Трехфазный генератор переменного тока

Генератор переменного тока принцип работы, устройство, назначение генератора

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.

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:

  • 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.

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

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

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

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

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.

Генератор тока переменного

Хорошо известный генератор тока (старое название – «альтернатор») – это агрегат особой конструкции, обеспечивающий получение электрической энергии за счет механической работы, совершаемой при вращении вала. В качестве источника внешнего импульса могут использоваться любые бытовые приводные механизмы, включая традиционный дизель (смотрите расположенное ниже фото), гидравлический привод или ветряной двигатель.

Читайте также:  Что такое эпоксидный грунт для авто

Все основные конструктивные решения генераторов тока переменного направления и величины используют при своей работе один и тот же принцип действия. Он заключается в преобразовании механической работы в электрическую энергию. Рассмотрим особенности превращения энергии вращения в электрическую ЭДС более подробно.

Принцип работы

Для того чтобы понять, как работает генератор переменного тока, сначала следует разобраться с тем, в чем состоит принцип действия преобразователя вращательного движения в электричество. В основе такой трансформации лежит эффект взаимодействия полей вращающегося ротора и неподвижного статора. За счет воздействия создаваемого подвижным ротором поля на неподвижную статорную катушку в ней наводится собственная э/м ЭДС, под воздействием которой в подключенной к выходу нагрузке начинает течь переменный ток.

Суть или общий принцип работы генератора переменного тока удобнее всего пояснить на примере взаимодействия обычной рамки из электропроводящего материала с полем постоянного магнита (рисунок, представляющий простую рамку с током, приводится ниже по тексту). Ее можно рассматривать в качестве простейшего генератора переменного тока.

Отметим, что приведенная на этом рисунке схема может служить моделью генератора переменного тока. При вращении рамки с определенной скоростью внешний магнитный поток через ее площадь будет непрерывно меняться как по направлению, так и по величине. А это, согласно закону эм индукции Фарадея, вызовет появление в ней гармонически меняющейся ЭДС.

Если соорудить на валу рамки что-то вроде токосъемника, изготовленного в виде колец с отводами, такое приспособление позволит снимать с нее наведенное напряжение, под действием которого в активной нагрузке потечет ток синусоидальной формы.

Обратите внимание! Этот пример использования эффекта э/м индукции можно несколько видоизменить, вращая постоянный магнит внутри неподвижной проволоки с током.

В этом случае рамка будет напоминать статор, а вращающийся магнит – высокоскоростной ротор генератора тока. Получаемый в результате этого электромагнитный эффект будет в этом случае тем же самым.

Виды и конструкция генераторов

Типы генераторов

Классический индукционный генератор переменного тока по характеру взаимодействия своей подвижной части и неподвижной статорной катушки подразделяется на следующие типы: синхронный или асинхронный.

Дополнительная информация. Этим агрегаты для получения электрической энергии напоминают такие широко распространенные в электротехнике устройства, какими являются известные каждому электродвигатели.

Напомним всем интересующимся этим вопросом, что при их конструировании применяется абсолютно та же схема, что и при разработке генераторов напряжения. Отличие состоит лишь в том, что в случае с генератором задействована обратная последовательность преобразования (используется принцип обратимости).

И те, и другие электрические машины представлены механизмами синхронного и асинхронного типа, которые, в свою очередь, отличаются отсутствием или наличием такого характерного для всех электрических машин явления, как скольжение ротора.

Основное отличие по этому признаку проявляется в том, что при вращении ротора в асинхронной системе он немного отстает от индуцируемого в катушке магнитного поля (как бы «скользит» вдоль нее).

В отличие от рассмотренного случая, синхронный двигатель при своей работе не обнаруживает эффекта скольжения, что объясняется особенностями конструктивного исполнения. В равной мере это касается и его аналога, представляющего синхронный генератор.

Особенности конструкции

Для того чтобы разобраться с тем, из чего состоит генератор, достаточно внимательно изучить его устройство, представленное на приведенной ниже фотографии.

Из размещенного выше рисунка видно, как устроен сам генератор, и что в его состав входят следующие узлы:

  • Корпус с передней и задней крышками и подшипниковой парой;
  • Статор и ротор электрогенератора;
  • Электронный регулятор с блоком выпрямительных диодов;
  • Набор контактных колец.

Основные части генератора (статор и ротор) монтируются в корпусе с обязательной их центровкой, исключающей возможность появления так называемых «биений».

Трехфазные генераторы

Во всех приведенных выше материалах рассматривался простейший однофазный генератор переменной ЭДС (точнее описывающая его работу модель). В реальной жизни в основном применяются генераторы трехфазного тока, характерным признаком которых является наличие в статоре трех отдельных обмоток, устанавливаемых с пространственным смещением на 120 градусов.

Применение такого способа их взаимного расположения приводит к определенному порядку чередования фаз. В этом случае при вращении ротора в обмотках катушек наводятся электрические сигналы, смещенные на те же 120 градусов, что соответствует стандарту трехфазного генератора.

Важно! Для подключения обмоток к внешней нагрузке, как правило, используется схема «звезда» (смотрите рисунок ниже).

В отдельных случаях, связанных с особенностями подключения потребителя, может применяться другая схема, известная как «треугольник». Независимо от выбранного способа включения обмоток, для передачи электроэнергии потребителю прокладываются три фазных провода и один нулевой.

Классический трехфазный генератор любого типа хорошо вписывается в системы энергообеспечения различных объектов с включенным в качестве нагрузки силовым электрооборудованием (как в электростанциях).

Автогенераторы

Устройство генератора переменного тока позволяет использовать его даже в тех случаях, когда к системе предъявляются достаточно жесткие требования. Так, он широко применяется в качестве автомобильного генератора, полная схема которого приводится на расположенном ниже рисунке.

Эти виды механизмов, как правило, содержат в своем составе следующие обязательные узлы:

  • Несущий корпус;
  • Обмотки статора и ротора;
  • Встроенный регулятор напряжения;
  • Модуль силовых (выпрямительных) диодов.

Устройство автомобильного генератора обеспечивает поддержание выходного напряжения, используемого для питания бортовой аппаратуры, на стабильном уровне. Его выпрямительный модуль гарантирует получение постоянного напряжения, поступающего не только для питания автомобильных приборов, но и для подзарядки аккумулятора.

Любой автогенератор начинает работать сразу же после запуска стартера и начала вращения вала двигателя. После срабатывания электронного реле-регулятора на него переключается вся сетевая нагрузка.

Читайте также:  Как притереть клапана двигателя 4 проверенных способа притирки видео 1

Таким образом, по своему устройству и принципу работы генераторы переменного тока для автомобиля, имеющие заданную электрическую мощность, во многом схожи с рассмотренными ранее преобразовательными устройствами. По техническим характеристикам и порядку обслуживания они ничем не отличаются от обычного индукционного генератора.

Единственным и очень важным их преимуществом, по сравнению с типовыми электрическими машинами, является возможность получения постоянного тока, выпрямляемого системой из нескольких диодов.

В заключительной части обзора следует сказать, что принцип работы генераторных устройств (взаимодействие эм полей) широко применяется в самых различных сферах промышленного производства. В соответствии с ним, работают большинство специальных измерительных устройств и многие другие полезные приборы. Так что Максвелл сделал поистине «царский» подарок человечеству, открыв своевременно эффект электромагнитной индукции.

Если бы в мире не было генераторов переменного тока, человечество вряд ли добилось тех технических успехов, которыми оно без оглядки пользуется в настоящее время.

Видео

Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Электрический генератор тока – это устройство, предназначенное для превращения неэлектрических видов энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. При этом его конструкция базируется на использовании принципа электроманитной индукции.

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Электромагнитная индукция – это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.

В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.

Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

  • В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
  • В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная – статором.

Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.

В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.

Электрогенераторы переменного тока

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

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

По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:

  • с независимым возбуждением – обмотка возбуждения запитывается постоянным током от независимого источника электропитания;
  • с самовозбуждением – в обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
  • с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
  • с возбуждением от возбудителя – маломощного генератора постоянного тока, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.

По количеству фаз электрогенераторы бывают:

  • однофазные;
  • двухфазные;
  • трехфазные.

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

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

Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением в 120° относительно друг друга. При этом каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, которая способна подавать переменное напряжение потребителю R. Такая единичная обмотка и получила название «фаза». Фазные обмотки могут соединяться между собой «треугольником» или «звездой».

Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система «Тесла» или соединение «Славянка» (сочетание шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника), однако широкого распространения они не получили.

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

Читайте также:  Полноприводные автомобили до 400 тысяч рублей БУ и новые - какой выбрать

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

Синхронные электрогенераторы

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

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

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

  • обмотка возбуждения;
  • регулировочный реостат.

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

Асинхронные электрогенераторы

Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между частотами вращения ротора и индуцированной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «скольжением». Между ротором и статором асинхронного генератора имеется воздушный зазор. При этом на частоту вырабатываемой ЭДС влияет тормозной момент, возникающий при подключении нагрузки и препятствующий вращению ротора. Поэтому электроэнергия в асинхронных электрогенераторах вырабатывается при увеличенной скорости прокручивания ротора.

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

Инверторные генераторы

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

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

Привод генераторов переменного тока

В бытовых условиях ротор генератора приводят в действие при помощи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом эксплуатационный ресурс бензиновых генераторов, оснащенных двухтактными ДВС составляет порядка 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактными ДВС достигает 5000 часов в год.

Использовать бензиновые электрогенераторы целесообразно при непродолжительных отключениях электричества и/или для выезда на природу.

Генераторы, работающие на дизельном топливе, отличаются большой мощностью и значительно долговечнее бензиновых. Среди них встречаются модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется применять в тех местах, где электричество отключают часто и надолго.

Пользоваться такими бытовыми устройствами предельно просто – нужно залить топливо в бак, поворотом ключа запустить двигатель и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.

Дизельные электрогенераторы с жидкостным охлаждением – это устройства совсем другой категории. Они способны работать сутками и используются в основном на предприятиях в качестве источников резервного питания.

Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), работают за счет активации гидравлических или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединяется непосредственно с колесом турбины.

Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100000 кВт) и способны генерировать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора может достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения последнего находится в диапазоне 1500…3000 об/мин. Устанавливают такие агрегаты в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector