Устройство и принцип работы генератора переменного тока
Centr86.ru

Ремонт бытовой техники

Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Генератор переменного тока: устройство, принцип работы, технические характеристики и 7 видов приборов

Электричество играет важную роль в жизни человека. Кроме того, его можно преобразовать в любой вид энергии. Однако бывают моменты, когда его отключают, и это очень влияет на комфорт. Для того чтобы этого не произошло, применяют устройства — генераторы тока. Основной принцип работы генератора переменного тока состоит в преобразовании энергий (механической в электрическую).

Общие сведения

С ростом научного прогресса и получением электрического тока, являющимся одним из основных видов энергии, жизнь человека стала намного комфортнее. Ведь благодаря ему, а точнее, его работе, приводятся в движение различные механизмы, освещаются и обогреваются помещения и так далее.

Ток в проводнике появляется за счёт электродвижущей силы (ЭДС), заставляющей перемещаться частицы, несущие заряд в проводнике. Если проводник испытывает воздействие магнитного поля, то это явление называется электромагнитной индукцией.

Иными словами, если соблюдается следующее условие: двигается проводник в магнитном поле или электромагнитное поле совершает движение вокруг проводника, то в последнем появляется электрический ток. В результате этого явления были созданы трансформаторы, электродвигатели и генераторы.

В современных генераторах этот контур содержит минимум три обмотки, необходимые для создания большей ЭДС. Для чёткого понимания предназначения и процессов, протекающих при преобразовании электроэнергии, нужно ознакомиться с устройством и принципом действия генератора (ЭГ).

Устройство генератора

Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).

Он состоит из основных узлов:

  • корпус;
  • статор;
  • ротор, или якорь;
  • коробка коммутации.

Рисунок 1. Генератор в разрезе

Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.

Читать еще:  Стирка пуховика в стиральной машине

Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной. Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора. Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.

Принцип действия

Закон электромагнитной индукции является основным принципом действия генератора переменного тока. Устройство и принцип работы практически одинаковы для всех типов. Происходит индукция, в результате которой появляется ЭДС в контуре, при вращении в однородном магнитном поле. Это магнитное поле вращается.

Работает генератор переменного тока следующим образом:

  • ротор является магнитом, передающим при вращении магнитное поле в обмотки статора;
  • статор представляет собой катушки, к которым подведены провода для съёма электрической энергии;
  • при возникновении U происходит его съём.

Кольца выполняются из медного проводника, вращаются с ротором и валом одновременно. Щётки служат для передачи тока с вала на кольца. Разновидностей очень много и, следовательно, их можно классифицировать по следующим признакам:

  • конструктивный план;
  • метод возбуждения;
  • количество фаз: однофазные, двухфазные и трёхфазные;
  • тип соединения обмоток статора.

По конструктивному плану бывают с неподвижными полюсами и якорем (он вращается) и, наоборот, с вращающимися магнитными полюсами (якорь остаётся неподвижным). Последний вид получил широкое распространение, благодаря получению большего тока. При вращении ротора, полюсные наконечники которого имеют минимальный зазор между статором для создания максимального Ф, происходит генерация ЭДС в витках статорной катушки. Наконечники подбираются такой формы, чтобы U было близко к синусоидальному.

По методу возбуждения также делятся на подвиды.

  1. Обмотки питаются постоянным током (независимое возбуждение). Эта модель приводится в действие при помощи другого генератора.
  2. Питается своим же выпрямленным током (с самовозбуждением).
  3. Возбуждение от постоянных магнитов.
Читать еще:  Сколько киловатт электроэнергии потребляет кондиционер в час, в месяц

Наиболее часто применяется соединение звездой и нейтральный провод, который выполняет роль компенсатора фазовых перекосов. Кроме того, нулевой провод позволяет исключить постоянную составляющую при возникновении вредоносных кольцевых токов (далее I), снижающих мощность и влияющих на нагрев.

Область применения

Повседневную жизнь человеческого общества невозможно представить без переменного тока. Его широкое использование связано с тем, что он обладает огромными преимуществами перед постоянным.

При этом, главным преимуществом является то, что напряжение и силу переменного тока можно легко и практически без потерь преобразовать в достаточно широких пределах.

Особенно, такое преобразование необходимо в случае передачи электроэнергии на большие расстояния. Электроэнергия обладает большими преимуществами перед другими видами энергии.

Ее можно передавать на большие расстояния с малыми потерями и достаточно легко распределять между потребителями. Кроме того, электроэнергия просто превращается в другие виды энергии (световая, тепловая, механическая и пр.).

Именно поэтому, генераторы переменного тока в современных условиях получили очень широкое применение. С их помощью вырабатывается электроэнергия, которая затем используется во всех отраслях промышленности, а также в быту и на всех видах транспорта.

Классификация

В связи с большим разнообразием генераторов, выпускаемых промышленностью различных стран, была разработана и достаточно обширная система их классификации.

Так, генераторы переменного тока различают по:

  1. Виду.
  2. Конструкции.
  3. Способу возбуждения.
  4. Количеству фаз.
  5. Соединению фазных обмоток.

Электрогенераторы переменного тока бывают:

  1. Асинхронными. Изделия, в которых на вращающемся валу имеются пазы, предназначенные для размещения обмоток. Они генерируют электрический ток с небольшими искажениями, величина которого не превышает номинального значения. Изделия этого типа используются для электропитания бытовой техники.
  2. Синхронными. Изделия, в которых катушки индуктивности размещены непосредственно на роторе. Они способны выдавать ток, который обладает высокой пусковой мощностью.

Генератор с неподвижным ротором

Конструктивно различают генераторы:

  1. С неподвижным ротором.
  2. С неподвижным статором

Конструкции с неподвижным статором получили наибольшее распространение благодаря тому, что отпадает необходимость в использовании контактных колец и плавающих щеток.

По способу возбуждения электрогенераторы бывают:

  1. С независимым возбуждением (питающее напряжение подается на обмотку возбуждения от отдельного источника постоянного тока).
  2. С самовозбуждением (обмотки возбуждения питаются выпрямленным (постоянным) током, получаемым от самого генератора).
  3. С обмотками возбуждения, питание которых осуществляется от стороннего генератора постоянного тока малой мощности, “сидящего” на одном валу с ним.
  4. С возбуждением от постоянного магнита.

По количеству фаз различают электрогенераторы:

  1. Однофазные.
  2. Двухфазные.
  3. Трехфазные.

Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы.

Это связано с наличием некоторых преимуществ, среди которых нужно отметить возможность беспроблемного получения:

  1. Вращающегося кругового магнитного поля, что способствует экономичности их изготовления.
  2. Уравновешенной системы, что существенно повышает срок службы энергоустановок.
  3. Одновременно двух рабочих напряжений (фазного и линейного) в одной системе.
  4. Высоких экономических показателей – значительно уменьшается материалоемкость силовых кабелей и трансформаторов, а также упрощается процесс передачи электроэнергии на большие расстояния.

Трехфазные генераторы отличаются электрическими схемами соединения фазных обмоток.

Бывает, что фазные обмотки соединяются:

  1. “Звездой”.
  2. “Треугольником”.

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.

Практическое применение

Индукционные генераторы находят свое применение практически во всех областях жизнедеятельности человеческого общества.

Причем в любом случае, для получения переменного тока используется энергия вращения вала генератора.

Это касается:

  1. Крупных гидро-, тепло-, и атомных электростанций.
  2. Промышленных электрогенераторов.
  3. Бытовых электрогенераторов.

Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, вырабатывают большое количество электроэнергии, которая затем передается на огромные расстояния.

Они разрабатываются под конкретные, узкоспециализированные задачи и представляют собой сложнейшие устройства, для установки которых необходимо строить отдельные здания и сооружения. Кроме того, их работа обеспечивается специально организованной инфраструктурой.

Кроме того, их используют для обеспечения электроэнергией строительных площадок, вахтовых поселков, удаленных ферм и буровых установок, находящихся в местах, где подводка стационарных линий электропередач невозможна или экономически нецелесообразна.

Как правило, для работы они используют дизельное топливо, вырабатывая при этом переменный ток большой мощности (220 или 380 В). Используются для этого синхронные генераторы, которые способны обеспечить работу промышленного оборудования большой мощности.

В дизельных установках, вал генератора вращается с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Электрогенератор на шасси

Все комплектующие изделия, входящие в состав промышленного генератора, монтируются на высокопрочных стальных шасси, которое при необходимости устанавливается:

  1. Теплоизолированным контейнером.
  2. Передвижным шасси (колесное, на полозьях).

Бытовые электрогенераторы приобрели большую популярность сравнительно недавно.

Они используются для электрификации небольших коттеджей, загородных домов и дач, а также помогают решить ряд проблем, связанных с некорректной работой централизованной электросети и часто применяются в качестве аварийных источников переменного тока на ранее электрифицированных объектах подобного типа.

В устройствах этого типа для вращения вала генератора используют как бензиновые, так и дизельные ДВС. Они вырабатывают переменный ток небольшой мощности (от 0,5 до 15 кВт) и отличаются:

  1. Экономичностью.
  2. Небольшими размерами.
  3. Низким уровнем шума.

При выборе бытового генератора переменного тока, потенциальному потребителю необходимо обращать внимание на:

  1. Тип ДВС (бензиновый или дизельный).
  2. Заявленную в сопроводительной документации мощность.
  3. Тип генератора (синхронный или асинхронный).
  4. Фазность.
  5. Блок управления.
  6. Уровень шума.

Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Мироздание предоставило человечеству триллион способов получить электричество, каждый этап развития характеризуется собственными технологиями. Допустим, исторически первым считают генератор постоянного заряда Ван де Граафа. Неверная точка зрения. Люди пользовались прежде другими разновидностями. Сегодня рассмотрим устройство, принцип работы генератора переменного тока. Приступим.

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.

Помогает проверить вредоносное излучение дисплеев. Частота 50 Гц легко излучается проводами. Аспект увеличивает расходы электростанций (потери), вредит здоровью граждан. Как возникает энергия в генераторе Фарадея? Объясняли школьные учителя: при вращении рамки в поле магнита индукция через площадь меняется, наводится электрический ток.

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.

Выработка электрической энергии городов

Посмотрим устройство генератора тока ГЭС. Для накопления потенциальной энергии движимой руслом реки водами воздвигается плотина. Уровень вверх по течению быстро начинает подниматься. Чтобы избежать прорыва (любого типа), часть многотонной массы стравливается (кое-где ставят специальные шлюзы пропускать рыбу на нерест). Полезная часть течения проходит сквозь направляющий аппарат. Знакомые с устройством реактивных двигателей, поняли речь. Направляющим аппаратом называется конфигурация створок, изменением положения регулируется количество проходящей среды (водя).

Говорили в обзорах, регламентированы жесткие требования на частоту вырабатываемого электричества. Ученые просчитали: можно достичь при нынешнем уровне развития, применяя массивные лопасти, на которых не сказываются малые удары волн. Учитывается средняя масса проходящей воды, мелкие скачки скрадываются несусветной массой винта. Очевидно, имея весомые габариты, скорость вращения бессильна составить 50 Гц (3000 об/мин). Лопасть делает 1-2 об/мин.

Винт вращает ротор генератора. Движущаяся ось, усаженная обмотками возбуждения. Катушки, сквозь которые пропускается постоянный ток для создания устойчивого магнитного поля. Излучения не происходит, значение напряженности постоянное (см. выше). Наблюдаются неявные флуктуации, результат не отражается на сути процесса: валу образован несколькими вращающимися магнитами.

Возникает тонкий момент: как получить частоту 50 Гц. Быстро пришли к выводу: выпрямлять переменный ток, после ставить инвертор обратного преобразования невыгодно. Вдоль статора расположили множество проволочных катушек (рамка из опытов Фарадея), в которых будет наводиться индукция. Путем правильной коммутации с генератора удается снять нужные 230 вольт (на деле стоят еще понижающие трансформаторы) с частотой 50 Гц. Генераторы дают три фазы, сдвинутые на 120 градусов. Возникает новый вопрос – обеспечить стабильность. Подавать дозированное количество воды, пока лопасть набирает скорость? Практически невозможно, поступают следующим образом:

  1. Помимо токосъемных катушек статоре содержит возбуждающие.
  2. Туда подается напряжение частоты, позволяющей лопасти набрать нужную скорость.
  3. Получается фактически громадный синхронный двигатель.

Начальный разгон нагоняется потоком воды, вспомогательное напряжение придерживает винт, пытающийся превысить заданную скорость. Вода фактически толкает махину, напряжение возбуждения послужит регуляции (понятно, на статор подается переменный ток). Требуется получить больше мощности, направляющий аппарат плотины чуть приоткрывается. Масса воды становится более солидной, непременно сорвала бы обороты. Приходится увеличивать ток возбуждения статора, контролирующее поле становится сильнее, ситуация остается в нормальных пределах.

Двигатель внутреннего сгорания Катерпиллер, вращающий генератор

Мощность генератора возрастает. А напряжение, поддерживается уровень? По закону электромагнитной ЭДС Фарадея напряжение определено скоростью изменения магнитного поля, числом витков. Получается, конструктивно выбирая площадь катушек, длину кабеля, задаем выходное напряжение генератора. Разумеется, каждый должен иметь свою скорость вращения лопасти. Выдерживается током возбуждения ротора. При возрастании мощности увеличивается ЭДС. Рост тока возбуждения повышает скорость изменения магнитной напряженности поля.

Нужен способ поддержания прежних параметров. Зачастую становятся развязывающие трансформаторы с переменным коэффициентом передачи. Потребитель меняет ток, напряжение остается постоянным. Обеспечиваются заданные стандартами параметры. Устройство генератора переменного тока основано на возбуждении обмоток статора, остальное сводится к методикам регуляции параметров.

Регулировка параметром генераторов переменного тока

В простейшем случае мощность не поддается изменению. В бытовых (мелких генераторах) схема отслеживает напряжение, меняется значение тока возбуждения. Редко ситуация на руку потребителю. Расходуется солярка. Получается, тратится прежняя энергия, часть рассеивается пространством. Не страшно, когда возвращаем Земле часть скорости реки, жечь топливо задаром редкий скупец захочет.

Читатели поняли: обороты сорвутся, если не уменьшить подачу воды, газа, пара – в общем, движущей силы. Отслеживает отдельная цепь регуляции, снабженная регулировочными механизмами. Частному дому лучше создать систему аккумуляторную, сегодня имеется возможность 12 вольтами постоянного тока питать освещение, ноутбуки, многие другие приборы. Сеть возможно оборудовать отводом для периодического заряда батарей. Методик, как помним, две:

Простая схема работы генератора

  1. С постоянным током. Напряжение варьируется, каждый час заряжается одна десятая емкости. Длительность процесса – 600 минут.
  2. С постоянным напряжением. Ток падает по экспоненте, вначале составит сравнительно большие величины. Главный недостаток методики.

Принцип действия генератора переменного тока позволит вести подзарядку аккумуляторов, руководствуясь необходимостью. Понятно, потребуется цепь гальванической развязки перед каскадом батарей. Можно догадаться из прочитанного, ГЭС применяют устройства с подстраиваемым коэффициентом трансформации. Методики реализации затеи могут быть разными:

  1. Широкое распространение получили трансформаторы с коммутируемыми обмотками. Число витков может меняться путем переключения контакторами цепей.
  2. Более плавный коэффициент обеспечивает скользящий контакт. Здесь витки одной катушки зачищены, токосъемник бегает взад-вперед, меняя число рабочих витков. Понятно, большой ток пропустить сложно, будет возникать искра, в случае ГЭС станет дугой. Скорее устройство регулирования сравнительно малых мощностей.

Из сказанного следует: ток возбуждения ротора ГЭС логично менять скачками в такт переключению обмоток регулирующего трансформатора. Потом происходит плавная подстройка, параметры напряжения приходят в норму. Рассказали в общих чертах, как работает генератор переменного тока. Стоит отметить: конструкцией многообразие не исчерпано. Описанный вид устройств составляет костяк семейства под названием синхронные генераторы переменного тока. Обеспечивают города, по большей части, энергией.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи меж статором и ротором. Скорость регулируется направляющим аппаратом. Сообразно стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, стабильность параметров не блещет хорошими показателями.

Отличительной чертой назовем способность недостатков асинхронных двигателей плавно перекочевывать, заражая новые устройства. Очевидно, для снабжения потребителей энергией регулируют частоту тока, мощность получается случайной. Хотя, если генератор находится в относительно постоянном окружении, сказанное не окажется большой проблемой.

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

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

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

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.

Бесщёточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.

В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.

Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Пояснение:

  • схема устройства;
  • схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
  • модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Синхронные машины с индукторами.

Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.

Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.

Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:

  • соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
  • «звезда»;
  • «треугольник»;
  • сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.

Принцип работы

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

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

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

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.

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

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

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

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

Регулирование частоты

Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:

  1. Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
  2. Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулировки напряжения

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Применение

У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю. Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.

Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.

Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.

Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.

Принцип работы и устройство современного автомобильного генератора

В стандартном исполнении в автомобиле существуют два источника питания – генератор и аккумулятор. Разница между ними заключается в том, что АКБ накапливает электроэнергию, а автомобильный генератор ее вырабатывает. То есть это устройство преобразует механическую энергию от двигателя в электрическую с целью дальнейшего питания всех потребителей и заряда аккумулятора.

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).

Автомобильный генератор

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.

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.

Устройство генератора переменного тока

Работу любого генератора можно сравнить с электродвигателем, который работает в обратном режиме, то есть не потребляет, а вырабатывает ток. По типу конструкции современные генераторы делятся на два вида: компактный и традиционный. Они имеют общее устройство, но различаются в компоновке корпуса, вентилятора, выпрямительного узла и приводного шкива. Также у современных устройств имеется три фазы.

Устройство генератора

Генератор состоит из следующих основных элементов:

  • привод со шкивом, подшипниками и валом;
  • ротор с обмоткой возбуждения и контактными кольцами;
  • статор с сердечником и обмоткой;
  • корпус, состоящий из двух крышек;
  • регулятор напряжения;
  • выпрямительный блок или диодный мост;
  • щеточный узел.

Разберем каждый элемент устройства отдельно и подробно.

Корпус

В корпусе находятся все основные элементы генератора. Он состоит из двух крышек (передняя и задняя). Крышки соединяются между собой болтами. Для изготовления крышек используют легкие сплавы алюминия, которые не намагничиваются и хорошо отводят тепло. В крышках есть вентиляционные отверстия и крепежные фланцы.

В задней крышке установлен диодный мост и щеткодержатель со щетками. Также в задней крышке расположен выводной контакт, по которому ток поступает от генератора.

Привод

Вращение от коленчатого вала передается на шкив генератора и вращает ротор. Частота вращения шкива больше частоты вращения коленвала в 2-3 раза. Крутящий момент от двигателя передается посредством ременной передачи. Могут использоваться поликлиновый и клиновый ремень в зависимости от конструкции. Поликлиновый ремень считается более универсальным и современным.

Ротор

На валу ротора находится обмотка возбуждения, которая создает магнитное поле и, по сути, представляет собой обычный электромагнит. Обмотка находится между двух полюсных половин (сердечников), необходимых для регулирования и направления магнитного поля. Каждая из половин имеет по шесть треугольных выступов, называемых клювами. Также на валу ротора расположены два медных контактных кольца. Иногда они изготавливаются из стали или латуни. Через контактные кольца на обмотку возбуждения поступает питание от аккумулятора. Контакты обмотки припаяны к кольцам.

Ротор генератора

На переднем конце вала ротора находится приводной шкив, а на другом крепится крыльчатка вентилятора. Их может быть две. Они нужны для охлаждения внутренних деталей генератора. Также на обоих концах ротора установлены необслуживаемые шариковые подшипники.

Статор

Конструктивно статор имеет форму кольца. Это основная деталь, служащая для создания переменного тока от магнитного поля ротора. Состоит из обмотки и сердечника. В свою очередь, сердечник состоит из соединённых стальных пластин, в которых образуются 36 пазов. В пазы навивается три обмотки, которые образуют трехфазное соединение. Может быть две схемы соединения обмоток: «звезда» и «треугольник». По схеме «звезда» концы каждой из трех обмоток соединены в одной точке. По схеме «треугольник» концы обмоток выводятся отдельно.

Выпрямительный блок или диодный мост

Выпрямительный блок выполняет задачу по преобразованию переменного тока генератора в постоянный, который необходим для питания бортовой сети автомобиля. Другими словами, он выдает напряжение стабильной и одинаковой величины.

Диодный мост

Блок также называют диодным мостом, который состоит из двух радиаторных пластин (положительной и отрицательной) и диодов. На каждую фазу приходится по два диода. Сами диоды герметично вмонтированы в пластины. Диодный мост имеет форму подковы.

С обмотки статора ток поступает на диодный мост, затем «выпрямляется», и подается на выводной контакт на задней крышке.

Через диоды ток проходит только в одном направлении, при этом отсекаются токи обратной полярности. Диодный мост может находиться в корпусе генератора, а может быть вынесен за корпус. Но чаще всего он крепится на внутренней стороне задней крышки.

Регулятор напряжения

Регулятор поддерживает напряжение генератора в определенных пределах. В современных моделях применяются полупроводниковые электронные регуляторы напряжения. Они устанавливаются сверху блока щеткодержателей.

Регулятор напряжения и щеточный узел

Когда двигатель работает на больших оборотах, то напряжение на обмотке статора может доходить до 16В. Такое напряжение не должно поступать в бортовую сеть. Чтобы это исключить, регулятор напряжения, получая ток от АКБ, будет снижать его значение. Малый ток на обмотке ротора будет создавать такое же малое магнитное поле. Это значит, что на обмотке статора будет понижаться напряжение.

Щеточный узел

Щеточный узел в современных генераторах объединен с регулятором напряжения в один неразборный механизм. Он передает ток возбуждения на медные контактные кольца ротора. Это простая конструкция, которая состоит из щеткодержателя, двух графитовых щеток и прижимающих пружин.

Принцип работы

Теперь разберем подробнее работу генератора переменного тока в автомобиле. При включении зажигания, на щеточный узел подается ток от аккумуляторной батареи. Через щеточный узел он попадает на медные контактные кольца, а затем на обмотку возбуждения ротора. Напомним, что ротор, по сути, является электромагнитом, который создает магнитное поле. Коленчатый вал через шкив и ременную передачу начинает вращать ротор. Вокруг ротора расположен статор, который от вращения начинает вырабатывать переменный ток. Когда вращение ротора достигает определенной частоты, обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Через диодный мост переменный ток «выпрямляется» и преобразуется в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Так автомобильный генератор обеспечивает питание потребителей и подзаряжает аккумулятор. Регулятор напряжения изменяет работу обмотки возбуждения при возрастании частоты вращения ротора. Таким образом поддерживается стабильная нагрузка.

В салоне автомобиля на приборной панели есть контрольная лампа генератора, которая показывает состояние устройства. Например, лампа может загореться при обрыве ремня. Тогда питание сети будет идти только через аккумулятор. Продолжительность работы в этом случае будет зависеть от уровня заряда АКБ.

Параметры генератора

Работу генератора оценивают по нескольким параметрам:

  • номинальный ток и номинальное напряжение;
  • номинальная частота возбуждения;
  • частота самовозбуждения;
  • коэффициент полезного действия (КПД).

Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения генератора.

Характеристика генератора

Напряжение генератора можно измерить мультиметром. При всех выключенных потребителях без нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение в пределах 14,3В — 15,5В. Если напряжение после запуска двигателя свыше 14В, то это может говорить о разряде АКБ и зарядке его генератором. При поочередном включении потребителей (фары, подогрев, кондиционер и т.д.) напряжение уменьшается примерно на 0,2 после каждого включения. Но в итоге напряжение не должно снижаться ниже 12,8В. Если значение меньше, то аккумулятор начнет разряжаться. Если напряжение, наоборот, сильно высокое (14В и выше), то это может привести к выходу АКБ из строя. При этом на выходе самого аккумулятора напряжение должно быть в пределах 12,6В — 12,7В.

Напряжение генератора под нагрузкой может отличаться от номинальных значений 12В. После включения всех потребителей тока значение должно быть в пределах 13,5В — 14В. Если ниже, то это может указывать на неисправность устройства. Допустимым пределом считается 13В.

На картинке ниже показана подробная схема подключения генератора в автомобиле.

Схема подключения генератора

Мощность автогенератора

Если включить все энергоемкие приборы в автомобиле, то генератор может не справляться с нагрузкой и часть энергии будет отдавать аккумулятор.

Чтобы рассчитать мощность генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где Р — мощность, I — сила тока, U — напряжение.

Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в районе 13,5В — 14,2В. Сила тока у разных моделей может отличаться. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение в 100А.

По формуле получаем 13,5В*100А = 1 350 Вт или 1,35 КВт. Это и есть мощность генератора, которая измеряется в Ваттах. Нужно также учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об/мин и выше. На холостом ходе выдаваемая мощность равняется 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля хватает 80А. Если применить более мощный автогенератор, то бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Нужно это учитывать. Большая мощность не всегда идет на пользу.

Основные неисправности

Устройство довольно надежное и должно работать продолжительное время, но некоторые компоненты могут выходить из строя по разным причинам. Неисправности могут иметь механический или электрический характер.

Механические неисправности

Главной возможной поломкой может быть обрыв приводного ремня. В этом случае вращение от коленвала на ротор не будет передаваться. Всю нагрузку на себя берет аккумулятор, который начнет разряжаться. Это покажет контрольная лампа в салоне автомобиля. Чтобы избежать обрыва ремня, нужно периодически проверять его состояние и натяжение.

Также может случиться простой износ графитовых щеток. В этом случае надо менять весь щеточный узел.

Электрические неисправности

Неполадки с электрикой в генераторе случаются нередко, и заметить их трудно. Может возникнуть замыкание в обмотках возбуждения ротора или статора, обрыв обмотки. Может выйти из строя регулятор напряжения, что чревато большими проблемами для всей электроники и АКБ. Также случается так называемый пробой диодного моста по различным причинам. Нельзя отключать генератор или АКБ во время работы двигателя. Также нужно следить за надежностью соединений, чистить клеммы и т.д.

Каждому водителю нужно знать устройство и принцип работы автомобильного генератора. Это поможет избежать многих проблем, которые могут возникнуть с устройством. Нужно регулярно следить за компонентами генератора. Проверять натяжение и состояние приводного ремня, крепление устройства, напряжение и другое. При правильной эксплуатации устройство прослужит исправно долгие годы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector