Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Содержание:

Что такое генератор переменного тока, и кто его изобрел

Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.

К сведению! Практически все современные генераторы используют для получения электроэнергии вращающееся магнитное поле, а не катушку.

Как уже было сказано, электрический ток вырабатывается не только при механическом движении катушки в поле магнита, но и тогда, когда силовые линии магнита, находящегося во вращательном движении, пересекают витки катушки. Таким образом появляющиеся электроны начинают свое движение к положительному полюсу магнита, а сам электроток протекает от плюсового полюса к минусовому.

Ток индуцируется в проводнике (катушке). Его течение отталкивает магнит, когда рамка катушки подходит к нему, и отталкивает его, когда рамка удаляется. Его говорить проще, то ток каждый раз меняет свою ориентацию относительно полюсов магнита. Это и вызывает такое явление, как переменный электрический ток.

Данное приспособление появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Н. Тесла. Именно тогда был создал самый первый однофазный синхронный генератор переменного электрического тока. Самые первые установки производили только постоянный ток, а рассматриваемый генератор переменной характеристики некоторое время не мог найти своего практического применения. Это длилось не долго, так как люди быстро поняли, что переменный ток использовать гораздо практичнее, чем постоянный.

Обратите внимание! Преимущество новой технологии заключалось в том, что такой электроток было легче выработать, а на обслуживание приборов уходило в разы меньше времени и ресурсов, чем на аналоги, работающие на постоянном токе.

Именно благодаря переменному току и его генератору смогли появиться на свет такие электроприборы, как радиоприемник, магнитофон и другие более поздние автоматические и электротехнические установки, без которых представить жизнь современного человека нельзя.

Превращение механической энергии в электрическую

Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.

Базовые принципы

Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.

  • Работают такие устройства за счет электромагнитной индукции, когда при вращении в магнитном поле катушки из токопроводящего материала (обычно медная проволока), в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС).
  • Ток начинает образовываться в тот момент, когда проводники начинают пересекать магнитные линии силового поля.
  • Причем пиковое значение ЭДС в проводнике достигается при прохождении им главных полюсов магнитного поля. В те моменты, когда они скользят вдоль силовых линий, индукция не возникает и ЭДС падает до нуля. Взгляните на любую схему из представленных – первое состояние будет наблюдаться, когда рамка примет вертикальное положение, а второе – когда горизонтальное.
  • Для лучшего понимания протекающих процессов нужно вспомнить правило правой руки, изучавшееся всеми в школе, но мало кем помнящееся. Суть его заключается в том, что если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее со стороны ладони, большой палец, отведенный в сторону, укажет направление движения проводника, а остальные пальцы будут указывать на направление возникающей в нем ЭДС.
  • Взгляните на схему выше, положение «а». В этот момент ЭДС в рамке равно нулю. Стрелочками показано направление ее движения – часть рамки А двигается в сторону северного полюса магнита, а Б – южного, достигнув которых ЭДС будет максимальным. Применяя описанное выше правило правой руки, мы видим, что ток начинает течь в части «Б» в нашу сторону, а в части «А» – от нас.
  • Рамка вращается дальше и ток в цепи начинает падать, пока рамка снова не займет горизонтальное положение (в).
  • Дальнейшее вращение приводит к тому, что ток начинает течь в обратном направлении, так как части рамки поменялись местами, если сравнивать с начальным положением.

Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.

Переменный ток

В его честь была названа частота тока
В его честь была названа частота тока

Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.

Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.

Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

  • Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
  • Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
  • Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
  • Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

  1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
  2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

  • С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
  • С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

Основные рабочие части и их подключение

Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины,  а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.

За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.

Устройство и принцип действия генератора переменного тока

  • Для переменного тока такого приспособления не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамки. Вся конструкция вместе вращается вокруг центральной оси. К кольцам примыкают щетки, которые также по ним скользят, обеспечивая постоянный контакт.
  • Как и в случае с постоянным током, ЭДС, возникающие в разных частях рамки, будут суммироваться, образуя результирующее значение этого параметра. При этом во внешней цепи, подключенной через щетки (если подсоединить к ней резистор нагрузки RH), будет протекать электрический ток.
  • В рассмотренном выше примере «Т» равняется полному обороту рамки. Отсюда можно сделать логичный вывод, что частота тока, вырабатываемая генератором, напрямую зависит от скорости вращения якоря (рамки), или другими словами ротора, в секунду. Однако это касается только такого простейшего генератора.

Трехфазные генераторы переменного тока и устройство их
Трехфазные генераторы переменного тока и устройство их

Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.

  • Как мы уже писали выше, течение переменного тока графически изображается синусоидой, поэтому такой ток еще называется и синусоидальным. Сразу можно выделить основные условия, задающие постоянство характеристик такого тока – это равномерность магнитного поля (постоянная его величина) и неизменная скорость вращения якоря, в котором он индуктируется.
  • Для того чтобы сделать устройство достаточно мощным, в нем применяются электрические магниты. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, в действующих агрегатах тоже не является рамкой, как мы показывали в схемах выше. Применяется очень большое количество проводников, которые соединены друг с другом по определенной схеме

Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.

  • Данное свойство позволяет размещать обмотку, в которой индуктируется ЭДС, не только на вращающейся центральной части устройства, но и на неподвижной части. При этом в движение приводится магнит, то есть полюсы.

Синхронный генератор электрического тока и принцип действия этого устройства

  • При таком строении внешняя обмотка генератора, то есть силовая цепь, не нуждается ни в каких подвижных частях (кольцах и щетках) – соединение выполняется жесткое, чаще болтовое.
  • Да, но можно резонно возразить, мол, эти же элементы потребуется установить на обмотке возбуждения. Так и есть, однако сила тока, протекающая здесь, будет намного меньше итоговой мощности генератора, что значительно упрощает организацию подвода тока. Элементы будут малы по размерам и массе и очень надежны, что делает именно такую конструкцию самой востребованной, особенно для мощных агрегатов, например, тяговых, устанавливаемых на тепловозах.
  • Если же речь идет о маломощных генераторах, где токосъем не представляет каких-то сложностей, поэтому часто применяется «классическая» схема, с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным магнитом (индуктором).

Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.

Принцип работы электрогенератора

В основу работы агрегатов, преобразующих энергию, положен закон Фарадея об электродвижущей силе (ЭДС). Учёный открыл закон, который объяснил природу появления тока в металлическом контуре (рамке), вращающемуся в однородном магнитном поле (явление индукции). Ток возникает также при вращении постоянных магнитов вокруг металлического контура.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:   Генератор своими руками в домашних условиях: чертежи и подробности

Простейшая схема генератора представляется в виде вращающейся металлической рамки между двумя разно полюсными магнитами. На оси рамки помещают токосъёмные кольца, которые получают заряд электрического тока и передают его дальше по проводникам.

В действительности статор (неподвижная часть прибора) состоит из электромагнитов, а ротором служит группа рамных проводников. Устройство представляет обратный электромотор. Электродвигатель поглощает электрический ток и заставляет вращаться ротор. Электрический генератор, преобразовывающий кинематическую энергию механического вращения в ЭДС, называют индукционным генератором.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5).  Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена.  Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным. Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря.

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.

Мощность

Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

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.

Назначение генератора переменного тока

Переменные генераторы тока применяют уже достаточно давно. За последние годы сфера применения стала еще более обширной. Используются такие приборы не только в промышленных, но и в бытовых целях. Производственные электроустановки представляют собой самый выгодный вариант для генерации электроэнергии, используемой на заводах и предприятиях, учебных учреждениях, торговых центрах и т. д. Также такие генераторы позволяют значительно ускорить строительство того или иного сооружения в тех местах, где нет возможности провести линию электропередачи.

В быту такие устройства также применяются. Они обладают более компактными размерными характеристиками и универсальностью. Часто их используют для питания частных домов, дачных участков или коттеджей.

Обратите внимание! Бытовые и производственные генераторы перемененного тока пользуются популярностью практически во всех сфера жизни человека. Особенно они полезны там, где постоянно возникают перебои с подачей электроэнергии или ее нет вообще.

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронные генераторы

Асинхронные двигатели — это приборы, которые работают в тормозящем режиме. В данной ситуации ротор выполняет вращения только в одном направлении, совпадающем с движением магнитного поля, но немного опережает его.

Обратите внимание! Такие установки практически не подвержены коротким замыканиям и обладают повышенной защитой от воздействия внешних факторов.

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.

Основная особенность синхронного генератора — частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.

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.

Автономность

Главное преимущество, которым обладает электрический генератор, – это его полная независимость от централизованных поставщиков энергии. Автономность электротехнического оборудования бывает стационарной и мобильной.

Стационарные

Обычно это генераторные станции, работающие от дизельных двигателей. Станции используют для электроснабжения потребителей в местах, удалённых от централизованных электрических сетей.

Стационарные генераторные станции необходимы для обеспечения током производственных процессов там, где даже кратковременные перебои поставки электроэнергии недопустимы.

Мобильные

Электрогенераторы мобильного типа выполнены в виде компактных аппаратов, которые можно перемещать в пространстве. Передвижные станции используют для электросварки, местного освещения, снабжения током бытовых электроприборов и многое другое.

Оборудование включает в себя двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или дизельном топливе. Агрегаты имеют различные габариты. Компактный аппарат может транспортировать один человек. Существуют мобильные агрегаты, которые устанавливаются на специальном автомобильном прицепе.

Режимы работы

В зависимости от того, в каком режиме эксплуатируются агрегаты, их подразделяют на основные и резервные.

Основные

Аппараты предназначены для работы в постоянном режиме. Мощные электрогенераторы с дизельными двигателями относят к промышленным установкам. Устанавливаются там, где требуется получение электроэнергии круглосуточно.

Резервные

Само название агрегатов говорит о применении их в исключительных случаях – при внезапном отключении централизованного электроснабжения. Генераторы могут включаться в работу при срабатывании реле, реагирующего на исчезновение напряжения в электросети централизованного источника. Резервные аппараты рассчитаны на беспрерывную работу в течение нескольких часов.

Схемы подключения

Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

      • Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
      • Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
      • Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:   Как выбрать генератор для частного дома по мощности

Включение однофазного генератора

Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

  • Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
  • Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
  • Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
  • Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

  • Относительная дешевизна топлива;
  • Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
  • Высокий уровень противопожарной безопасности;
  • В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
  • Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензиновые

Бензиновые генераторы в основной своей массе изготавливают мощностью, не превышающей 20 кВт. Устройства используют для аварийного обеспечения электричеством загородных домов, дач, а также для питания ручных электроинструментов, небольших станков и прочее. Генераторы могут поддерживать освещение придомовой территории, автомобильной стоянки и торговых площадей.

Дополнительная информация. Стандартное топливо для агрегатов – это бензин марки АИ-92. Кратковременно можно заливать в бак оборудования бензин АИ-76 и АИ-95.

Бензиновые генераторы переменного тока могут быть мобильными и стационарными. Особо мощные тяжёлые установки оснащают колёсной парой. В зависимости от модели, устройства оснащают ручным запуском или стартером. Для понижения шумности работы двигателя внутреннего сгорания аппарат помещают в звукопоглощающий кожух.

Способы возбуждения обмотки

Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.

Тут можно выделить 4 типа:

  1. Питание на обмотку подается через сторонний источник.
  2. Генераторы с самовозбуждением – питание берется от самого генератора, при этом напряжение выпрямляется. Однако находясь в неактивном состоянии, такой генератор не сможет выработать достаточного напряжения, чтобы стартовать, для чего в схеме применяется аккумулятор, который будет задействован во время старта.
  3. Вариант с обмоткой возбуждения, питающейся от другого генератора меньшей мощности, установленного с ним на одном валу. Второй генератор уже должен стартовать от стороннего источника, например, того же аккумулятора.
  4. Последняя разновидность вообще не нуждается в подаче питания на обмотку возбуждения, так как ее у него нет, ведь применяется в устройстве постоянный магнит.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

схема генератор с параллельным возбуждением

У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 Iн, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

генератор с последовательным возбуждением

Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Опции и возможности бытовых электрогенераторов

Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:

  • устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
  • наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
  • контроль параметров и отображение их на дисплее;
  • защита от перегрузки.

При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.

Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.

Особенности установки

Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.

Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.

Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.

Применение генераторов переменного тока на практике

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

На фото - электрический генератор для автомобиля
На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Принципиальная схема автомобильного генератора
Принципиальная схема автомобильного генератора

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:   Преимущества и недостатки бензинового электрогенератора

Функции генератора

При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).

Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.

Устройство генератора

Элементы источника переменного тока спрятаны в одном корпусе, который также является основой для статорной обмотки.

В процессе изготовления кожуха применяются легкие сплавы (чаще всего алюминия и дюрали), а для охлаждения предусмотрены отверстия, обеспечивающие своевременный отвод тепла от обмотки.

В передней и задней части кожуха предусмотрены подшипники, к которым и крепится ротор — главный элемент источника питания.

В кожухе помещаются почти все элементы устройства. При этом сам корпус состоит из двух крышек, расположенных с левой и с правой стороны — около приводного вала и контрольных колец соответственно.

Две крышки объединяются между собой с помощью специальных болтов, изготовленных из алюминиевого сплава. Этот металл отличается незначительной массой и способностью рассеивать тепло.

Основные параметры и характеристики

Для любого электрогенератора важны такие характеристики как:

  1. КПД, %;
  2. напряжение, В;
  3. выдаваемый ток, А;
  4. частота и направление вращения ротора, об/мин;
  5. мощность, Вт (Ватты).

Виды генераторов

Выделяют два вида автомобильных генераторов:

  • постоянного тока;
  • переменного тока.

Первый вид генераторов в настоящее время уже не используется. Такие устройства устанавливались на старых моделях автомобилей (ГАЗ-51, Победа и др.). Они имеют много недостатков, такие как:

  • малая мощность и эффективность;
  • необходимость в постоянном контроле и обслуживании;
  • небольшой срок службы.

Сейчас применяются генераторы переменного тока. Главное их отличие в том, что вне зависимости от режима работы двигателя автомобильную сеть питает постоянный ток. Это достигается благодаря полупроводниковому выпрямителю.

Принцип работы генератора

Главный потребитель электроэнергии еще на запуске машины — стартер. При этом стоит заметить, что при впрыске топлива в мотор сила тока способна вырасти сразу до сотни ампер, если не больше. В таком режиме оборудование транспортного средства получает электроэнергию только от аккумулятора, который, как уже было отмечено ранее, быстро разряжается.

Как только двигатель начинает работать, на смену батарее приходит генератор, который тут же направляет электроэнергию для работы электрических систем, датчиков и других устройств.

При работе двигателя внутри машины происходит непрерывная зарядка аккумулятора, а также обеспечивается работоспособность электрооборудования, и со всем этим справляется автогенератор. Если он неожиданно выйдет из строя, то батарея машины, проработав небольшое количество времени, быстро сядет, и железному коню потребуется ремонт.

Режимы работы

Чтобы разобраться в особенностях функционирования автомобильного генератора, важно понять особенности каждого из режимов:

  • В процессе пуска двигателя главным потребителем электрической энергии выступает стартер. Особенностью режима является создание повышенной нагрузки, что приводит к уменьшению напряжения на выходе АКБ. Как следствие, потребители берут ток только с аккумулятора. Вот почему при таком режиме батарея разряжается с наибольшей активностью.
  • После завода двигателя автомобильный генератор переходит в режим источника питания. С этого момента устройство дает ток, который необходим для питания нагрузки в автомобиле и подзаряда АКБ. Как только аккумулятор набирает требуемую емкость, уровень зарядного тока снижается. При этом генератор продолжает играть роль главного источника питания.
  • После подключения мощной нагрузки, например, кондиционера, обогрева салона и прочих, скорость вращения ротора замедляется. В этом случае автомобильный генератор уже не способен покрыть потребности автомобиля в токе. Часть нагрузки перекладывается на АКБ, который работает в параллель с источником питания и начинает постепенно разряжаться.

Правила эксплуатации генератора (по Остеру)

И напоследок несколько “вредных” советов, как быстро и без проблем “сжечь” генератор:

  1. Самый лучший и быстрый способ – “Переплюсовка”. Поменяйте местами провода от клемм аккумуляторной батареи, при этом возможен не только оптический эффект (яркая вспышка внутри генератора, легкое дымовое облако), но также звуковой (от щелчка до хлопка и шипения), обонятельный (почувствуете непередаваемый аромат горящих проводов!), и, наконец, тактильный (ожог 1-3 степени – подбирается экспериментально!) После применения этого способа диодный мост выгорает с вероятностью 99%, статор – 60%, реле-регулятор – 20%, провода – 10%, автомобиль целиком – 0,01%! Способ очень эффективен при “прикуривании”. Возможны побочные эффекты – выгорание бортовых компьютеров, сигнализации, музыки и т.д. Большой плюс – не требует специальных навыков и знаний, легко осваивается начинающими.
  2. Способ “Мойка”. Помойте двигатель своей машины. Особенно тщательно помойте генератор, проследите, чтобы потоки воды прополоскали все внутренности агрегата. Ни в коем случае не продувайте генератор после мойки! Сразу же заводите машину и включите побольше нагрузок – весь свет, обогрев, музыку. Если эффект не произошел – повторите попытку. Эффект появится, поверьте!!! Плюс – сгоревший генератор будет чистым.
  3. “Дедовский” метод – сдёргивание плюсовой клеммы аккумулятора на работающем двигателе вроде бы для проверки зарядной системы. Процент сгоревших релюшек увеличивается до 50-70%. Способ требует определенной сноровки – главное, чтобы было побольше искр! Возникающие в цепях высоковольтные коммутационные процессы рано или поздно должны будут сжечь хоть что-нибудь в Вашем генераторе, или, в крайнем случае, в машине! Как всегда, рекомендуется включить побольше всяких там нагрузок – свет, печки, подогрев. Способ не очень эффективен на старых машинах, но главное – верить, что так и будет!
  4. “Лужа” – способ, которым пользуется множество автолюбителей, даже не подозревая об этом. При этом многие искренне уверены, что автомобиль и его агрегаты, включая генератор, по водонепроницаемости должен быть сродни подводной лодке. Дерзайте! Как много неисследованных глубин ждут своих первооткрывателей! И еще простой совет – лужу надо проезжать на возможно максимальной скорости, тщательно следя, чтобы брызги равномерно захлестывали подкапотное пространство. Отсутствие защитных кожухов и поддонов во многом облегчит Вашу непростую задачу. Очень большой плюс – способом можно пользоваться практически ежедневно, не выходя из машины!
  5. Способ “Меломан”. Для очень крутых! Поставьте в Вашу машинку супер магнитолку, парочку CD чейнджеров, пару-тройку ламповых усилителей ватт по 200-300, сабвуфер ватт на 500, ну колонок с десяток, лучше полтора. Вообще, чем больше – тем лучше! Баксов на 12-25 тысяч! (Это не враки – случай зафиксирован!) Включайте! Если через пару минут генератор все ещё работает, а характерного дыма и запаха все еще нет – значит Вы поставили слишком дешёвую аппаратуру!
  6. “Аккумуляторный” способ – наиболее коварный и таинственный из всех, поскольку его осознание требует понимания химических и физических процессов (ну хотя бы закон Ома, что уже не всем дано!) А если по-простому – используйте давно просроченный аккумулятор, не моложе трех-пяти лет. Чем старше – тем больше вероятность, что в аккумуляторе окажется короткозамкнутая банка. При этом аккумулятор может подавать признаки жизни – заводить машину, подзаряжаться от зарядного устройства и т.д., но при этом он становится мощной паразитной нагрузкой в цепи генератора. Возможно, что силы тока будет хватать на работу инжектора, но при включении дальнего света и обогрева генератор будет греться так, что его можно использовать для приготовления яичницы в походных условиях! Главное – не обращать на это внимания, и способ когда-нибудь сработает!

Основные неисправности автомобильного генератор

Электрогенераторы для автомобилей надежные, но неисправности все же случаются. Они бывают:

  • механические;
  • электрические.

К механическим относится:

  • износ ремня привода, щеток, контактных колец, шкива, подшипников;
  • разрушение корпуса, болтов крепления, пружин.

Обнаружить их просто по стукам и другим посторонним шумам. Ремонт сводится к замене неисправных деталей.

Чаще случаются электрические неисправности:

  • нарушение функциональности или выход из строя регулятора напряжения;
  • обрывы, замыкания обмоток на роторе/статоре;
  • пробой выпрямителя;
  • сбои функциональности реле.

Для определения неисправностей необходимо знать характерные признаки:

  • на панели мигает и горит непрерывно лампа разряда аккумуляторной батареи;
  • фары горят тускло, во время работы двигателя слышен дребезжащий звук;
  • из генератора слышен звук, напоминающий писк, вой.

Неисправную деталь желательно выявить сразу. Если пробит регулятор напряжения, аккумуляторная батарея постоянно перезаряжается. При неисправных кольцах или щетках аккумулятор перезаряжается или недозаряжается, быстро требуется замена.

Чтобы самостоятельно провести диагностику и ремонт, необходимо хорошо знать, из чего состоит генератор, как расположены детали, для чего каждая предназначена, как работает. Сначала проверяется предохранитель, потом расположение агрегата, целостность корпуса, ремня, проводки, вращение ротора, контактные кольца, щетки.

Из механических повреждений самым частым считается износ подшипников. Необходимо их снять, оценить состояние посадочных мест, при необходимости заменить на новые. Свист во время разгона свидетельствует о проблемах с ремнем. Заменить его тоже не совсем просто.

Проверка обмоток ротора проводится мультиметром, сопротивление должно быть 1,8-5 Ом. Если цифра меньше, на витках короткое замыкание, если больше, обмотка оборвана. Чтобы проверить обмотки статора, необходимо отсоединить их от выпрямителя. Об отсутствии у обмоток контакта с корпусом свидетельствует бесконечное значение на приборе.

Диоды выпрямителя тоже проверяются мультиметром, меняя щупы местами. Полупроводниковая деталь неисправна, если показания при проверке не зависят от расположения щупов. Диодный мост нужно менять полностью, если окислились контакты.

Современный автомобильный генератор достаточно сложный, для проверки, диагностики, ремонта лучше обратиться к опытным специалистам, обладающим необходимыми знаниями, использующим при работе специальный стенд, заменяющим неисправные детали на соответствующие оригинальные.

Генератор на жидком топливе

Бензиновый генератор

Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.

Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.

Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…

На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов  максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.

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.

Источники

  • https://rusenergetics.ru/oborudovanie/generator-peremennogo-toka
  • https://odinelectric.ru/equipment/kak-ustroen-generator-peremennogo-toka
  • https://Elektrik-a.su/elektrooborudovanie/generatory/ustrojstvo-generatora-peremennogo-toka-1009
  • https://amperof.ru/elektropribory/chto-takoe-generator.html
  • https://www.asutpp.ru/generator-postoyannogo-toka.html
  • https://rusenergetics.ru/oborudovanie/generator-postoyannogo-toka
  • https://househill.ru/kommunikacii/electrika/stabilizatory/generator-peremennogo-toka.html
  • https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/ustrojstvo-i-princip-dejstviya-generatorov-peremennogo-toka/
  • https://uelektrika.ru/osnovy-yelektrotekhniki/ustroystvo-generatora-toka/
  • https://TechAutoPort.ru/elektrooborudovanie-i-elektronika/istochniki-pitaniya/generator.html
  • https://AutoTopik.ru/obuchenie/1309-princip-raboty-generatora.html
  • https://VazNeTaz.ru/avtomobilnyj-generator
  • https://promercedes.ru/informatsiya/iz-chego-sostoit-avto-generator
  • https://avtonov.info/avtomobilnyj-generator-ustrojstvo-naznachenie-i-neispravnosti
  • https://motorsguide.ru/gadgets/generator-peremennogo-toka

[свернуть]
Adblock
detector