Применение генератора переменного тока. Принцип действия генератора

Содержание:

Когда люди присмотрелись к возможностям электричества, сразу начали придумывать, как бы серьезно поставить на службу эту интересную энергию. И появилась целая гамма приборов, устройств, установок, способных создавать на двух металлических концах электрическое напряжение. К концам сразу же прикрутили два болтика и начали подвешивать к ним все, что вызывало теперь массу интересных эффектов. Устройства эти в целом назвали источниками электроэнергии, или генераторами. А то, что к ним подключалось - электрической цепью. А по мере роста цепей и занятия ими все более значимого и постоянного места в человеческой жизни, их стали называть уже электрическими сетями.

Именно генераторы создали всю нашу электроиндустрию. Чем принцип работы генератора переменного тока отличается от принципов работы первых источников? Некой надежностью и постоянством, происходящими от надежности и всеобщей доступности той энергии, из которой они вырабатывают электричество. Это механическое движение. А у нас мир весь полон движения. И вполне естественно было заставить роторы крутиться, а движение для этого брать из чего-то еще. Из тепла. Сгорает топливо, ротор крутится - генератор тока работает.

Первоначальный источник же был продуктом первых экспериментов. Химия (аккумуляторы), электризация (электрофорные машины) - все это как-то слабо. Потому что непропорционально дорого, сравнительно с количеством энергии, которое потребовали сети. Сначала осветительные, а потом почти сразу трамвайные. Вот трамвай и толкнул генераторы тока вперед в развитии.

Трамвайная линия - это то, где электроэнергия сама производит движение. Плюсом такого подхода оказалась очень удобная подача такого «топлива» на большие довольно расстояния. И очень органично вписалась в затраты по изготовлению самой трамвайной линии. Когда кладут железные пути, что уж там не проложить вдоль них еще и проволоку, подводящую ток к трамваям, которые могут теперь находиться на линии в любом месте и с одинаковой легкостью получать эту энергию.

Преобразование оказалось симметричным: устройство генератора переменного тока практически такое же, как и у двигателя. Только у генератора назначение - вырабатывать электричество, вращая ротор, а у другого электроэнергия крутит почти такой же ротор, а уже он - колеса трамвая.

О такой передаче энергии механики прошлых веков только мечтали. Ведь когда-то с помощью водяного колеса вращали валы обрабатывающих станков в целых цехах. А энергию механическую передавали тоже механически: с помощью валов, шкивов, ремней, шестеренок… Тут же всего-то - два проводочка. А в случае с трамваями вообще один. Второй - сами рельсы.

Ток переменный и ток постоянный

Сначала открыли электрический ток, когда увидели, что он, себя проявляя, действует. Потом только обнаружили, что ток бывает постоянный, но может быть и переменным.

Собственно говоря, генерация тока всегда и происходит от изменения магнитного поля, проходящего через обмотку. И напряжение, которое при этом возникает, просто обязано быть переменным. Потому что технически просто немыслимо заставить магнитное поле изменяться строго равномерно. Источники тока, полученные другим путем, основывались на стационарных процессах (или квазистационарных - учитывая разряд аккумуляторов), поэтому они и давали исключительно постоянный ток. Когда изобрели телеграф - наверное, первое электрическое изобретение, толкнувшее к созданию масштабных электрических линий, - этот самый ток в них был постоянным, хотя и прерывистым. Постоянный ток не очень высокого напряжения дает в передаче на дальние расстояния огромные потери от сопротивления в проводниках. С этим столкнулся уже Самюэль Морзе, когда протягивал свою первую телеграфную линию в 1844 году от Балтимора до Вашингтона. Они с другом сумели с этим справиться, используя «активное усиление» сигнала с помощью реле.

Трамвайные линии, как известно, поначалу унаследовали эту традицию - питаться постоянным электрическим током, хотя конструкция из магнитов и вращающихся в их поле проводников, будучи использована в качестве генератора, легче и проще производит именно переменный ток.

Назначение генератора - выработка напряжения, постоянного и переменного, отсюда его устройство и принцип работы.

А типы вырабатываемого напряжения и определили строение и принцип действия генераторов.

Поэтому и различаются генераторы типами - генератор постоянного тока и генератор переменного тока.

В генераторах постоянного тока этого постоянства достигают конструкционными ухищрениями: путем создания определенной конфигурации магнитного поля, путем увеличения количества якорных рамок в роторе, в которых наводится разность потенциалов и снятие его с них с помощью многоконтактного коллектора, путем организации особых режимов тока возбуждения на специальных обмотках возбуждения, установленных на магнитах статора, и т.д.

Но, оказалось, проще добиться того же эффекта другим путем: индукционный генератор переменного тока напряжение вырабатывает, а потом оно «выпрямляется» обычной схемой диодного выпрямителя. Что и делает, например, генератор автомобиля.

Принцип работы устройства

Генератор переменного тока - это механико-индукционная машина, создающая переменное электрическое напряжение на своих выходных контактах в ответ на вращение своей подвижной части посторонней силой.

Подвижная часть генератора (или альтернатора) называется ротором, неподвижная - статором.

Две части генератора производят следующее: одна из них создает магнитное поле, а вторая часть содержит проводники, расположенные так, что при изменении относительно них этого магнитного поля (назовем его генерирующим), на их противоположных концах возникает разность потенциалов. Она снимается и переправляется с этих проводников на выходные контакты.

Виды генераторов переменного тока

Отсюда возможны два варианта конструкций генератора переменного тока, в которых:

генерирующее магнитное поле создается в статоре и неподвижно;
генерирующее магнитное поле создается в роторе и вращается вместе с ним.

В любом случае напряжение, возникающее в результате генерации, нужно снимать не с той части генератора, где создается магнитное поле, а с противоположной.

Первоначально - начиная с опытов по вращению рамки из проводника в неподвижном магнитном поле - ротор и служил для наведения в его обмотках (или рамках) электрической индукции, порождавшей движение электронов к разным концам этих проводников, отчего и возникало напряжение.

Видимо, это связано с тем, что магниты выбирали побольше и потяжелее, дабы создавать сильное поле с большим градиентом, а рамочки с током были совсем легкие. Но теперь и ротор, и статор - это точно пригнанные друг к другу массивные части. Напряжение с вращающегося ротора (или якоря) необходимо снять с помощью специального механизма и отправить на неподвижные выходные контакты. Такой механизм называется коллектором (от лат. «сборщик»), в нем неподвижные подпружиненные щетки, «протянутые» от статора, плотно прижимаются к вращающимся вместе с ротором контактам.

Быть может, конструктивно это самая узкая часть электродвигателей и генераторов. Она требует специального исполнения, при вращении детали ее стираются, от плохих контактов - при стертых пластинах контактов, или промежутков между ними, или стертых щетках (которые изготовляются обычно из графита - а от него токопроводящая пыль) - начинается искрение при вращении, и это никому не нравится.

Поэтому самым удобным вариантом генераторов переменного тока является второй. Это когда магнитное поле вращается ротором, а напряжение возникает в неподвижном статоре. И его не надо снимать никаким замысловатым образом.

Однофазные и многофазные

Принцип работы

Магнитное поле можно гонять (изменять, вращать) над одной системой проводников (имеющих два полюса) или над несколькими.

Из рисунка понятно, как устроен простейший генератор переменного тока. Из чего состоит генератор? Основные части - ротор и статор. Мы видим, что ротор с установленным в нем магнитом N–S вращается. При этом полюса магнита, то N, то S, попеременно совсем близко от катушек с обмотками. Обмотки последовательно соединяются друг с другом и потом с выходными контактами. Направление и поток магнитного поля, проходящий через обмотки, при вращении изменяется. От чего и возникает переменное напряжение на выходных контактах с частотой f вращения ротора. Происходит генерирование напряжения, а при подключении к контактам нагрузки возникает переменный ток частоты f.

Схема эта - наипростейшая. Она только чуть сложнее, чем те рамочки, которые крутили когда-то в поле двух магнитов. Только теперь, наоборот, магнит, установленный на роторе, вращается, а неподвижные катушки дают напряжение.

Напряжение получается синусоидальным, достигает максимума и минимума, когда около катушек проходят полюса магнита - около них поток магнитного поля наиболее плотен, и поэтому происходит самое быстрое изменение поля. И на контактах в это время будет наведено максимальное по величине напряжение U, или - U . Когда же ротор повернется так, что магнит будет проходить горизонтальное положение, выходное напряжение будет пересекать нулевое значение.

Трехфазный генератор переменного тока

Однако мы видим, что в этой простой электрической машине еще очень много свободного места. Что ж, можно по периметру статора поставить не одну пару, а несколько пар катушек. Но придется тогда от каждой пары катушек отводить отдельные контакты для напряжений, чтобы напряжения разных пар не гасили друг друга. Получится как бы несколько генераторов в одном, каждый из них будет давать синусоидальное напряжение, но так как катушки повернуты относительно друг друга, и синусоиды будут сдвинуты ровно на такой угол, на какой сдвинуты пары катушек относительно нашей первоначальной.

Катушки распределены по периметру статора равномерно, то есть друг от друга отстоят на угол 120⁰. Точно такой сдвиг фаз получается и у напряжений. Напряжение U1 с нулевым сдвигом (это наша первая пара катушек), напряжение U2 - 120⁰ и напряжение U3 - 240⁰.

Такое напряжение называется трехфазным. Его возможно передавать с помощью единой системы проводов - три провода по одной на каждую фазу, а ноль всех трех объединяется в один. Это можно сделать двумя способами: соединив обмотки катушек по типу «треугольник» или «звезда».

Можно придумать и другие схемы генерации переменного напряжения, например, установив не три пары катушек, а только две. Тогда разница фаз между ними получится в 90⁰.

Применение нашла именно трехфазная система генерации.

При потреблении трехфазного напряжения часто выделяют отдельные фазы и раздают их разным потребителям. Когда потребителей много, то случайным образом «раздавать» фазы можно - в среднем обычно получается одинаковая нагрузка на все фазы. Но это должно отслеживаться. Потому что если потребление по разным фазам сильно отличается или оно очень неравномерно себя ведет во времени, наступает такое явление, как «перекос фаз». Напряжение по разным фазам начинает отличаться. А это ведет к очень многим плохим последствиям: перерасходу электроэнергии, выходу из строя трансформаторов, электроприборов, двигателей. На электростанции - к падению КПД генераторов (они начнут как бы «хромать») и даже выходу из строя генераторов электроэнергии. Чтобы минимизировать такого рода ущерб, нулевой провод обычно хорошо заземляют, но и следить должны энергетики за таким неприятным явлением.

Возбуждение генератора

Реальный генератор отличается от тут нарисованного еще и тем, что в качестве источника магнитного поля использовать постоянные магниты - занятие бесполезное. Магнитное поле в промышленной установке должно быть строго определенной и строго выдерживаемой напряженности. А как добиться строго одинаковой напряженности магнитов на разных фазах в трехфазном генераторе переменного тока? Иначе и напряжения на них будут разные, и будут фазы «вечно хромающими». Поэтому на роторе вместо магнитов используют электромагниты с сердечниками. К ним подводится постоянное напряжение, и они во время работы генератора возбуждают электромагнитное поле строго заданной интенсивности. Постоянное напряжение подается от независимого источника - это может быть аккумулятор или другой источник постоянного тока. Тут опять проблема: или взгромоздить на ротор еще и аккумулятор для питания катушек возбуждения, или снова заморачиваться с коллекторами для передачи напряжения возбуждения. Решение можно назвать соломоновым: сделать на одном роторе как бы сразу два генератора, только второй питает током обмотки возбуждения первого. А в статоре, соответственно, добавляются еще электромагниты для возбуждения магнитного поля в этом втором генераторе, ток от которого используется только в самом роторе, следовательно, снаружи никому и не нужен. И не надо городить никаких коллекторов для его съема. Такая конструкция стала называться «бесщеточный синхронный генератор переменного тока».

Синхронным он называется потому, что оба источника - и генератор тока возбуждения, и генератор-устройство, дающее конечный результат - напряжение на выходе, работают одновременно на одном и том же роторе.

С помощью тока возбуждения можно влиять на напряжение, которое дает генератор-устройство: при увеличении тока возбуждения соответственно усиливается и магнитное поле, возбуждаемое ротором, отчего главные обмотки генератора и будут вырабатывать переменное напряжение более высокой амплитуды.

Этим пользуются для регулировки напряжения, так как скорость вращения ротора менять нельзя, иначе изменится и частота, а она задана жестко техническими характеристиками всей нашей сети электроэнергии.

Наша энергосистема вырабатывает напряжение частотой строго 50 Гц, ее и производят генераторы электростанций - все они вращают свои роторы со скоростью, кратной 50 Гц. А конструкция ротора выводит напряжение, изменяющееся 50 раз в секунду.

Однако во многих случаях, где высокая точность частоты вырабатываемой энергии не критична, используют асинхронные генераторы. Они проще и дешевле синхронных, но дают напряжение с большим разбросом параметров. Это неважно там, где оно последующими схемами все равно будет преобразовано в постоянное.

Электрический ток является основным видом энергии, совершающим полезную работу во всех сферах человеческой жизни. Он приводит в движение разные механизмы, дает свет, обогревает дома и оживляет целое множество устройств, которые обеспечивают наше комфортное существование на планете. Поистине, этот вид энергии универсален. Из нее можно получить все что угодно, и даже большие разрушения при неумелом использовании.

Но было время, когда электрические эффекты все так же присутствовали в природе, но никак не помогали человеку. Что же изменилось с тех пор? Люди стали изучать физические явления и придумали интересные машины - преобразователи, которые, в общем, и сделали революционный скачок нашей цивилизации, позволив человеку получать одну энергию из другой.

Так люди научились вырабатывать электричество из обычного металла, магнитов и механического движения - только и всего. Были построены генераторы, способные выдавать колоссальные по мощности потоки энергии, исчисляемые мегаваттами. Но интересно, что принцип действия этих машин не так уж сложен и вполне может быть понятен даже подростку. Что же такое Попробуем разобраться в этом вопросе.

Эффект электромагнитной индукции

Основой появления в проводнике электрического тока является электродвижущая сила - ЭДС. Она способна заставить перемещаться заряженные частицы, которых много в любом металле. Эта сила появляется только в случае, если проводник испытывает на себе изменение интенсивности магнитного поля. Сам эффект получил название электромагнитной индукции. ЭДС тем больше, чем больше скорость изменения потока магнитных волн. То есть, можно возле постоянного магнита перемещать проводник, или на неподвижный провод влиять полем электромагнита, меняя его силу, эффект будет один и тот же - в проводнике появится электрический ток.

Над этим вопросом в первой половине XIX века работали ученые Эрстед и Фарадей. Они же и открыли это физическое явление. В последствии на основе электромагнитной индукции были созданы генераторы тока и электродвигатели. Интересно, что эти машины легко могут быть преобразованы друг в друга.

Как работают генераторы постоянного и переменного тока

Понятно, что генератор электрического тока - это электромеханическая машина, вырабатывающая ток. Но на самом деле она есть преобразователь энергии: ветра, воды, тепла, чего угодно в ЭДС, которая уже вызывает ток в проводнике. Устройство любого генератора принципиально ничем не отличается от замкнутого проводящего контура, который вращается между полюсами магнита, как в первых опытах ученых. Только намного больше величина магнитного потока, создаваемого мощными постоянными или чаще электрическими магнитами. Замкнутый контур имеет вид многовитковой обмотки, которых в современном генераторе не одна, а минимум три. Все это сделано для того, чтобы получить как можно большую ЭДС.

Стандартный электрический генератор переменного тока (или постоянного) состоит из:

Корпуса . Выполняет функцию рамы, внутри которой крепят статор с полюсами электромагнита. В нем установлены подшипники качения роторного вала. Его изготавливают из металла, он также защищает всю внутреннюю начинку машины.
Статора с магнитными полюсами. На нем закреплена обмотка возбуждения магнитного потока. Его выполняют из ферромагнитной стали.
Ротора или якоря. Это подвижная часть генератора, вал которой приводит во вращательное движение посторонняя сила. На сердечнике якоря располагают обмотку самовозбуждения, где и образуется электрический ток.
Узла коммутации. Этот элемент конструкции служит для отведения электричества с подвижного вала ротора. Он включает в себя проводящие кольца, которые подвижно соединены с графитовыми токосъемными контактами.

Создание постоянного тока

В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.

Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.

Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.

Схема генератора переменного тока

Когда происходит вращение подвижной части генерирующего ток устройства, в проводниках рамки также наводится ЭДС, как и в генераторе постоянного тока. Но небольшая особенность - генератор переменного тока устройство коллекторного узла имеет другое. В нем каждый вывод соединен со своим токопроводящим кольцом.

Принцип работы генератора переменного тока следующий: когда половина обмотки проходит возле одного полюса (другая, соответственно, возле противоположного полюса), в цепи движется ток в одном направлении от минимума к наивысшему своему значению и снова к нулю. Как только обмотки меняют свое положение относительно полюсов, ток начинает свое движение в обратном направлении с той же закономерностью.

При этом на входе схемы получается форма сигнала в виде синусоиды с частотой полуволн, соответствующей периоду вращения вала ротора. Для того, чтобы получить на выходе стабильный сигнал, где частота генератора переменного тока постоянна, период вращения механической части должен быть неизменным.

газового типа

Конструкции генераторов тока, где вместо металлической рамки как носитель зарядов используют токопроводящую плазму, жидкость или газ, получили название МГД-генераторов. Вещества под давлением прогоняют в поле магнитной напряженности. Под воздействием все той же ЭДС индукции заряженные частицы обретают направленное движение, создавая электрический ток. Величина тока прямо пропорциональна скорости прохождения через магнитный поток, а также его мощности.

Генераторы МГД имеют более простое конструктивное решение - в них отсутствует механизм вращения ротора. Такие источники питания способны выдавать большие мощности энергии в короткие промежутки времени. Их применяют в качестве резервных устройств и в условиях экстренных аварийных ситуаций. Коэффициент, определяющий полезное действие (КПД) этих машин выше, чем имеет электрический генератор переменного тока.

Генератор синхронный переменного тока

Существуют такие типы генераторов переменного тока:

Машины синхронные.
Машины асинхронные.

Синхронный генератор переменного тока имеет строгую физическую зависимость между вращательным движением ротора и электричества. В таких системах ротор - это электромагнит, собранный из сердечников, полюсов и возбуждающих обмоток. Последние запитываются от источника постоянного тока посредством щеток и кольцевых контактов. Статор же представляет собой катушки провода, соединенные между собой по принципу звезды с общей точкой - нолем. В них уже наводится ЭДС и вырабатывается ток.

Вал ротора приводится в движение посторонней силой, обычно турбинами, частота движения которых синхронизирована и постоянна. Электрическая цепь, подключаемая к такому генератору, представляет собой трехфазную схему, частота тока в отдельной линии которой смещена на фазу в 120 градусов относительно других линий. Чтобы получить правильную синусоиду, направление магнитного потока в просвете между статорной и роторной частью регулируют конструкцией последних.

Возбуждение генератора переменного тока реализуют двумя методами:

Контактным.
Бесконтактным.

В схеме контактного возбуждения на обмотки электромагнита через щеточную пару подают электроэнергию с другого генератора. Этот генератор может быть совмещен с валом основного. Он, как правило, имеет меньшую мощность, но достаточную, чтобы создать сильное магнитное поле.

Бесконтактный принцип предусматривает, что синхронный генератор переменного тока на валу имеет дополнительные трехфазные обмотки, в которых при вращении наводится ЭДС и вырабатывается электричество. Оно через выпрямляющую схему поступает на катушки возбуждения ротора. Конструктивно в такой системе отсутствуют подвижные контакты, что упрощает систему, делая ее более надежной.

Асинхронный генератор

Существует асинхронный генератор переменного тока. Устройство его отличается от синхронного. В нем нет точной зависимости ЭДС от частоты с которой вал ротора вращается. Присутствует такое понятие как «скольжение S», которое характеризует эту разницу влияния. Величина скольжения определяется вычислением, так что неправильно думать, будто бы нет закономерности электромеханического процесса в асинхронном двигателе.

Если генератор, работающий вхолостую, нагрузить, то протекающий в обмотках ток будет создавать магнитный поток, препятствующий вращению ротора с заданной частотой. Так образуется скольжение, что, естественно, влияет на выработку ЭДС.

Современный асинхронный генератор переменного тока устройство подвижной части имеет в трех разных исполнениях:

Полый ротор.
Короткозамкнутый ротор.
Фазный ротор.

Такие машины могут иметь само- и независимое возбуждение. Первая схема реализуется за счет включения в обмотку конденсаторов и полупроводниковых преобразователей. Возбуждение независимого типа создается дополнительным источником переменного тока.

Схемы включения генераторов

Все мощные источники питания линий электропередач вырабатывают трехфазный электрический ток. Они содержат в себе три обмотки, в которых образуются переменные токи со смещенной друг от друга фазой на 1/3 периода. Если рассматривать каждую отдельную обмотку такого источника питания, то получим однофазный переменный ток, идущий в линию. Напряжение в десятки тысяч вольт может вырабатывать генератор. потребитель получает с распределительного трансформатора.

Любой генератор переменного тока устройство обмоток имеет стандартное, но подключение к нагрузке бывает двух типов:

звездой;
треугольником.

Принцип работы генератора переменного тока, включенного звездой, предполагает объединение всех проводов (нулевых) в один, которые идут от нагрузки обратно к генератору. Это обусловлено тем, что сигнал (электрический ток) передается в основном через выходящий провод обмотки (линейный), который и называют фазой. На практике это очень удобно, ведь не нужно тянуть три дополнительных провода для подключения потребителя. Напряжение между линейными проводами и линейным и нулевым проводом будут отличаться.

Соединяя треугольником обмотки генератора, их замыкают друг с другом последовательно в один контур. Из точек их соединения выводят линии к потребителю. Тогда вообще не нужен нулевой провод, а напряжение на каждой линии будет одинаковым независимо от нагрузки.

Преимуществом трехфазного тока перед однофазным является его меньшая пульсация при выпрямлении. Это положительно сказывается на питаемых приборах, особенно двигателях постоянного напряжения. Также трехфазный ток создает вращающийся поток магнитного поля, который способен приводить в движение мощные асинхронные двигатели.

Где применимы генераторы постоянного и переменного тока

Генераторы постоянного тока значительно меньше по размерам и массе, чем машины переменного напряжения. Имея более сложное конструктивное исполнение чем последние, они все же нашли применение во многих отраслях промышленности.

Основное распространение они получили в качестве высокооборотных приводов в машинах, где требуется регулирование частоты вращения, например, в металлообрабатывающих механизмах, подъемниках шахт, прокатных станах. В транспорте такие генераторы установлены на тепловозах, различных судах. Множество моделей ветрогенераторов собраны на базе источников постоянного напряжения.

Генераторы постоянного тока специального назначения применяют в сварке, для возбуждения обмоток генераторов синхронного типа, в качестве усилителей постоянного тока, для питания гальванических и электролизных установок.

Назначение генератора переменного тока - вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Такой вид энергии подарил человечеству Никола Тесла. Почему именно изменяющий полярность ток, а не постоянный нашел широкое применение? Это связано с тем, что при передаче постоянного напряжения идут большие потери в проводах. И чем длиннее провод, тем потери выше. Переменное напряжение можно транспортировать на огромные расстояния при гораздо меньших затратах. Причем легко можно преобразовывать переменное напряжение (понижая и повышая его), который выработал генератор 220 В.

Заключение

Человек до конца не познал который пронизывает все вокруг. И электрическая энергия - это лишь малая часть открытых тайн мироздания. Машины, которые мы называем генераторами энергии, по сути очень просты, но то, что они могут нам дать, просто поражает воображение. Все же настоящее чудо здесь не в технике, а в мысли человека, которая смогла проникнуть в неисчерпаемый резервуар идей, разлитых в пространстве!

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии - в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: , когда при пересечении линиями магнитного поля проводника - в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» - униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить .

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p - число пар магнитных плюсов ротора, n - количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах , которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Андрей Повный

Автономные генераторы зачастую бывают незаменимыми, и полный список их возможных применений будет очень длинным — от обеспечения электроэнергией пляжной вечеринки на выходных до постоянной работы у частного здания. Широкий спектр выполняемых работ породил большое количество типов автономных генераторов, отличающихся как конструктивно, так и по характеристикам. Общим же у них является принцип действия — двигатель внутреннего сгорания того или иного типа вращает вал электрогенератора, преобразуя механическую энергию в электрическую .

Бытовой генератор — это, как правило, переносной агрегат с бензиновым двигателем, не предназначенный для длительной работы, имеющий мощность в несколько кВА.
Профессиональные генераторы имеют повышенные мощность и время беспрерывной работы, а для большей топливной экономичности и увеличения ресурса на них, как правило, устанавливаются двигатели. При этом, если бытовые электрогенераторы вырабатывают ток напряжением 220 В, то профессиональные генераторы в подавляющем большинстве , рассчитанные на 380 В выходного напряжения. Большие габариты и масса заставляют либо размещать мощные генераторы на колесном шасси, либо делать их стационарными.

Итак, в этой классификации мы уже обнаружили ряд конструктивных различий. Рассмотрим их по порядку.

Как известно, бензиновый двигатель может работать как . При этом низкая экономичность и ограниченный ресурс делает двухтактные двигатели не самым лучшим выбором для привода электрогенератора, хотя они и проще в конструкции, а значит — дешевле и легче.

Четырехтактный же двигатель, хотя он сложнее и дороже , расходует значительно меньше топлива и способен проработать гораздо больше . Поэтому генераторы мощностью до 10 кВА, как правило, оснащаются двигателями именно такого типа.

Двигатели бытовых бензогенераторов не предназначены для длительной беспрерывной эксплуатации . Превышение времени работы, указанного в инструкции по эксплуатации (как правило, не более 5-7 часов), сократит ресурс мотора.

Однако же, даже самые совершенные бензиновые двигатели имеют ограниченный ресурс : при должном уходе они проработают 3-4 тысячи моточасов. Много это или мало? При эпизодическом использовании на выезде, например, для подключения электроинструмента — это достаточно большой ресурс, а вот постоянно запитывать частный дом от бензогенератора значит ежегодно перебирать его двигатель.

Значительно больший ресурс имеют силовые агрегаты, кроме того, они выгоднее при длительной эксплуатации за счет большей экономичности. По этой причине все мощные генераторные установки, как переносные, так и стационарные, используют дизельные моторы.

Для таких агрегатов ряд недостатков дизельных моторов по сравнению с бензиновыми (дороговизна, больший вес и шумность) не являются принципиальными, определенное неудобство есть лишь при запуске дизельных моторов в холодное время.

При эксплуатации нужно учитывать, что длительная работа на холостом ходу без нагрузки для них вредна : нарушается полнота сгорания топлива, что приводит к повышенному образованию сажи, забивающей выпуск, и разжижению моторного масла просачивающимся через поршневые кольца дизельным топливом. Поэтому в список регламентных работ для дизельных электростанций обязательно включается периодический вывод их на полную мощность.

Кроме того, существуют и генераторы, работающие . Конструктивно они ничем не отличаются от бензиновых , кроме системы питания: вместо карбюратора они оснащены редуктором для регулирования давления газа и калиброванной форсункой, подающей газ во впускной коллектор. При этом такие генераторы в качестве источника топлива могут использовать не только баллон со сжиженным газом, но и газовую сеть — в этом случае расходы на топливо становятся минимальными. Недостатком подобных генераторов является низкая мобильность (газовый баллон габаритнее и тяжелее бензобака, который, к тому же, можно дозаправлять прямо на месте), а также повышенная пожароопасность, особенно при неграмотной эксплуатации. Однако в качестве источника в доме, подключенном к газовой магистрали, это неплохой вариант: нет необходимости заботиться о поддержании уровня и качества топлива в бензобаке, а ресурс двигателя при работе на газу выше, чем при работе на бензине.

Электричество не является первичной энергией, свободно присутствующей в природе в значительных количествах, и для использования его в промышленности и быту оно должно быть произведено. Большую его часть создают устройства, преобразующие движущую силу в электрический ток - так работают генераторы, источниками механической энергии для которых могут служить паровые и водяные турбины, ДВС и даже мускульная сила человека.

История и эволюция

Открытие Майклом Фарадеем в 1831 г. законов электромагнитной индукции стало основой для построения электрических машин. Но до появления электрического освещения не было необходимости в коммерческой реализации технологии. В ранних потребителях электроэнергии, например, в телеграфе, как источник питания использовались гальванические батареи. Это был очень дорогой способ производства электричества.

В конце XIX века многие изобретатели искали применение принципу индукции Фарадея для выработки электроэнергии механическим способом. Одними из важных достижений были разработка динамо Вернером фон Сименсом и производство Ипполитом Фонтеном рабочих моделей генераторов Теофила Грамма. Первые устройства использовались вместе с приборами наружного дугового освещения, известными как свечи Яблочкова.

На смену им пришла весьма успешная система Томаса Эдисона на лампах накаливания. В основе его коммерческих электростанций были мощные генераторы, но схема, построенная на производстве постоянного тока, была плохо приспособлена для распределения питания на большие расстояния из-за внушительных теплопотерь.

Никола Тесла разработал усовершенствованный генератор переменного тока, а также практичный асинхронный двигатель. Эти электрические машины наряду с трансформаторами для повышения и понижения напряжения дали основу для создания электрокомпаниями более крупных сетей распределения с использованием мощных электростанций. В больших энергетических системах переменного тока затраты на генерацию и транспортировку были в несколько раз ниже, чем в схеме Эдисона, что стимулировало спрос на электроэнергию и, как следствие, дальнейшую эволюцию электрических машин. Основными датами в истории генераторов можно считать:

Принцип работы

Генераторы, работающие на принципе электромагнитной индукции, не создают электричества. Они с помощью механической энергии лишь приводят в движение электрические заряды, которые всегда присутствуют в проводниках. Принцип работы электрогенератора можно сравнить с водяным насосом, вызывающим поток воды, но не создающим воду в трубах. Подавляющее большинство индукционных генераторов представляет собой электрические машины вращательного типа , состоящие из двух основных компонентов:

статор (неподвижная часть);
ротор (вращающаяся часть).

Для иллюстрации того, как работает электрогенератор, может служить простейшая электрическая машина, состоящая из витка проволоки и U-образного магнита. Основные принципиальные элементы этой модели:

магнитное поле;
движение проводника в магнитном поле.

Магнитным полем называется область вокруг магнита, где его сила ощутима. Чтобы лучше понимать работу модели, можно представить силовые линии, выходящие с северного полюса магнита и возвращающиеся в южный. Чем сильнее магнит, тем большее количество силовых линий он создаёт. Если виток начать вращать между полюсами, то обе его стороны начнут пересекать воображаемые магнитные линии. Это вызывает движение электронов в проводнике (генерацию электричества).

В соответствии с правилом правой руки при вращении витка в нём будет индуцироваться ток, изменяющий своё направление через каждые пол-оборота, так как силовые линии сторонами витка будут пересекаться то в одном, то в другом направлении. Дважды за каждый оборот виток проходит через положения (параллельно полюсам), при которых электромагнитная индукция не возникает. Таким образом, простейший генератор работает как электрическая машина, производящая переменный ток. Создаваемое им напряжение может быть изменено за счёт:

силы магнитного поля;
скорости вращения витка;
количества витков провода, пересекающих силовые линии магнитного поля.

Виток проводника, проворачивающийся между полюсами магнита, создаёт ещё один важный эффект. Когда в витке протекает ток, он создаёт электромагнитное поле, обратное полю постоянного магнита. И чем больше электричества индуцируется в витке, тем сильнее магнитное поле и сопротивление проворачиванию проводника. Эта же магнитная сила в витках вызывает вращение ротора электромотора, то есть при определённых условиях генераторы могут работать как двигатели и наоборот.

Особенности генераторов AC

Переменный ток (AC) производит описанный простейший генератор. Для того чтобы созданное электричество можно было использовать, его нужно каким-то образом доставить к нагрузке. Это осуществимо при помощи контактного узла на валу, состоящего из вращающихся колец и скользящих по ним фиксированных деталей из углерода, называемых щётками. Каждый конец вращающегося проводника соединён с соответствующим кольцом, и ток, таким образом создаваемый в витке, проходит через кольца и щётки к нагрузке.

Строение промышленных машин

Практические генераторы отличаются от простейших. Обычно они снабжены возбудителем - вспомогательным генератором, подающим постоянный ток электромагнитам, используемым для создания магнитного поля в генераторе.

Вместо витка в простейшей модели практические устройства оснащают обмотками из медной проволоки, а роль магнита выполняют катушки на железных сердечниках. В большинстве генераторов переменного тока электромагниты, создающие переменное поле, размещаются на роторе, а электроэнергия индуцируется в катушках статора.

В подобных устройствах коллектор используется для переноса постоянного тока от возбудителя на магниты. Это значительно упрощает конструкцию, так как удобнее передавать через щётки слабые токи и принимать высокое напряжение с неподвижных обмоток статора.

Применение в сетях

В некоторых машинах количество секций обмоток совпадает с количеством электромагнитов. Но большинство генераторов AC оснащено тремя наборами катушек для каждого полюса. Такие машины производят три потока электричества и называются трёхфазными. Их удельная мощность значительно выше, чем у однофазных.

На электростанциях в качестве преобразователей механической энергии в электрическую служат генераторы AC. Это связано с тем, что напряжение переменного тока легко увеличить или уменьшить с помощью трансформатора. В крупных генераторах производится напряжение около 20 тыс. вольт. Затем оно повышается более чем на порядок для возможности транспортировки электричества на большие расстояния. В месте применения электроэнергии с помощью серии понижающих трансформаторов создаётся напряжение, пригодное для использования.

Устройство динамо-машин

Виток провода, вращающийся между полюсами магнита, за каждый оборот дважды меняет полюса на концах проводника. Чтобы превратить простейшую модель в генератор постоянного тока, необходимо сделать две вещи:

отвести ток с витка на нагрузку;
организовать протекание отведённого тока только в одном направлении.

Роль коллектора

Устройство, называемое коллектором, способно выполнить обе задачи. Его отличие от контактного щёточного узла в том, что его основу составляет не кольцо из проводника, а набор из сегментов, изолированных друг от друга. Каждый конец вращающегося контура соединён с соответствующим сектором коллектора, а две неподвижные угольные щётки снимают с коммутатора электрический ток.

Коллектор устроен таким образом, что независимо от полярности на концах витка и фазы вращения ротора контактная группа обеспечивает току нужное направление при передаче его на нагрузку. Обмотки в практических динамо состоят из множества сегментов, поэтому для генераторов постоянного тока из-за необходимости их коммутации схема, при которой якорь с индуцируемыми катушками вращается в магнитном поле, оказалась предпочтительнее.

Питание электромагнитов

Классические динамо используют постоянный магнит для индуцирования поля. Остальные генераторы DC нуждаются в питании для электромагнитов. В так называемых раздельно возбуждаемых генераторах для этого используются внешние источники постоянного тока. Самовозбуждающиеся устройства реализуют часть самостоятельно производимого электричества для управления электромагнитами. Запуск таких генераторов после остановки зависит от их возможности накапливать остаточный магнетизм. В зависимости от способа соединения катушек возбуждения с обмотками якоря разделяют:

шунтовые (с параллельным возбуждением);
сериесные (с последовательным возбуждением);
смешанного возбуждения (с комбинацией шунтового и последовательного).

Типы возбуждения применяются в зависимости от требуемого контроля напряжения. Например, генераторы, используемые для зарядки аккумуляторов, нуждаются в простом управлении напряжением. В этом случае подходящим типом будет шунтовой. В качестве машин, генерирующих энергию для пассажирского лифта, применяют отдельно возбуждаемый генератор, так как подобные системы требуют сложного управления.

Применение коллекторных генераторов

Многие генераторы DC приводятся в действие двигателями переменного тока в комбинациях, называемых мотор-генераторными установками. Это один из способов изменения переменного тока на постоянный. Заводы, выполняющие гальванизацию, производящие алюминий, хлор и некоторые другие материалы электрохимическим способом, нуждаются в большом количестве прямого тока.

С помощью дизель-электрогенераторов производится также энергоснабжение DC на локомотивах и судах. Поскольку коллекторы являются сложными и ненадёжными устройствами, зачастую генераторы DC заменяются на машины, производящие AC в сочетании с электронными. Коммутаторные генераторы нашли применение в маломощных сетях, позволяющих использовать динамо на постоянных магнитах без контуров возбуждения.

Существуют и другие типы устройств, которые способны производить электричество. К ним относятся электрохимические батареи, термоэлектрические и фотоэлектрические элементы, топливные преобразователи. Но в сравнении с индукционными генераторами AC/DC их доля в мировом производстве энергии ничтожна.