во время реакции якоря, перпендикулярны друг другу, а при сопоставлении формируют увеличенный итоговый поток, что увеличивает в тот момент ЭДС.

Нагрузка индуктивного вида, имея потоки, направленные навстречу друг к другу, наоборот, приводит к значительному снижению электродвижущей силы.

Нагрузка емкостного типа вызывает совмещение потоков, движущихся в одну сторону, итог – увеличение ЭДС.

Любое повышение нагрузки увеличивает влияние реакции якоря на выходное электронапряжение, которое из-за этого изменяется в ту или иную сторону, что крайне нежелательно в электросетях. Практично такой процесс можно контролировать: просто изменять возбудитель, что снизит уровень влияния реакции якоря на главное силовое поле.

ВЫВОДЫ: КАКОЙ АЛЬТЕРНАТОР ЛУЧШЕ

Какой лучше альтернатор щеточный или бесщеточный, выбирать, конечно, вам, но отзывы потребителей тоже говорят о многом. Изучив отзывы и полезные советы покупателей, которые уже использовали альтернатор асинхронный или синхронный, становится понятно, что главный критерий выбора – ответ на вопрос, для каких целей нужен генератор.

Генератор с синхронным альтернатором в бытовых условиях

• Если вопрос в том, какой генератор лучше для дома, и вы планируете «запитывать» бытовую и компьютерную технику, то ответ без сомнений – нужно купить щеточный генератор, или как его еще называют – синхронный, а еще надежнее – генератор с функцией AVR. Только данный вид электростанции даст возможность спать спокойно при подключении чувствительных бытовых электроприборов и электротехники.
• Для медицинских клиник, лабораторий, компьютерных офисов – тоже лучше приобрести синхронный генератор.
• Если вас волнует вопрос, какой альтернатор выбрать для строительных работ, на открытом воздухе, в цехах, на улице, где повсюду пыль, грязь и преобладает повышенная влажность, то бесщеточный или, как его еще называют – асинхронный, генератор подойдет на все 100%.
• Сварочные работы также требуют асинхронного бесщеточного генератора, не реагирующего на короткие замыкания.

Генератор с асинхронным альтернатором в условиях строительных работ

То есть синхронные генераторы, все-таки надежнее и популярнее, несмотря на высокую цену, ведь покупать новую технику взамен испорченной – это очень дорого и неэкономно. В пользу синхронных альтернаторов говорит и статистика: синхронных (бесщеточных) генераторов продается намного больше, соотношение в пользу синхронных составляет 98%, поскольку они более практичны в быту.Наука постоянно движется вперед, технологии усовершенствуются и развиваются, в связи с этим мировые бренды начинают производить синхронные электростанции с высоким классом защиты и асинхронные электростанции с более стабильным напряжением на выходе.