Типы и принцип действия генераторов электрического тока

Инверторный электрогенератор — что это?

Электрогенераторы основаны на принципе выработки электричества путем преобразования механической энергии двигателя внутреннего сгорания в электрическую энергию путем вращения генератора переменного тока.

В отечественных моделях часто используются синхронные генераторы. Генератор состоит из статора и ротора. На статоре есть обмотки, с которых снимается создаваемое генератором переменное напряжение. Ротор имеет несколько полюсов с магнитами. Это могут быть как электромагниты, так и постоянные магниты, например, мощный неодим. Ротор вращается, создавая переменное магнитное поле, пронизывающее обмотку статора, так что в последней появляется электродвижущая сила или, проще говоря, напряжение.

Схема классического электрогенератора без инверторной техники

Что такое инверторные электростанции? Инвертор — это электронное устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный. Следовательно, на инверторных электростанциях выходное переменное напряжение получается не напрямую от генератора переменного тока, а от инверторного преобразователя. Но любопытный читатель наверняка заметил, что инвертор преобразует постоянный ток в переменный. А где его взять, если с обмоток статора снять переменное напряжение? Правильно, переменное напряжение генерируется генератором переменного тока. Для получения постоянного напряжения используются выпрямители.

Схема электрогенератора с использованием независимого драйвера выходного напряжения

Если в силовой установке нет инверторного преобразователя (в дальнейшем мы будем называть такие электростанции классическими), то необходимое напряжение снимается непосредственно с обмоток статора.

Зачем так усложнять, если можно просто подключить необходимое электрооборудование к обмотке статора генератора и запустить двигатель. Для этого есть как минимум три веские причины:

1. Требуется не какое-либо переменное напряжение, а с четко определенными контролируемыми характеристиками.
2. Также требуется легкое и компактное устройство в целом.
3. И было бы очень хорошо, если бы этот прибор потреблял как можно меньше топлива.

Эти причины, кажется, стоит немного запутать. Начнем с самого главного: характеристики переменного напряжения, необходимого для питания электроприборов.

УСТРОЙСТВО И ОБЩИЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Независимо от выбранной схемы включения и особенностей связи основных рабочих узлов, каждая модель генератора состоит из следующих типовых элементов:

• основание (станина).
• статор (неподвижный якорь) с набором фазных катушек.
• вращающийся ротор (индуктор).
• токосъемный узел с контактными кольцами и щетками.

При представленном устройстве принцип работы электрогенератора состоит во взаимодействии двух электромагнитных полей, одно из которых создается в индукторе, а второе – в обмотках статора.

Согласно закону э/м индукции Максвелла при вращении поля ротора внутри замкнутой системы статорных отмоток, в последних наводится ЭДС переменной величины и направления. Последняя и является источником переменного электрического тока синусоидальной формы, протекающего в подключенным к генератору нагрузкам.

Электрогенераторы переменного тока

Выпускается огромное количество самых разнообразных электрогенераторов переменного тока. Классифицировать их можно по таким параметрам:

• конструктивное исполнение;
• способ возбуждения;
• количество фаз.

По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:

По количеству фаз электрогенераторы бывают:

• однофазные;
• двухфазные;
• трехфазные.

На практике чаще всего встречаются трехфазные генераторы переменного тока. Связано это с рядом преимуществ, характерных для этого вида агрегатов:

• получение экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение материалоемкости трансформаторных устройств и силовых проводов; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;
• увеличенный эксплуатационный ресурс, который обеспечивает уравновешенность системы;
• одновременное использование линейного и фазового напряжения.

Роль рамки в устройствах, вырабатывающих переменный ток, исполняет электромагнит, который вращаясь, смещает индуцированные в обмотках переменные ЭДС на треть такта относительно друг друга.

Среди множества генераторов переменного тока различают два основных вида их конструктивного исполнения: синхронные и асинхронные. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых при помощи микропроцессоров, появился новый тип электрогенераторов – инверторный.

Синхронные электрогенераторы

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

При вращении ротора, представляющего собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания при помощи щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция исключает необходимость применения скользящих контактов, что существенно упрощает конструкцию агрегата. Изначально магнитный поток возбуждается от стороннего возбудителя, закрепленного на общем валу и подключаемого к системе при помощи муфты.

В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается за счет выпрямленного тока. При этом электрическая цепь образуется за счет активации трансформаторов, входящих в цепь нагрузки. Туда же включен и полупроводниковый выпрямитель. В состав основной электрической цепи входят:

• обмотка возбуждения;
• регулировочный реостат.

Асинхронные электрогенераторы

Конструкция асинхронных генераторов отличается простотой, однако имеет при этом худшие, по сравнению с синхронными агрегатами, технические характеристики — погрешность по частоте может достигать 4%, а по величине напряжения — до 10%. Кроме того асинхронные электрогенераторы критичны к величине пускового тока. Поэтому эксплуатировать их рекомендуется совместно со стабилизаторами, а в отдельных случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может понадобиться преобразователь частоты.

Инверторные генераторы

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

Работает он следующим образом: вырабатываемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, а затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы заданной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с почти идеальными техническими характеристиками

Лучшие инверторные генераторы на 1 — 1,1 кВт

Бензиновые генераторы пользуются особым спросом за счет функциональности и качеству сборки. В линейке продукции есть инверторные модели. Они подходят для обеспечения энергией чувствительных приборов. Цены на них выше, но деньги быстро окупаются за счет экономного потребления топлива. В рейтинг вошли 5 инверторных генераторов с лучшими характеристиками.

Denzel GT-1300i

Модель с четырехтактным двигателем подойдет для использования на дачном участке и в походе. За счет компактного размера удобна в использовании, перевозке и хранении.

Устройство выполнено из высококкачественных материалов, устойчивых к коррозии и механическим повреждениям.

Это обеспечивает длительный срок службы даже при интенсивной эксплуатации.

Система аварийного отключения деактивирует генератор при недостатке масла и перегреве.

Характеристики:

• объем двигателя — 60 куб.см;
• объем бака — 3 л;
• время работы — 4.8 ч;
• вес генератора — 12.5 кг;
• уровень шума — 62 дБ.

Достоинства:

• удобная транспортировка;
• защитный кожух;
• розетки на корпусе;
• тихая работа;
• приятный дизайн.

Недостатки:

• среднее качество сборки;
• шум при запуске системы охлаждения.

DDE DPG1201i

Генератор обеспечивает бесперебойную работу любых электрических приборов при аварийном отключении электричества.

За счет небольших размеров и веса удобно перевозит устройство.

Глушитель обеспечивает уровень шума всего в 72 дБ. Функция защиты от перегрузок исключает риск поломки оборудования.

Инверторный стабилизатор обеспечивает стабильную подачу энергии технике. После заполнения бака генератор работает до 4 часов.

На корпусе размещена розетка на 220В с влагозащитой. Предусмотрен вольтметр на корпусе для повышения комфорта при использовании.

Характеристики:

• мощность двигателя — 2 л.с.;
• объем бака — 2,8 л;
• время работы — 4 ч;
• размер — 260x305x310 мм;
• вес генератора — 12 кг;
• уровень шума — 72 дБ.

Достоинства:

• стабильная подача энергии;
• небольшой размер;
• качественный корпус;
• простая эксплуатация.

Недостатки:

• среднее качество сборки;
• сложный залив масла.

Huter DN1500i

Инверторный генератор отличается небольшими габаритами и низким уровнем шума при работе за счет особой конструкции двигателя.

Система защиты обеспечивает безопасное использование оборудование и защиту двигателя от перегрузок. На корпусе размещен вольтметр и датчик уровня масла.

Полной заправки хватает на работу в течение 6 часов независимо от количества подключенных приборов. Модель имеет одну розетку со стандартным напряжением 220В.

Характеристики:

• объем двигателя — 53.5 куб.см;
• объем бака — 4 л;
• время работы — 6 ч;
• размер — 355x324x306 мм;
• вес генератора — 12,5 кг;
• уровень шума — 73 дБ.

Достоинства:

• компактный размер;
• розетка;
• небольшой вес;
• аварийная система отключения.

Недостатки:

• периодически пропадает напряжение;
• большой расход топлива.

ЗУБР ЗИГ-1200

Отличный выбор для обеспечения автономного питания электрических приборов. Модель отличается компактностью и качественной сборкой.

Работает на бензине распространенной марки АИ-92 и создает мощность в 1 кВт.

Полного бака топлива хватает на работу в течение 4,3 часов. Индикация уровня масла и топлива исключает риск поломки устройства.

Наличие системы охлаждения и датчика аварийного отключения продлевает срок службы оборудования.

Характеристики:

• мощность двигателя — 3.2 л.с.;
• объем бака — 3,6 л;
• расход топлива — 0.84 л/ч;
• время работы — 4,3 ч;
• размер — 491x407x267 мм;
• вес генератора — 19 кг;
• уровень шума — 73 дБ.

Достоинства:

• компактность;
• тихая работа;
• надежность;
• простое использование.

Недостатки:

• небольшое время автономной работы;
• нет розетки на корпусе.

CHAMPION IGG980

Модель с четырехтактным двигетелем, подходящая для питания любых типов электроприборов. За счет компактного размера удобна в использовании и транспортировки.

Выполнена из качественных материалов, устойчивых к механическому воздействию и коррозии.

Предусмотрена автоматическая дезактивации оборудования при перегрузке и низком уровне масла. Наличие антивибрационной рамки снижает уровень шума до 65 дБ. Устройство запускается вручную путем нажатия на кнопку.

Характеристики:

• мощность двигателя — 2 л.с.;
• объем бака — 2,2 л;
• расход топлива — 0.84 л/ч;
• время работы — 4,3 ч;
• вес генератора — 13 кг;
• уровень шума — 65 дБ.

Достоинства:

• небольшой размер;
• низкий уровень шума;
• мощный двигатель;
• универсальность.

Недостатки:

• маленький бак;
• небольшая гарантия.

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Особенность устройств этого класса – жесткая связь 2-х рабочих величин, определяющих их функциональность. Это – частота переменной движущей силы F (Гц), которая за счет вращения индуктора наводится в статорных обмотках и тот же показатель для самого ротора (он обозначается как «N»).

Последний параметр определяется из формулы:

N= F/P (Гц), где P – количество пар полюсов якоря (статора).

Электротехническая схема

На якоре 1 намотана 3-х фазная обмотка генератора, а на его индукторе 2 установлен электромагнит с обмоткой возбуждения. Последняя запитана через скользящие контакты двух рабочих колец 3 и неподвижных графитовых щеток 4.

В некоторых моделях синхронных генераторов в роторах вместо катушек устанавливаются постоянные магниты.

В этом случае необходимость в кольцах и щетках отпадает. При этом одновременно снижаются возможности по поддержанию выходных параметров (напряжения и тока) на стабильном уровне.

Принцип работы синхронного генератора.

Под воздействием приводной силы (воды, дизеля, давления пара или ветра) индуктор генератора начинает вращаться, образуя в каждой точке окружающего пространства переменное э/м поле.

В расположенной рядом 3-х фазной системе, состоящей из катушек статора, с синхронной частотой наводится вторичное поле. Под его действием через подключенную к статорным обмоткам нагрузку начинает течь переменный ток синусоидальной формы.

В результате такого взаимодействия реализуется синхронная схема работы генератора. Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) индуктор в генераторном устройстве должен вращаться с частотой 50 об/секунду (3000 об/мин).

Синхронный электрогенератор

Синхронный электрогенератор – это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита.

Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется “реакцией якоря”.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR. Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком – возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать. Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.

Управление сварочным инверторным генератором

Принцип действия такого агрегата основан на 2-х кратном преобразовании свойств электрического тока. У генератора должны быть следующие функции:

Быстрый старт.

В ускоренном темпе поджигается дуга. Благодаря этому новичку будет несложно за счёт небольшого повышения рабочего тока получить устойчивое горение пламени.

Автоматическое прилипание.

Предохраняется агрегат от поломки в случае возникновения короткого замыкания во время сварки: напряжение падает до нуля, сила тока растет до бесконечности. При такой ситуации схема инвертора автоматически отключает устройство.

Форсаж дуги.

На короткий миг увеличивается ток при падении напряжения до 20 – 25 В. Функция нужна для сварки толстых листов стали.

Стабилизация напряжения.

Важно при работе в условиях нестабильных электросетей, особенно актуально в сельской местности, а также при подключении к электрогенератору. Температурный режим

Температурный режим

Температурный режим.

Возникает необходимость использования при разной температуре воздуха. Хорошие модели позволяют агрегату работать в границе от – 20 до + 40С.

Принцип работы аппарата 220 В заключается в том, что чередуется рабочий режим сварки (ПВ) с периодическим отключением. При значении ПВ = 0,6 непрерывно сварочные работы можно выполнять 4 минуты. Потом агрегат отключится примерно через 4/0,6 = 6,67 мин. Данные параметры указываются производителем в паспорте устройства.

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

1. Синхронности.
2. Типу используемого топлива.
3. Назначению.

Бытовой переносной газовый электрогенератор мощностью 2 кВтИсточник alicdn.com

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

В зависимости от того, какой принцип лежит в работе, агрегаты разделяются на 2 вида:

Синхронные.

Главная специфика генераторов данного типа – прямая зависимость характеристик вырабатываемого тока от скорости вращения якоря. Благодаря этому возникает возможность точно задавать параметры выдаваемого электричества.

Работает по алгоритму:

1. Ротор вращается от любого двигателя, например, турбины.
2. На его обмотку подается постоянный ток.
3. Возникающая при этом ЭДС генерирует переменное магнитное поле.
4. Под его действием в статорной обмотке возникает ток.

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

Асинхронные.

Асинхронный генератор переменного тока – это, по сути, асинхронный электродвигатель, так как оба относятся к однотипным статорно-роторным устройствам. При этом чтобы мотор заработал в качестве электрогенератора, потребуется увеличить скорость вращения якоря до нужного значения.

Асинхронный двигатель легко переделывается в электрогенераторИсточник ytimg.com

Недостатки данного типа агрегатов выражаются в необходимости возбуждать обмотку после подключения реактивной нагрузки – ввиду роста стартовой нагрузки и последующего провала мощности. Кроме того, требуется точно подобранный конденсатор. В противном случае ток будет меньше, чем необходим или установка будет перегреваться.

Вид топлива

Для получения вращающего момента применяется ДВС. В нем тепловая энергия от сжигания топлива превращается в механическую энергию, которая в свою очередь передается на вращение вала ротора. Для этой цели применяются следующие виды энергоресурса:

Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

1. Отсутствие загрязняющих окружающую среду выхлопов.
2. Доступность и дешевизна топлива.
3. Автоматическая подача и контроль уровня газа.

Недостаток выражается в необходимости обустройства отдельного теплого помещения под контролирующую аппаратуру. Более того, к газовому хранилищу предъявляются особые требования безопасности.

Автономная газовая электростанция для питания приборов частного домаИсточник ytimg.com

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

1. Доступность и дешевизна энергоресурса.
2. Пожаро-взрывобезопасность, что особенно актуально в сравнении с газовыми моделями.
3. Длительная работа без остановок и аварий с одного запуска.
4. Возможность оснащения автозапуском.
5. Долговечность.

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

1. Малые размеры и вес установок.
2. Доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
3. Оснащенность автоматической защитой.
4. Минимальный уровень рабочего шума.
5. Возможность использования в помещении.

Видео о том, что такое генератор и как он работает:

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

• Бытовые. В зависимости от цели использования в быту применяются установки мощностью от 0,6 до 25-27 кВт. Ими снабжаются приборы, работающие в доме, гараже, придомовых постройках и на участке. Такие модели также берутся и на стройплощадку, и на отдых на природе.
• Профессиональные. Мощность установок ограничивается номиналом в 100 кВт. Агрегат может использоваться на объектах как временно, так и постоянно.
• Промышленные. Для питания мощного цехового оборудования применяются агрегаты мощностью более 100 кВт. Характеризуются большими габаритами, весом и сложностью в обслуживании.

Видео-пример изготовления генератора из асинхронного двигателя:

Коротко о главном

Электрогенератор работает по закону электромагнитной индукции – когда при пропускании переменного магнитного поля через неподвижный проводник возникает ток. Состоит агрегат из вращающегося от внешнего привода ротора и неподвижного статора в виде обмотки, с контактов которой в итоге снимается электроток.

Применяются электрогенераторы в различных сферах – и в быту, и в промышленности. Подключаться они могут вручную, автоматически и синхронно. Классифицируются по нескольким признакам:

• Асинхронные и синхронные.
• Газовые, дизельные и бензиновые.
• Бытовые, профессиональные, промышленные.

Работа генераторов электрического тока

Принцип призван создать потенциал относительно Земли, считаемую нулем. Неправильно, но все в мире относительно. Хотя земная поверхность несет заряд, играет роль разница потенциалов меж клеммами генератора и почвой. Стоящий на грунте предмет обволакивается полем планеты, считаем постулат верным. Первым изобретен генератор постоянного тока. Скорее напряжения. Вольтаж получался фантастический, тока приборчик давал мало. Принцип действия прост:

Принцип действия генератора

1. Лента трется, локально формируется заряд.
2. Путем конвейерного механизма участок достигает токоснимателя.
3. Проводимостью клеммы вида шара плотность уравнивается.

В результате сфера приобретает заряд, плотностью равный локальному ленты. Понятно, такие генераторы не слишком удобны, в 1831 году Майкл Фарадей создает нечто новое. Пользуясь намагниченной лошадиной подковой, вращающимся медным диском получил электричество по-иному: явлением магнитной индукции. Ток выходил переменный. Следовательно, поле перестало быть статическим, став электромагнитным. Поясним:

• В природе часто встречаются заряды электричества положительного или отрицательного знака, никто не сумел разыскать отдельно полюсы магнита.
• Переменное электрическое поле вызывает соответствующий отклик эфира. Выражен продуцированием переменной магнитной составляющей в плоскости перпендикулярной исходной.

Процесс продолжается беспрерывно, называется электромагнитной волной. Осваивает свободное пространство прямолинейно, пока энергия затухает. Что касается проводов, электричество распространяется сравнительно просто. Но! Пока кабель снабжен оплеткой. Экран пропал, зануление (заземление) отсутствует – волна начинает излучаться. Эффект эксплуатируют беспроводные отвертки-индикаторы, помогают установить (локализовать) источники помех промышленной частоты 50 Гц. И если системный блок компьютера не заземлен, при помощи вещички можно легко исправить недочет.

Механическая энергия движения преобразуется в электрическую. Догадались, человечество эксплуатирует:

1. Падение с плотины вниз масс воды.
2. Энергию пара тепловых, атомных электростанций.

Два главнейших механизма получения энергии. Электричество становится движение лопасти турбины генератора. Природа родила устройства, сжигающие дизельное топливо, керосин, принцип действия мало отличается. Разница ограничена мобильностью, скоростью вращения лопасти.