Меню

Генератор переменного тока или альтернатор

Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

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.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

  • 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.

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

Схема генератора переменного тока

Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.

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.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

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.

Бензогенератор

Как устроен генератор переменного тока - назначение и принцип действия

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

  • Малые габариты при высокой мощности;
  • Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
  • В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
  • Просты в обслуживании и ремонте;
  • Во время работы не издают много шума;
  • Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

Источник

Что такое альтернатор: виды и принцип работы

Отправим материал на почту

Что такое альтернатор: виды и принцип работы

  • Основные понятия
  • Синхронная конструкция
  • Принцип работы
  • Особенности конструкции
  • Виды оборудования
  • Плюсы и минусы
  • Асинхронное оборудование
  • Технические особенности
  • Типы генераторов
  • Сильные и слабые стороны
  • Какой лучше взять
  • Заключение

Удобство современного человека зависит от наличия электричества. Независимые от магистралей источники энергии при обесточивании позволяют поддерживать работу оборудования в доме, офисе или во время сварки. У техники разные параметры мощности и строение. Чтобы выбрать подходящую модель, надо разобраться, что такое альтернатор.

Основные понятия

Для выработки тока электрического используют специальные устройства – генераторы. Аппарат состоит из мотора и энергетического преобразователя, установленных в корпусе или на открытой рамке. Альтернатор – одна из главных частей источника, преображающая механическое движение вала в электроэнергию. В составе механизма есть статичные и подвижные детали (статор, ротор).

Что такое альтернатор

Чтобы активировать электродвижущую силу на изоляции неподвижной детали, создают поле магнитное. Во всех видах оборудования этого типа применяют вращающийся намагниченный ротор. По конструктивным различиям альтернаторы делят на 2 вида:

  • Синхронный. В щеточной технике есть намотка на подвижной части.
  • Асинхронный. У намагниченной детали нет изоляции. Остаточное поле передается по бесконтактному принципу, поэтому в оборудовании нет щеток.

По строению первый вид альтернаторов получается более сложным, чем второй. В синхронном есть обмотки и электрощетки (угольные, медно-графитовые), что сказывается на стоимости. Такие варианты служат долго и редко кардинально ломаются. Элементарный по строению асинхронный не содержит много деталей, поэтому по цене выходит дешевле.

Обмотку генератора делают из металла. Если нужна техника для постоянной и активной эксплуатации при частых перегрузках, то отдают предпочтение долговечной меди. У алюминиевых моделей есть ограничения по максимальной нагрузке, поэтому быстро выйдут из строя.

Виды альтернаторов

Вращение в оборудовании осуществляют за счет электродвижущей силы, которую создают возбуждением магнитным полем на обмотке. Арматурные проводники располагают на статоре. В элементах возникает переменное напряжение из трех фаз. Чем мощнее генератор, тем больше конструкция.

Оборудование сделали таким образом, что якоря проводников высыпают в роли магнитов. При вращении вала от турбины в аппарат поступает электричество, а обмотка питается энергией. Щеточные трехфазные генераторы создают больше полезного тока, чем бесщеточные виды. Технику используют в случаях, когда расход мощности более 50 кВт.

Конструктивная особенность

Синхронная конструкция

Синхронным называют генератор (альтернатор), у которого частота вращения ротора совпадает с показаниями движения поля магнитного. При автономной работе оборудование тока переменного способно выдержать любую нагрузку. Техника отлично функционирует в условиях без централизованных магистралей.

Принцип работы

Синхронный альтернатор работает по принципу электромагнитной индукции. При холостом движении катушка статора разомкнута, а энергия формируется в роторной обмотке. Подвижные части вращаются от мотора. Во время процесса внутри образуется постоянная частота, а магнитное поле переносится через детали и создают электродвижущую силу.

Для образования полей внутри конструкции нужна обмотка. Элемент позволяет надежно изолировать друг от друга металлические пластины. Если в синхронном альтернаторе якорь привести в движение вращением, то поток энергии переходит через статорные катушки.

Щеточная конструкция

Щеточные конструкции работают в режиме двигателя или для генерации электричества. В моделях, функционирующих при высоких нагрузках, дополнительно используют системы охлаждения. В вал устанавливают «крылья», которые с двух сторон обдувают ротор и снижают температуру подвижного элемента. Чем сильнее поток кислорода, тем лучше проходит процедура.

Читайте также:  Причины по которым бойлер бьется током

Особенности конструкции

Синхронный альтернатор по строению является типичным представителем генераторов. В пазах статора щеточной машины расположили одно-, двух- или трехфазную обмотку. От бесщеточного вида модель отличается ротором, который по функциям является электрическим магнитом. В конструкции присутствуют полюсы (от 2 и более).

У быстроходных генераторов количество полюсных пар равно 1. Чтобы получить ток, синхронный альтернатор надо вращать с определенной частотой. Производители создают конструкции, внутри которых присутствуют полупроводниковые трехфазные элементы. Для образования энергии применяют метод выпрямления токов переменных.

Строение синхронного альтернатора

Система возбуждения генераторов представляет собой оборудование, созданное для производства тока. Регуляторы используют для управления электричеством. По типу действия выделяют 2 группы:

  • Пропорционального. При отклонении одного параметра равномерно трансформируют ток возбуждения.
  • Сильного. Изменения происходят при расхождении нескольких показателей.

Структуры возбуждения в синхронном альтернаторе обеспечивают безопасное функционирование и торможение оборудования на холостом ходу. Техника работает по заданной программе с учетом нагрузок. При отклонении параметров устройство подстраивается под изменения (напряжения, скорости).

Синхронный двигатель

Виды оборудования

По техническим особенностям синхронные альтернаторы делят на 4 группы. В турбогенераторах энергия возникает при движении специальных элементов. Скорость у моделей часто достигает 6000 об/мин. Гидроконструкции за счет отсутствия полюсов работают на малых оборотах.

Синхронный компенсатор

Мощный синхронный компенсатор применяют для стабилизации напряжения. Аппарат подходит для улучшения качества получаемой энергии. Двухполюсное ударное оборудование воздействует недолго, используют в графиках коротких замыканий.

Плюсы и минусы

Синхронные генераторы (альтернаторы) обеспечивают на выходе равномерный ток, легко переносят максимальные нагрузки и небольшие колебания. Агрегаты подойдут для выработки электричества для бытовой, компьютерной техники и точного оборудования. Сильные стороны:

  • качественная энергия;
  • стабильное напряжение;
  • практичность в эксплуатации;
  • надежность.

К недостаткам синхронных генераторов (альтернатов) относят высокую цену, создание радиопомех и слабую защиту от пыли. Для снижения жара вращающихся щеток используют вентиляторы. Система охлаждения, как пылесос, втягивает мелкие частицы, которые засоряют конструкцию и станут причиной поломок. Чтобы минимизировать проблему, профессионалы советуют регулярно осматривать и вовремя менять детали. Угольные модели прослужат до 2 лет, медно-графитовые – 4 месяца.

Эксплуатация синхронных моделей

Асинхронное оборудование

Конструкции, работающие от непостоянного тока, называют асинхронными. Бесщеточный альтернатор можно использовать как в качестве генератора, так и в роли мотора. Функциональный аппарат быстро переходит из режима двигателя к графику источника бесперебойной энергии.

Технические особенности

У асинхронного альтернатора медленнее, чем у синхронного, вертится статорное поле. Чтобы изменить функцию мотора на генератор, стоит увеличить движущуюся скорость ротора. Вращающийся элемент перестает следовать за магнитным полем и меняет направление.

Процесс возникает при подключении группы конденсаторов к сети. Детали начинают заряжаться, накапливают энергию электрополей. У фазы есть заряд, противоположный полюсу источника. Ротор замедляется, что приводит к производству тока.

Особенности асинхронного альтернатора

Асинхронные конструкции потребляют мощность, которая нужна для формирования магнитного поля. В двигатель поступает электрическая энергия, а на выходе получают механическую. Быстрота перехода из одного режима в другой зависит от особенностей вращения или торможения.

За счет отсутствия щеток модели называют бесщеточными. Ротор асинхронного альтернатора делают в форме «беличьего колеса». Сооружение в виде решетки цельной тормозит детали, создавая эффект скольжения. При механическом импульсе за счет остатков излучения в элементах возникают поля, которые динамически взаимодействуют.

Типы генераторов

Асинхронные альтернаторы различают по рабочим параметрам. У конструкций роторы бывают фазные или короткозамкнутые. Из-за сложного строения у первого вида дорогое обслуживание. У второго подвижные детали в форме цилиндра состоят из палочек и колец, немного напоминает колесо белки.

Бесщеточная модель

Асинхронные генераторы применяют при работе с техникой с рекуперативным или реостатным типом торможения (транспортеры, краны подъемные). Электростанции используют в промышленном оборудовании, которое нетребовательно к качеству получаемой энергии. Бесщеточные альтернаторы – мощное устройство для зарядки, которое обеспечит подпитку аккумуляторов в автомастерских или функционирование сварки. В полевых условиях модели станут недорогим источником энергии, работающими от дизельных двигателей.

Сильные и слабые стороны

У асинхронных альтернаторов нет обмотки двигающихся компонентов, поэтому не нужны щетки. Подвижный элемент визуально напоминает маховик. Для бесперебойного функционирования генератору хватит конденсаторов и магнитных полей. За счет простоты конструкции оборудование надежнее синхронного, долго не выходит из строя.

Из-за отсутствия медной обмотки не нужно охлаждать детали и менять щетки. В альтернаторы асинхронные не попадает мусор, влага и пыль, поэтому у генераторов увеличивается класс защиты. Бесщеточные модели не втягивают струи воды.

Из-за простоты строения у асинхронных альтернаторов масса и размеры ниже, чем у синхронных аналогов. Техника занимает меньше места, чем щеточные виды. Оборудование не боится коротких замыканий, что хорошо во время сварки.

Оборудование асинхронное

Асинхронному альтернатору противопоказаны пусковые перегрузки. Во время процесса напряжение становится нестабильным. Разрешаемый предел – 10%, но в отдельных случаях отклонения намного выше. В конструкции не предусмотрели автоматический регулятор, поэтому незапланированные скачки способны уничтожить точное оборудование и дорогостоящую технику.

Профессионалы советуют предупредить проблему покупкой и монтажом стартового усилителя, который изменяет характеристики выходящей энергии. Производители качественных генераторов улучшают параметры аппаратов, поэтому моторы часто обеспечивают стабильные обороты при трансформации напряжения.

Какой лучше взять

Сталкиваясь с задачей какой альтернатор выбрать (синхронный или асинхронный), пользователи должны отталкиваться от требований, которые предъявляют технике. Бесщеточные модели – источник реактивной энергии, не боящийся перегрузок от пусков электрического оборудования. В составе есть автоматический регулятор, ограждающий от непредвиденных изменений.

Бесщеточные конструкции сами являются потребителем электричества, поэтому зависит от характеристик и качества тока. Аппаратам опасно работать при пусковой нагрузке. В профессиональном оборудовании для стабилизации величины тока в составе предусматривают конденсаторы.

Выбор оборудования

Если нужно защитить технику от скачков энергии, то выбирают синхронные альтернаторы. У оборудования высокие требования к стабильности напряжения, что предупредит возможные проблемы. Аппараты подходят при частых перегрузках в режиме переходном, который происходит при подключении электрических пользователей (техники). Генератор защитит все подсоединенные приемники.

Асинхронный альтернатор применяют для эксплуатации оборудования, у которого нет высоких требований к качеству тока. Устройство отлично работает в запыленных местах, а мелкий сор или влага не выведет аппарат из строя. Модель подойдет в случаях, когда нет возможности купить дорогой щеточный вариант или отсутствует квалифицированное обслуживание. Техника с дополнительными пусковыми конденсаторами способна выдержать перегрузки при переходном режиме.

Если надо выбрать альтернатор для дома, то лучше отдать предпочтение синхронной модели. Щеточное оборудование с функцией AVR (стабилизация напряжения) подойдет для ПК и бытовой техники. Генератор оградит чувствительные устройства от скачков энергии и выхода из строя. Аппарат подойдет для:

  • офисов;
  • медицинских клиник;
  • исследовательских лабораторий.

Если нужен аппарат для строительства, тогда отдают асинхронной модели. Бесщеточные генераторы отлично функционируют на свежем воздухе, на улице. Конструкция не боится пыли в производственном цехе. Из-за устойчивости к замыканиям оборудование не ломается при сварке, а компактность добавляет агрегату мобильности (легко переносить).

При выборе мощности складывают сумму всех подключенных потребителей. Чтобы не было непредвиденных ситуаций, модели берут с запасом пропускной способности. Генератор обязательно проверяют во включенном режиме. При работе измерительные приборы всегда стабильные, а выхлопы звучат ровно, без рывков.

На что обратить внимание

Перед выбором оборудования обращают внимание на тип топлива. Показатель влияет на стоимость аппарата и последующего технического обслуживания. Если генератор планируют эксплуатировать периодически или при минусовых температурах, то отдают предпочтение дешевому бензиновому. При круглосуточной работе в частном доме или офисе лучше взять дизельный. Разовая переплата позволит сэкономить средства по сервису электростанции.

Заключение

Альтернатор – практичное устройство, которое станет надежным источником энергии в коттедже, автомобильной мастерской или во время строительства. Синхронные аппараты по конструкции более сложные и дорогие, чем асинхронные виды. Выбирая генератор для дома или производства обращают внимание не на стоимость модели, а на характеристики устойчивости к перепадам напряжения, пусковой нагрузке или пыли.

Источник



Генераторы тока: переменного и постоянного

Отсутствие электричества сегодня не становится проблемой как в быту, так и в промышленности. Широкий ассортимент генераторов тока позволяет решить проблему быстро, с минимальными трудозатратами. Резервные источники питания незаменимы в современной реальности — всему нужна электроэнергия. Гарантии, что подачу электроэнергии не прекратят в самый неподходящий момент – не может дать ни она организация. Поэтому резервная электростанция на базе генератора постоянного или переменного тока — важное, а зачастую незаменимое оборудование, которое обеспечивает непрерывность производства, комфорт в бытовой сфере, безопасность и непрерывность технологических процессов.

Что такое генератор тока

Когда нет электрической энергии, требуется получить её из другого источника. Наши предки, например, использовали силу ветра, течения рек. Впрочем, сегодня подобную энергию применяют, если не жалко времени и сил на возведение плотин и ветряков. Генераторы тока стандартно «работают» на топливе, за счет вращения обмотки в магнитном поле преобразовывая механическую энергию вращения в электричество. Ток возникает в замкнутом контуре, протекает по обмоткам, когда к электростанции подключается потребитель — именно так работает генератор тока.
В зависимости от того, как вращается магнитное поле (при неподвижном или подвижном проводнике) различают два типа этих электрических машин — генераторы постоянного или переменного тока.

Читайте также:  Форма тока при однополупериодном выпрямителе

В чем разница между постоянным и переменным током

Вспоминаем уроки физики. Электроток — заряженные микрочастицы, которые «бегут» в определенном направлении. У постоянного тока частицы движутся по прямой, в одном направлении от минуса к плюсу. У переменного движение электронов идет по синусоиде с определенной частотой (полярность между проводами меняется несколько раз за заданный промежуток времени).

В чем разница между постоянным и переменным током

Разница между движением заряженных частиц заложена в принцип работы генераторов электрического тока. Для простого обывателя можно сказать так: в розетке — переменный, в батарейке — постоянный. В качестве частного случая, с очень большим упрощением, можно сказать так: всё что с напряжением до 48 Вольт — всё постоянный, всё что от 100 до 500 Вольт — переменный.

Автор статьи и специалисты Mototech прекрасно осведомлены о том, что и постоянный ток может иметь практически любое напряжение (например, 380 Вольт на шине постоянного тока в ИБП), так же как и переменный ток для узких задач.

Несмотря на то, что конечный результат работы электростанций один — потребитель получает электроэнергию, методы преобразования механической энергии в электродвижущую силу и электричество различаются. Элементы (комплектующие) также отличны.

  • Внешней силовой рамы, изготовленной из высокопрочных сплавов. Корпус рассчитан на интенсивную нагрузку, возникающую при передаче магнитного потока от полюса к полюсу. Проще говоря: чугунный кожух не «пробивается» разрядами тока.
  • Магнитных полюсов, закрепленные на корпусе болтами или шпильками. На «плюс» и «минус» монтируется обмотка.
  • Статора. Остов с катушкой возбуждения изготавливают из ферромагнитных материалов, на сердечнике устанавливают магнитные полюса, которые и образуют магнитное поле.
  • Вращающегося ротора (якоря). Задача магнитопровода — снизить вихревые токи и повысить КПД генератора постоянного тока.
  • Коммутационного узла, оснащенного щетками (обычно изготовленными из графита) и коллекторными пластинами из меди.

В чем конструктивная разница между генераторами

Полюсов может быть несколько (число минусов и плюсов всегда идентично). Поэтому сегодня потребитель может купить электростанцию необходимой мощности и обеспечить электричеством как дом, так и промышленный объект.

Особенности конструкции генератора переменного тока

Конструктивной разницы в статоре и роторе между устройствами постоянного и переменного тока нет. Практически идентичны и силовые рамы. Существенное отличие в комплектации коммуникационного узла. Каждый выход механизма помимо щеток оснащен токопроводящими кольцами. «Закольцованный» ток движется по синусоиде и несколько раз в секунду достигает пика мощности. По типу устройства, характеристикам и принципу работы современные генераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Специфика синхронного устройства

Специфика синхронного устройства: скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в рабочем зазоре.

  • Отсутствие электрической связи с ротором;
  • Вращение якоря под воздействием остаточного механизма статора;
  • Измененная электрическая нагрузка на статоре.

Такие агрегаты могут быть однофазными и трехфазными.

Принцип работы электростанции прямого тока

  • Рамка вращается вокруг оси, расположенная на корпусе обмотка регулярно проходит через «минус» и «плюс» полюсов.
  • Каждый раз при достижении разнополюсных точек, происходит смена направления тока на противоположное.
  • Выходной цепи благодаря полукольцу, расположенному на коллекторном узле, создается постоянный ток.
  • С помощью щеток с положительного или отрицательного полюса снимается потенциал и по схеме передается потребителю.

Такая схема работает в простейшей конструкции, с одним плюсом и минусом, если положительных/отрицательных точек больше, ЭДС и ориентировочное количество электроэнергии рассчитываются по формуле.

Принцип работы электростанции прямого тока

  • Небольшой вес и компактность агрегата;
  • Возможность использовать в экстремальных условиях;
  • Отсутствие потерь, связанных с вихревыми токами.

Минус: на большую мощность при использовании устройств такого типа рассчитывать не стоит.

Принцип работы электростанции переменного тока

Устройства такого типа преобразуют механику в электроэнергию, вращая проволочную катушку в магнитном поле. Ток вырабатывается, когда силовые линии пересекают обмотку. До тех пор, пока магнитное поле соприкасается с проводником, в нем индуцируется электроток.
Идентичный принцип действует и в случае, если рамка вращается относительно магнита, пересекая силовые линии.

В электростанциях с синусоидальной подачей тока отсутствует реактивная мощность. То есть весь запас электроэнергии (с вычетом потерь на проводах) расходуется на нужды потребителя, а не на поддержание работоспособности устройства.

  • Большая выходная мощность при одинаковых габаритах устройств постоянного и переменного тока;
  • Выработка электроэнергии на низких скоростях вращения ротора;
  • Проще конструкция и схема, соответственно, меньше узлов, нуждающихся в техобслуживании и ремонте;
  • Конструкция токосъемного узла отличается большей надежностью;
  • Больше эксплуатационный ресурс и меньше эксплуатационные затраты.

Дополнительное преимущество: агрегаты с трехфазным питанием можно использовать для питания высоковольтных потребителей.

Оба вида генераторов популярны в бытовой и промышленной сфере. Станции постоянного тока нашли применение в сфере транспорта. Так, в трамваях, троллейбусах обычно установлены двигатели, работающие на постоянном токе. Низковольтные устройства незаменимы для питания систем освещения в местах, где нет доступа к централизованной подачи электроэнергии. Например, на борту самолетов. Если большая мощность — не основополагающая характеристика электростанции, то генераторы постоянного тока отлично справятся с питанием оборудования в учебных, медицинских учреждениях, лабораториях. Полноценные дизельные электростанции постоянного тока используются на аэродромах для зарядки и питания бортовых систем летной техники.

Электростанции переменного тока необходимы практически для всего остального. 99% того, что питается от централизованной сети — это устройства переменного тока. Соответственно, аварийное питание этих объектов так же должно осуществляться от соответствующего оборудования.

Мototech специализируется на продаже электростанций различного типа. Поможем выбрать оптимальный вариант электростанции мощностью от 5 до 6000 кВА и конечно же, это будут электростанции переменного тока. Мы обеспечим сопроводительные строительные и электромонтажные работы, грамотную пуско-наладку и обслуживание устройств. С клиентами работают сотрудники с энергетическим образованием, поэтому квалифицированную информацию, ответы на вопросы и правильные расчеты характеристик в соответствии с вашими потребностями гарантируем.

Источник

Как устроены генераторы постоянного и переменного тока

Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.

При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:

тепловой и других.

Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

1. постоянного тока;

Принцип работы простейшего генератора

Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.

В конструкции любого генератора реализуется принцип электромагнитной индукции, когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается постоянными магнитами в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.

Принцип работы простейшего генератора

При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.

Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.

Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.

Принцип работы генератора постоянного тока

За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.

Принцип работы простейшего генератора постоянного тока

При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.

Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.

Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:

у нее используют не один виток, а несколько — в зависимости от величины запланированного напряжения;

число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.

У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах магнитопровода. Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.

Конструктивные особенности генераторов постоянного тока

Основными элементами устройства являются:

внешняя силовая рама;

коммутационный узел со щётками.

Конструкция якоря генератора постоянного тока

Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.

Читайте также:  Прибор для измерения работы постоянного тока

Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.

Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.

Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.

Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.

Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.

Выходной сигнал генератора постоянного тока

Основные типы конструкций генераторов постоянного тока

По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:

1. с самовозбуждением;

2. работающие на основе независимого включения.

Первые изделия могут:

использовать постоянные магниты;

или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…

Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:

шунтами или параллельным возбуждением.

Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.

Схема генератора постоянного тока с независимым включением

Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.

Внешний вид автомобильного генератора

Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.

Процесс образования якорной реакции

Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.

Способами ее снижения являются:

компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;

настройка сдвига положения коллекторных щеток.

Преимущества генераторов постоянного тока

отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;

работа в экстремальных условиях;

пониженный вес и маленькие габариты.

Принцип работы простейшего генератора переменного тока

Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:

коллекторный узел со щетками для отвода тока.

Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.

За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.

Принцип работы генератора переменного тока

Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.

Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:

коллекторного узла вращающегося ротора;

конфигурации обмоток на роторе.

Простейший генератор переменного тока

Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока

Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.

Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.

Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.

Схема генератора переменного тока

В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.

Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.

Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.

Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.

Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.

На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.

Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.

При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.

Особенности синхронных генераторов

Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.

Функциональная схема синхронного генератора

В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе — электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.

Ротор приводится во вращение от источника механической энергии — приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.

В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.

При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.

Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.

Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.

Принцип создания синусоидальной формы колебания

Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:

1. контактном методе;

2. бесконтактном способе.

В первом случае используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».

Контактная система самовозбуждения синхронного генератора

Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.

При бесконтактном способе отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».

Бесконтактная система самовобуждения синхронного генератора

Разновидностями бесконтактной схемы являются:

1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;

2. автоматизированная схема.

При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем — полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.

У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.

Схема самовозбуждения от обмотки статора

Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:

трансформатора напряжения ТН;

автоматизированного регулятора возбуждения АВР;

трансформатора тока ТТ;

выпрямительного трансформатора ВТ;

тиристорного преобразователя ТП;

блока защиты БЗ.

Схема автоматического самовозбуждения синхронного генератора

Особенности асинхронных генераторов

Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.

При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.

Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:

Асинхронные генераторы могут иметь:

1. независимое возбуждение;

В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором — полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.

Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.

Донат на развитие сайта «Школа для электрика»:

Источник