Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Для чего в генераторе регулятор напряжения?

При изменении частоты оборотов коленчатого вала и соответственно ротора в бортовой сети могут возникнуть скачки напряжения, которые негативно сказываются на работе потребителей. Скачки устраняются за счет ограничения тока возбуждения, передаваемого через щетки с регулятора напряжения на ротор. Управление осуществляется путем изменения времени подключения обмотки якоря в зависимости от нагрузки на бортовую сеть.

Неисправность генератора можно определить по индикатору на панели приборов. Горение лампочки заряда аккумулятора после запуска говорит о недостаточном напряжении в сети, а мигание указывает на превышение.

Принцип работы электромеханических индукционных генераторов

Электромеханические индукционные генераторы являются одним из наиболее распространенных типов генераторов, используемых для преобразования механической энергии в электрическую. Принцип работы этих генераторов основан на явлении электромагнитной индукции, открытом Фарадеем в 1831 году.

Основная составляющая электромеханического индукционного генератора — это статор, в котором находятся обмотки и постоянные магниты. При обороте ротора (или анкера) создается вращающееся магнитное поле, которое влияет на проводящие части обмоток статора и вызывает электромагнитную индукцию.

Процесс работы электромеханического индукционного генератора можно разделить на несколько этапов:

Ротор (анкер) генератора приводится в движение механической энергией от внешнего источника, такого как двигатель или турбина.
Вращение ротора создает вращающееся магнитное поле вокруг обмоток статора.
Электромагнитное поле влияет на проводящие части обмоток статора, вызывая появление электрического тока в них.
Полученный электрический ток направляется по проводам к потребителям электроэнергии.

Примером электромеханического индукционного генератора является синхронный генератор, который широко используется в энергетике для производства электроэнергии. В синхронном генераторе магнитное поле создается постоянными магнитами, а обмотки статора сформированы вокруг ротора. При вращении ротора возникает электромагнитная индукция, и синхронный генератор начинает производить электрическую энергию.

Таким образом, принцип работы электромеханических индукционных генераторов основан на использовании электромагнитной индукции для преобразования механической энергии в электрическую

Эти генераторы имеют широкий спектр применений и являются важной составляющей энергетической системы

Примеры применения индукционных генераторов

1. Научные исследования и эксперименты:

В лабораторных условиях генераторы могут быть использованы для исследования принципов электромагнитной индукции и разработки новых методов энергопреобразования.
Индукционные генераторы часто используются в экспериментах по созданию ионизированного газа или плазмы для нужд научных исследований в физике и химии.

2. Возобновляемая энергетика:

Индукционные генераторы широко применяются в ветроэнергетике для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Они используются в ветрогенераторах, которые устанавливаются на ветряных электростанциях.
Также индукционные генераторы могут использоваться в гидроэнергетике для преобразования потенциальной энергии воды в электрическую энергию.
Индукционные генераторы также могут быть интегрированы в системы солнечной энергии для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

3. Промышленность:

Индукционные генераторы используются в некоторых промышленных процессах, которые требуют преобразования механической энергии в электрическую энергию. Например, они могут использоваться в станках с числовым программным управлением и машинах для обработки материалов.

4. Транспорт:

Индукционные генераторы используются в гибридных и электрических автомобилях для преобразования энергии движения колес в электрическую энергию, которая затем может быть использована для питания электрических систем автомобиля.

5. Бытовые устройства:

Маленькие индукционные генераторы могут использоваться в переносных устройствах, таких как фонари, радиоприемники и зарядные устройства для мобильных устройств. Эти генераторы могут преобразовывать механическую энергию, получаемую от ручной работы или движения, в электрическую энергию для питания устройств.

6. Аварийное питание:

Индукционные генераторы часто используются в системах аварийного питания для обеспечения электричеством критических устройств и систем в случае отключения основного источника энергии.

Генераторы переменного тока

Генераторы
переменного тока позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется несколько типов индукционных генераторов
.

Они состоят из электромагнита или постоянного магнита, создающие магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС. Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах
применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, – в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором.

Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.

Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Обмотки возбуждения синхронных генераторов бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы
такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения, для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые
и газовые турбины
используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора
представляет собой стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха.

Обмотки генераторов
по большей части делают трехфазными – на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального амплитудного значения. В механике редко встречается подобное сочетание движущихся частей, которые могли бы порождать энергию столь же непрерывно и экономично.

Мощные синхронные генераторы
охлаждаются водородом
. Современный генератор электрического тока – это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра.

Обеспечить бесперебойное электрическое питание в загородном доме, даже при наличии проходящих рядом электрокоммуникаций, не так уж и просто. Бесконечные аварии и профилактические отключения препятствуют этому, делая проживание в доме, как минимум, некомфортным. Исправить такое положение дел можно только с помощью специального оборудования под названием генератор электрического тока. Именно о нем и пойдет речь в этой статье, в которой вместе с сайтом сайт мы подробно изучим его разновидности и определимся с основными критериями выбора.

Генератор электрического тока фото

Виды и варианты исполнения

Дизельные электростанции различаются по выходной электрической мощности, виду тока (переменный трёхфазный/однофазный, постоянный), выходному напряжению, а также частоте тока (например, 50, 60, 400 Гц).

Также дизельные электростанции разделяют по типу охлаждения дизельного двигателя, воздушному или жидкостному. Электростанции с дизельным двигателем жидкостного охлаждения — это агрегаты больших мощностей и размеров.

По назначению

Портативные (бытовые, переносные) — электростанции с дизельным двигателем воздушного охлаждения мощностью от 0,3 кВт до 20 кВт.
Стационарные (промышленные) — электростанции с дизельным двигателем жидкостного охлаждения. Как правило, выходной ток — трехфазный, напряжением от 400/230В до 10 кВ. Единичная мощность установок составляет от 8 кВт (10 кВА) до 2000 кВт (2400 кВА).

По конструктивному исполнению

Открытого исполнения — базовое исполнение электростанции, предназначено для размещения электроустановки в специально оборудованном помещении.
В шумозащитном кожухе — для установки в помещение при наличии требований к снижению шума.
Во всепогодном шумозащитном кожухе — для установки на улице при наличии требований к снижению шума.
Контейнерные — монтаж электростанции в блок-контейнер осуществляется для эксплуатации установки в тяжелых климатических условиях и повышенной вандалозащищённости.
Электростанция может быть установлена в фургон, машину или на шасси. Таким образом, она приобретает статус мобильной электростанции.

По роду тока

Маломощные дизельные электростанции вырабатывают, как правило, однофазный переменный ток напряжением 220 В и/или трёхфазный напряжением 380 В.

Трёхфазные электростанции имеют более высокий КПД за счёт более высокого КПД генератора переменного тока.

Переносные дизельные электростанции с встроенным выпрямителем (инвертором) могут иметь дополнительный выход постоянного тока напряжением 12-14 вольт, например, для зарядки аккумуляторов.

Мощные дизельные электростанции вырабатывают трёхфазный ток:

низковольтные — с напряжением до 1 кВ;
высоковольтные — с напряжением более 1 кВ (6,3 кВ, 10 кВ).

Если необходимо передавать электроэнергию, выработанную низковольтными электростанциями, на значительные расстояние по линиям электропередачи, напряжение повышается на электрических подстанциях до 6,3 кВ или 10,5 кВ.

По типу генератора переменного тока

Синхронный генератор переменного тока Так как частота переменного тока синхронного генератора определяется числом оборотов ротора (двигателя), то дизельная электростанция должна иметь механизм, обеспечивающий постоянное число оборотов дизельного двигателя независимо от нагрузки (генерируемой электрической мощности). Частота переменного тока синхронного генератора будет: f = n 60 {\displaystyle f={\frac {n}{60}}} , где f {\displaystyle f} — частота в герцах; n {\displaystyle n} — число оборотов ротора в минуту.

Если генератор имеет число пар полюсов p {\displaystyle p} , то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет в p {\displaystyle p} раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: f = p n 60 {\displaystyle f=p{\frac {n}{60}}} .

ЭДС синхронного генератора регулируется изменением тока возбуждения.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронный генератор может генерировать переменный ток произвольной, нестандартной частоты (значительно отличающейся, например, от используемой в промышленности и быту частоты 50 Гц). Переменный ток после выхода из генератора подвергается выпрямлению, затем получившийся постоянный ток инвертор преобразует в переменный ток с параметрами, определяемыми стандартом. Следует отметить, что недорогие модели инверторов имеют на выходе переменный ток несинусоидальной формы, обычно прямоугольные импульсы или модифицированная синусоида.

ЭДС асинхронного генератора регулируется изменением числа оборотов двигателя и изменением тока возбуждения (если предусмотрено конструкцией генератора).

Асинхронные генераторы без встроенной системы «стартового усиления» плохо переносят длительные перегрузки, в отличие от синхронных.

Сварочные агрегаты

Особой разновидностью дизельных и бензиновых электростанций следует считать сварочные агрегаты, генерирующие постоянный или переменный ток для электродуговой сварки. Выходное электрическое напряжение относительно низкое (около 90 вольт), однако сила тока велика, электрические генераторы не боятся коротких замыканий.

Устройство генератора переменного тока

Схематическое устройство однофазного 4-полюсного генератора переменного тока. Генератор с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Автомобильный генератор переменного тока в разрезе. Видны полюсные наконечники.

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой»), нейтральный провод отсутствует.

По конструкции можно выделить:

генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;
генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Последние получили большее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается, обычно, из сплошного железа, полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собираются из листового железа. При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

На сердечники полюсов посажены катушки возбуждения, питаемые постоянным током. Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

По способу возбуждения генераторы переменного тока делятся на:

генераторы, обмотки возбуждения которых питаются постоянным током от постороннего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи (генераторы с независимым возбуждением).
генераторы, обмотки возбуждения которых питаются от постороннего генератора постоянного тока малой мощности (возбудителя), сидящего на одном валу с обслуживаемым им генератором.
генераторы, обмотки возбуждения которых питаются выпрямленным током самих же генераторов (генераторы с самовозбуждением). См также бесщёточный синхронный генератор.
генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно можно выделить:

генераторы с явно выраженными полюсами;
генераторы с неявно выраженными полюсами.

По количеству фаз можно выделить:

Однофазные генераторы. См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель.
Двухфазные генераторы. См. также двухфазная электрическая сеть, двухфазный двигатель.
Трёхфазные генераторы. См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель.

По соединению фазных обмоток трёхфазного генератора:

шестипроводная система Тесла (практического значения не имеет);
соединение «звездой»;
соединение «треугольником»;
соединение шести обмоток в виде одной “звезды” и одного “треугольника” на одном статоре.

Наиболее распространено соединение «звездой» с нейтральным проводом (четырёхпроводная схема), позволяющее легко компенсировать фазовые перекосы и исключающее появление постоянной составляющей и паразитных кольцевых токов в обмотках генератора, приводящих к потерям энергии и перегреву.

Так как на практике в электросетях с множеством мелких потребителей нагрузка на разные фазы не является симметричной (подключается разная электрическая мощность, или например, активная нагрузка на одной фазе, а на другой индуктивная или ёмкостная, то при соединении «треугольником» или «звездой» без нейтрального провода можно получить такое неприятное явление как «перекос фаз», например, лампы накаливания, подключенные к одной из фаз, слабо светятся, а на другие фазы подаётся чрезмерно большое электрическое напряжение и включенные приборы благополучно «сгорают».

К трёхфазному генератору (соединение «звездой») подключена активная нагрузка (соединение «звездой») с нейтральным проводом.

К трёхфазному генератору (соединение «треугольником») подключена активная нагрузка (соединение «треугольником»).

Опции и дополнительные возможности

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

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

Использование может быть разным

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

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.

Виды и варианты исполнения

Дизельные электростанции различаются по выходной электрической мощности, виду тока (переменный трёхфазный/однофазный, постоянный), выходному напряжению, а также частоте тока (например, 50, 60, 400 Гц).

Также дизельные электростанции разделяют по типу охлаждения дизельного двигателя, воздушному или жидкостному. Электростанции с дизельным двигателем жидкостного охлаждения — это агрегаты больших мощностей и размеров.