Устройство генератора переменного тока

Как работает

В камерах двигателя размещается сжатое топливо, которое может воспламеняться. В процессе горения образуются газы, начинающие вращать коленвал. Из-за этого начинает работать ротор альтернатора. В статоре образуется магнитное поле.

Электрический генератор

Результат процессов, описанных ранее, — появление индукционного электрического тока в обмотке. Он доступен для потребления сразу на выводе устройства, любыми другими приборами. Поездки на природу, резервное питание — ситуации, когда подобные решения становятся актуальными. В этом случае электрический генератор незаменим.

Понятие о генераторах переменного тока

Воздушная линия > Цепи переменного тока. Теория.

Понятие о генераторах переменного токаПознакомимся с устройством генераторов переменного тока, применяемых в электроэнергетике. Генератор состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора. Обычно на роторе располагаются электромагниты с полюсами N и S (рис. 3.2). Их обмотка, называемая обмоткой возбуждения, питается Серез кольца и щетки от источника постоянного тока. В пазах статора, собранного из стальных листов, находятся проводники обмотки статора. Они соединены друг с другом последовательно поочередно с передней и с задней сторон статора (эти соединения показаны на рис. 3.2 соответственно сплошными и штриховыми линиями).Рисунок 3.2 дает лишь схематическое представление об устройстве генератора. В действительности на статоре имеются еще две аналогичные обмотки (см. раздел), и каждая из трех обмоток располагается в большем числе пазов, чем это показано на рисунке.При вращении ротора изменяется магнитный поток, сцепленный с обмоткой статора, и в ней наводится ЭДС. Генераторы конструируют таким образом, чтобы ЭДС была близка к синусоидальной.За один оборот ротора происходит р полных циклов изменения ЭДС, где р — число пар полюсов ротора. Если частота вращения ротора равна n оборотов в минуту, то получается рn периодов в минуту, следовательно, частотаЭДСf=pn/60.При частотеf=50 Гц ротор генератора с одной парой полюсов должен вращаться с частотой 3000 об/мин, а с двумя парами полюсов 1500 об/мин. Для обеспечения механической прочности ротора при таких больших частотах вращения его выполняют без выступающих полюсов. Еще существеннее отличаются по конструкции высокочастотные машинные генераторы. Они изготовляются для частот от 800 до 8000 Гц и применяются наряду с ламповыми генераторами в электротермических установках. Переменные токи еще более высоких частот получают исключительно от электронных генераторов (генераторов с электронными лампами, полупроводниковыми приборами и др.).

Смотри еще по разделу на websor

  • Переменные токи
  • Понятие о генераторах переменного тока
  • Синусоидальный ток
  • Действующие ток, ЭДС и напряжение
  • Изображение синусоидальных функций времени векторами и комплексными числами
  • Сложение синусоидальных функций времени
  • Электрическая цепь и ее схема
  • Ток и напряжения при последовательном соединении резистивного, индуктивного и емкостного элементов
  • Сопротивления
  • Разность фаз напряжения и тока
  • Напряжение и токи при параллельном соединении резистивного, индуктивного и емкостного элементов
  • Проводимости
  • Пассивный двухполюсник
  • Мощности
  • Мощности резистивного, индуктивного и емкостного элементов
  • Баланс мощностей
  • Знаки мощностей и направление передачи энергии
  • Определение параметров пассивного двухполюсника при помощи амперметра, вольтметра и ваттметра
  • Условия передачи максимальной мощности от источника энергии к приемнику
  • Понятие о поверхностном эффекте и эффекте близости
  • Параметры и эквивалентные схемы конденсаторов
  • Параметры и эквивалентные схемы катушек индуктивности и резисторов

Разновидности агрегатов

Синхронный генератор (мотор) подразделяется на несколько моделей, которые предназначены для разнообразных целей:

  • Шаговые (импульсные) – применяются для приводов механизмов с циклом работы старт-стоп или устройств непрерывного движения с импульсным управляющим сигналом (счетчиков, лентопротяжных устройств, приводов станков с ЧПУ и др.).
  • Безредукторные – для применения в автономных системах.
  • Бесконтактные – применяются для работы в качестве электростанций на судах морского и речного флота.
  • Гистерезисные – используются для счетчиков времени, в инерционных электроприводах, в системах автоматического управления;
  • Индукторные моторы – для снабжения электроустановок.

Недостатки беспроводной зарядки

Если проводные зарядные устройства просто-напросто исчезают между циклами зарядки, то при пользовании бесконтактной зарядкой пользователь сталкивается с другими недостатками.

  • В зависимости от размера поверхности зарядки можно заряжать два и более устройств одновременно, но такие зарядные устройства более дороги.
  • Зарядка может осуществляться дистанционно, но все же необходимо находиться рядом с зарядкой — не относить устройство дальше, чем на 4см.
  • Времени дистанционная зарядка занимает все же больше, чем контактный метод, так как электричество «теряется». Поэтому лучше держать телефон только на пластине зарядного устройства.

Устройство и принцип работы

Генератором называется электромашина, которая занимается преобразованием механической энергии в токовую электроэнергию. В большинстве случаев используется для этого вращательный тип магнитного поля. Состоит аппарат из реле, вращающегося индуктора, контактных колец, терминала, скользящей щетки, диодного моста, диодов, токосъемного кольца, статора, ротора, подшипников, роторного вала, шкива, крыльчатки и передней крышки. Нередко в конструкцию входит виток с электромагнитом, который осуществляет выработку энергии.

Генератор своими руками

Важно отметить, что генератор бывает переменного и постоянного тока. В первом случае не образовываются вихревые токи, работать аппарат может при экстремальных условиях и обладает пониженным весом

Во втором случае генератор не нуждается в повышенном внимании и имеет большее количество ресурсов.

Бывает генератор переменного тока синхронным и асинхронным. Первый это агрегат, который работает как генератор, где количество совершаемых вращений статора равно ротору. Ротор формирует магнитное поле и создает в статоре ЭДС.

Обратите внимание! В результате создается постоянный электрический магнит. Из преимуществ отмечают высокую стабильность создаваемого напряжения, из недостатков — токовую перегрузку, поскольку при завышенной нагрузке, регулятор повышает ток в роторной обмотке

Устройство синхронного аппарата

Асинхронный аппарат состоит из короткозамкнутого ротора и точно такого же статора, как и предыдущей модели. В момент вращения ротора асинхронный генератор индуцирует электроток и магнитное поле создает синусоидальное напряжения. Поскольку он не имеет связи с ротором, то возможности в том, чтобы искусственно регулировать напряжение и ток, нет. Эти параметры изменяются под электрической нагрузкой на стартерной обмотки.

Устройство асинхронного аппарата

Принцип действия

Любой генератор действует по электромагнитному индуктивному закону, благодаря наводке электротока в замкнутой рамке пересечением вращающегося магнитного поля, создаваемое с помощью постоянных магнитов или обмоток. Электродвижущая сила попадает в замкнутый контур из коллектора и щеточного узла вместе с магнитным потоком, вращается ротор и вырабатывает напряжение. Благодаря подпружиненным щеткам, которые прижимаются к пластинчатым коллекторам, передается электроток к выходным клеммам. Далее он идет в сеть пользователя и распространяется по электрооборудованию.

Принцип работы

Отличие от синхронного генератора

Синхронный бензиновый генератор не перегружается из-за переходных режимов, которые связаны с пуском под нагрузкой из потребителей подобной мощности. Он является источником реактивной мощности, в то время как асинхронный ее потребляет. Первый не боится перегрузок при поставленном режиме благодаря системе авторегулирования через связь, которая обратна току с напряжением в проводе. Второй имеет нерегулируемую искусственно силу сцепления электромагнитного роторного поля.

Обратите внимание! Важно понимать, что асинхронная разновидность более популярна благодаря простой конструкции, неприхотливости, отсутствию надобности в техническом квалифицированном обслуживании и сравнительной дешевизне. Он ставится тогда, когда: нет высоких требований к частоте с напряжением; предполагается работать агрегату в запыленном месте; нет возможности переплачивать за другую разновидность

Синхронная разновидность

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Генератор 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.

Принцип действия генератора переменного тока

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.

Конструкция якоря генератора постоянного тока

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.

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.

Сети переменного тока

Четырёхпроводная линия электропередачи 220/380 В, такие ЛЭП распространены в районах одноэтажной застройки, в сельской местности.Два нижних провода — сеть проводного радиовещания.

Преобразование напряжения в электрических сетях

Схема разводки трёхфазной сети в многоквартирных жилых домах.

Производители электроэнергии (ГЭС, ТЭС, ТЭЦ, атомные и другие электростанции) генерируют переменный ток промышленной частоты (в России — 50 Гц), напряжением порядка 10 — 20 кВ.

Затем электрический ток поступает на трансформаторные подстанции, которые находятся рядом с электростанциями, где происходит повышение электрического напряжения.

Переменный ток высокого напряжения передаётся потребителям по линиям электропередач (ЛЭП). Повышение напряжения необходимо для того, чтобы уменьшить потери в проводах ЛЭП (см. Закон Джоуля — Ленца, при увеличении электрического напряжения уменьшается сила тока в электрической цепи, соответственно уменьшаются тепловые потери).

Самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокчетав работала под напряжением 1 миллион 150 тысяч вольт.

На другом конце линии электропередачи находится понижающая трансформаторная подстанция, где высоковольтный переменный ток понижается трансформаторами до нужного потребителю значения.

В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередач передаётся трёхфазный ток, однако существуют линии электропередач постоянного тока, например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс, высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр, материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами, использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия).

В России в электрических сетях общего назначения используется трёхфазный ток с межфазным напряжением 380 Вольт.

Качество электрической энергии — её электрическое напряжение и частота должны строго соблюдаться.

К жилым домам (на сельские улицы) подводятся четырёхпроводные (три фазовых провода и один нейтральный (нулевой) провод) линии электропередач (воздушные или кабельные ЛЭП) с межфазным напряжением 380 Вольт. В отдельную квартиру (или в сельский дом) подводится фазовый провод и нулевой провод, электрическое напряжение между «фазой» и «нулём» составляет 220 Вольт. Определить, где какой провод можно с помощью индикатора фазы.

Например, в первую квартиру подводится фаза «A», во вторую квартиру — фаза «B», в третью квартиру — фаза «C» и так далее…

Меры предосторожности

Видеообзор:

Опции и дополнительные возможности

Значительное влияние на цену оказывают опции. Хоть генераторы «с наворотами» стоят дороже, некоторые из дополнительных возможностей могут быть очень полезны. Например:

  • Защита от утечки. Встроенное УЗО, которое отслеживает наличие пробоя изоляции и отключает установку при появлении тока утечки.
  • Защита от перегрузки. Функция не даёт работать деталям «на износ».
  • Автоматический запуск. При пропадании электроэнергии генератор запускается сам.

Использование может быть разным

Есть ещё такие, без которых можно обойтись, но делающие эксплуатацию генератора тока более удобной. Например, контроль параметров с одновременным отображением на дисплее или передача данных о состоянии генератора на подключённый компьютер. Ещё, может быть, целый ряд конструктивных «добавок»: шумогасящий кожух, защитный кожух от низких температур, увеличенный топливный бак и т. д.

Привод генераторов переменного тока

Бензиновый генератор Green-Field GF4500E

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.

Дизельный генератор ONIS VISA P 14 FOX

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.

Устройство трехфазного генератора

В принципе, устройство трехфазного генератора переменного тока достаточно простое. Это корпус с двумя крышками с противоположных сторон. В каждой из них проделаны отверстия для вентиляции. В крышках устроены ниши под подшипники, в которых вращается вал. На передний конец вала устанавливается передаточный элемент. К примеру, на автомобильном генераторе установлен шкив, с помощью которого вращение передается от двигателя внутреннего сгорания на генератор. На противоположном конце вала производится передача электрического тока, ведь вал в этом случае выступает как электромагнит с одной обмоткой.

Передача производится через графитовые щетки и токосъемные кольца (они из меди). Щетки соединены с электрорегулятором (по сути, это обычное реле), который регулирует подачу напряжение 12 вольт с требуемыми отклонениями

Самое важное, что реле не повышает и не понижает напряжение в зависимости от скорости вращения самого вала

Так вот если говорить о трехфазных генераторах переменного тока, то это три вот таких однофазных. Только трехфазный агрегат имеет обмотку не на роторе (валу), а в статоре. И таких обмоток три, которые сдвинуты относительно друг друга по фазе. Вал, как и в первой конструкции, выполняет функции электромагнита, который питается через контакты скользящего типа постоянным током.

Вращение вала создает в обмотках магнитное поле. Электродвижущая сила начинает индуцироваться, когда происходит пересечение магнитного поля обмоток с ротором. А так как обмотки располагаются на статоре симметрично, то есть, через каждые 120º, то соответственно и электродвижущая сила будет иметь одинаковое амплитудное значение.

Режимы работы

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

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

https://youtube.com/watch?v=feRhd7xg6R0

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. 220 В 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.

Частота переменного тока, вырабатываемого генератором

Данные генераторы являются синхронными, то есть угловая скорость (число оборотов) вращающегося магнитного поля линейно зависит от угловой скорости (числу оборотов) ротора генератора и асинхронными, в которых имеется скольжение, то есть, отставание магнитного поля статора от угловой скорости ротора. Ввиду некоторой громоздкости регулирования асинхронные генераторы получили небольшое распространение.

Если ротор генератора двухполюсный, то за один его полный оборот индуктированная электродвижущая сила совершит полный цикл своих изменений.

Следовательно, частота электродвижущей силы синхронного генератора будет: f=n60{\displaystyle f={\frac {n}{60}}},

где

f{\displaystyle f} — частота в герцах;

n{\displaystyle n} — число оборотов ротора в минуту.

Если генератор имеет число пар полюсов p{\displaystyle p}, то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет

в p{\displaystyle p} раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: f=pn60{\displaystyle f=p{\frac {n}{60}}}.

Частота переменного тока в электрических сетях должна строго соблюдаться, в России и других странах она составляет 50 периодов в секунду (герц). В ряде стран, например в США, Канаде, Японии, в электрическую сеть подаётся переменный ток с частотой 60 герц. Переменный ток с частотой 400 герц применяется в бортовой сети самолётов.

В таблице показана зависимость частоты генерированного переменного тока от количества магнитных полюсов и числа оборотов генератора

Данный фактор следует учитывать при конструировании генераторов.

Число полюсов Число оборотов ротора для частоты 50 герц,в 1 минуту Число оборотов ротора для частоты 60 герц,в 1 минуту Число оборотов ротора для частоты 400 герц,в 1 минуту
2 3 000 3 600 24 000
4 1 500 1 800 12 000
6 1 000 1 200 8 000
8 750 900 6 000
10 600 720 4 800
12 500 600 4 000
14 428,6 514,3 3 429
16 375 450 3 000
18 333,3 400 2 667
20 300 360 2 400
40 150 180 1 200

Например, паровая турбина наиболее оптимально работает при 3000 оборотов в минуту, число полюсов генератора равняется двум.

Например, для дизельного двигателя, применяемого на дизельных электростанциях, наиболее оптимальный режим работы 750 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 8 полюсов.

Например, массивные и тихоходные гидравлические турбины на крупных гидроэлектростанциях вращаются со скоростью 150 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 40 полюсов.

Данные примеры приведены для частоты переменного тока 50 герц.

Общие сведения

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

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

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

Генератор тока является электрической машиной, преобразующей механическую энергию в электрическую. Это примитивное устройство, состоящее из проводника, представляющего замкнутый контур и вращающийся между полюсами магнита.

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

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий