Устройство генератора переменного тока - принцип работы и общее назначение

Общие сведения

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.

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).

Преимущества и недостатки

3-х фазные генераторы переменного тока имеют целый ряд достоинств.

Более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с однофазными. Это значит, что для получения одинаковой мощности тока требуется меньше топлива.
С одного генератора возможно получение 2-х значений напряжения, отличающихся в 1,75 раза. Обычно это 380 В и 220 В. Это расширяет сферу его применения, такой генератор можно использовать и в частном доме, и в промышленности.
При одинаковой мощности они обладают меньшими габаритными размерами и массой, чем однофазные.
Для передачи 3-х фазного тока нужно 3 или 4 провода. Для работы 3-х однофазных генераторов проводов нужно минимум 6.
Более высокая надежность установки.
Для работы большинства промышленного оборудования нужен именно 3-х фазный ток. Применение такого генератора решает эту задачу.
Для получения однофазного напряжения можно подключить только 1 обмотку. Но это не лучшее решение с точки зрения экономичности.
Из переменного тока с помощью выпрямителя можно сделать постоянный.

Такие генераторы имеют и недостатки.

Относительная сложность подключения с юридической точки зрения. Для легального подведения 3-х фазного напряжения требуется специальное разрешение от энергокомпании. А получить его весьма хлопотно.
Необходимо усиление средств безопасности. Нужно больше устройств защиты, УЗО необходимо ставить на каждую фазу.
Работающий генератор не рекомендуется оставлять без присмотра. Нужно следить за показаниями контрольно-измерительной аппаратуры.
Шум и вибрация при работе устройства.

3-фазные генераторы переменного тока не имеют сильных различий между собой. Они отличаются лишь мощностью и особенностями конструкции.

По мощности вырабатываемого тока они бывают:

5 кВт;
6 кВт;
10 кВт;
12 кВт;
15 кВт и более.

Кроме того, реальная выходная мощность зависит от многих факторов, таких как качество и чистота топлива, состояние атмосферы (на холоде и при высокой влажности мощность уменьшается) и тому подобное.

По виду применяемого топлива генераторы бывают:

дизельные;
бензиновые;
работающие на дровах или природном газе.

Наибольшее распространение получили первые 2 варианта. При этом дизельные, в силу своей конструкции, надежнее, поскольку работают без системы зажигания. Еще они более экономичные. Бензиновые, в свою очередь, легче запускаются в сложных условиях.

По принципу действия генераторы бывают синхронные и асинхронные.

Синхронные. Их достоинство – могут выдержать кратковременную перегрузку в 5-6 раз. Такое бывает при запуске некоторых типов электродвигателей и другого мощного оборудования, когда пусковые токи значительно превышают номинальные. Но у них есть недостатки – это большие габариты и масса, а также меньшая надежность по сравнению с асинхронными собратьями.

Асинхронные. Их основные черты – легкость, компактность, простота конструкции и безотказность работы. Но они сразу выходят из строя при перегрузке. Поэтому максимально вырабатываемая ими мощность должна быть значительно выше, чем расходуемая потребителями (раза в 3 – 4). Вдобавок рекомендуется ставить качественную и дорогую защиту от перегрузок.

Также генераторы могут обладать дополнительными функциями:

возможность подключения дополнительных линий для увеличения нагрузочной способности;
регулировка характеристик выходного тока (например, его формы);
наличие электромагнитного реле-регулятора.

По назначению генераторы бывают:

основные;
вспомогательные.

Они различаются только способом подключения.

Это все, что касается классификации генераторов. Теперь давайте поговорим о выборе этого устройства.

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

Создание постоянного тока

В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.

Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.

Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева

Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки

На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы)

Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

ИБП;
регулируемые зарядные устройства;
современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Как работает

В камерах двигателя размещается сжатое топливо, которое может воспламеняться. В процессе горения образуются газы, начинающие вращать коленвал. Из-за этого начинает работать ротор альтернатора. В статоре образуется магнитное поле.

Электрический генератор

Результат процессов, описанных ранее, — появление индукционного электрического тока в обмотке. Он доступен для потребления сразу на выводе устройства, любыми другими приборами. Поездки на природу, резервное питание — ситуации, когда подобные решения становятся актуальными. В этом случае электрический генератор незаменим.

3.3.2 Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме треугольник

Чтобы соединить фазы трехфазного генератора (или трансформатора) в треугольник, нужно конец каждой фазы подключить к началу следующей (рис.3.6). При таком соединении симметричного генератора с отключенной нагрузкой внутри него никаких токов нет, так как

Рисунок 3.6 – Соединение трехфазного генератора и нагрузки по схеме треугольник

При соединении по схеме «треугольник – треугольник» фазовые напряжения генератора и приемника одновременно являются линейными, т.е.

Линейные и фазовые токи отличаются. Для получения соотношений между ними следует единообразно выбрать их направления:

а) для линейных токов – от генератра к нагрузке;

б) для фазовых – по часовой стрелке.

Из этих соотношений видно, что при равномерной нагрузке

При равномерной нагрузке линейный ток по модулю в √3 больше фазового.

Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Векторная диаграмма при индуктивном характере равномерной нагрузки

Источник

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.

Виды асинхронных машин

Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:

Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);

Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.

В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).

Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.

Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.

Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:

Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);

Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.

В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.

В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно

Конструкция генератора переменного тока

К важным конструкционным элементам генератора относятся:

Шкив;
Корпус генератора из двух крышек;
Ротор и статор;
Выпрямители;
Регуляторы напряжения;
Щеточный узел.

Шкив выступает стержнем для крепления всех конструкционных узлов генератора. Также посредством вращательных движений он передает механическую энергию от двигателя к ротору генератора. Шкив приводиться в движение через двигатель от клинового ремня.

Конструкция генератора переменного тока

Ротор представляет собой стальной вал с медной обмоткой возбуждения, которая соединяется с контактными пальцами специальными выводами. Обмотку возбуждения с двух сторон накрывают стальные втулки в виде короны с клиновидными выступами, расположенными по направлению друг к другу. Выступы двух втулок создают противоположные магнитные поля, которые являются остаточными, даже когда ток в обмотке отсутствует. Это обеспечивает самовозбуждение генератора только при высокой частоте вращения двигателя, что невозможно при запуске мотора. По этой причине на обмотку ротора дополнительно подается ток небольшой силы с аккумулятора. После достижения рабочей величины напряжения в обмотке ротора, питание от аккумулятора прекращается и работа генератора продолжается в режиме самовозбуждения.

Магнитный поток, вырабатываемый обмоткой ротора, направляется в статор, состоящий из стальных листов в форме трубы с полыми пазами. Внутри пазов находиться трехфазная медная обмотка, благодаря которой магнитный поток преобразуется в мощное электрическое напряжение. Здесь можно измерить полное сопротивление цепи переменного тока. Определить же реальное действие цепи переменного тока с активным сопротивлением можно благодаря данным по преобразованию электрической энергии в другие ее виды, например тепловую (подогрев проводников) или химическую (подзарядка аккумулятора).

Трехфазная обмотка статора выполняется по особой технологии, а обмотки отдельных фаз соединяется в «треугольник» или «звезду». В автомобильных генераторах переменного тока преимущество отдается обмотке «треугольник» по причине ее мощностных особенностей. Сила тока в конструкции «треугольник» почти в 2 раза меньше тока в «звезде» при одинаковой величине исходящего магнитного потока из ротора. Итак, для мощных генераторов обмотка статора по принципу «треугольник» позволяет более точно преобразовывать величину тока, избегая перенапряжения базовых узлов и продлевая срок службы элемента.

Принцип действия генератора переменного тока предполагает постоянное питание бортовой и электронной системы авто. По этой причине ток, образуемый обмоткой статора, постоянно питает электрооборудование через выпрямитель. Выпрямительная установка состоит из шести силовых и двух дополнительных диодов, закрепленных на теплоотводной пластине. Три из шести силовых диодов заряжены положительно, остальные – отрицательно. Полупроводниковые диоды не оказывают существенного сопротивления и не проводят ток в обратную сторону.

Конструкция щеточного узла представляет собой пластмассовый элемент с щетками, обеспечивающими контакт с кольцами или контактными пальцами ротора. Щетки узла позволяют защитить подвижные части ротора и шкива от преждевременного износа.

Рассматривая то, как устроен генератор переменного тока, стоит упомянуть о системе крепления генератора. Эту функцию выполняет корпус генератора, состоящий из двух крышек. Первая, которая устанавливается со стороны шкива и ротора, обеспечивает крепление генератора к двигателю, фиксацию статора и подшипников ротора. Задняя крышка, расположенная вблизи контактных колец и щеточного узла, не только выполняет вышеперечисленные функции. На ней также размещается выпрямитель и щетки.

Магнитные генераторы газового типа

Конструкции генераторов тока, где вместо металлической рамки как носитель зарядов используют токопроводящую плазму, жидкость или газ, получили название МГД-генераторов. Вещества под давлением прогоняют в поле магнитной напряженности. Под воздействием все той же ЭДС индукции заряженные частицы обретают направленное движение, создавая электрический ток. Величина тока прямо пропорциональна скорости прохождения через магнитный поток, а также его мощности.

Генераторы МГД имеют более простое конструктивное решение – в них отсутствует механизм вращения ротора. Такие источники питания способны выдавать большие мощности энергии в короткие промежутки времени. Их применяют в качестве резервных устройств и в условиях экстренных аварийных ситуаций. Коэффициент, определяющий полезное действие (КПД) этих машин выше, чем имеет электрический генератор переменного тока.

Устройство

Генератор имеет простую структуру. Основными элементами устройства являются:

ротор;
статор.

Первый представляет собой подвижную деталь, а второй элемент в процессе эксплуатации сохраняет свое положение. В агрегате не сразу удается заметить обмотки проволоки, для изготовления которой обычно задействуют медь. Однако обмотки есть, только выполнены они из алюминиевых стержней и отличаются улучшенными характеристиками.

Внутреннее пространство заполнено пластинами из стали, а сами стержни из алюминия впрессованы в пазы, предусмотренные в сердечнике подвижного элемента. На валу генератора расположен ротор, а сам он стоит на специальных подшипниках. Фиксацию элементов агрегата обеспечивают две крышки, зажимающие вал с двух сторон. Корпус выполнен из металлического материала. Некоторые модели дополнительно оснащены вентилятором для охлаждения устройства во время работы, а на корпусе располагаются ребра.

Преимуществом генераторов является возможность их использования в сети с напряжением как в 220 В, так и с более высокими показателями. Для правильного подключения агрегата необходимо выбрать подходящую схему.