Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Для чего в генераторе регулятор напряжения?

При изменении частоты оборотов коленчатого вала и соответственно ротора в бортовой сети могут возникнуть скачки напряжения, которые негативно сказываются на работе потребителей. Скачки устраняются за счет ограничения тока возбуждения, передаваемого через щетки с регулятора напряжения на ротор. Управление осуществляется путем изменения времени подключения обмотки якоря в зависимости от нагрузки на бортовую сеть.

Неисправность генератора можно определить по индикатору на панели приборов. Горение лампочки заряда аккумулятора после запуска говорит о недостаточном напряжении в сети, а мигание указывает на превышение.

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Особенность устройств этого класса – жесткая связь 2-х рабочих величин, определяющих их функциональность. Это – частота переменной движущей силы F (Гц), которая за счет вращения индуктора наводится в статорных обмотках и тот же показатель для самого ротора (он обозначается как “N”).

Последний параметр определяется из формулы:

N= F/P (Гц), где P – количество пар полюсов якоря (статора).

Электротехническая схема

На якоре 1 намотана 3-х фазная обмотка генератора, а на его индукторе 2 установлен электромагнит с обмоткой возбуждения. Последняя запитана через скользящие контакты двух рабочих колец 3 и неподвижных графитовых щеток 4.

В некоторых моделях синхронных генераторов в роторах вместо катушек устанавливаются постоянные магниты.

В этом случае необходимость в кольцах и щетках отпадает. При этом одновременно снижаются возможности по поддержанию выходных параметров (напряжения и тока) на стабильном уровне.

Принцип работы синхронного генератора.

Под воздействием приводной силы (воды, дизеля, давления пара или ветра) индуктор генератора начинает вращаться, образуя в каждой точке окружающего пространства переменное э/м поле.

В расположенной рядом 3-х фазной системе, состоящей из катушек статора, с синхронной частотой наводится вторичное поле. Под его действием через подключенную к статорным обмоткам нагрузку начинает течь переменный ток синусоидальной формы.

В результате такого взаимодействия реализуется синхронная схема работы генератора. Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) индуктор в генераторном устройстве должен вращаться с частотой 50 об/секунду (3000 об/мин).

Устройство автомобильного генератора

Автогенератор включает в себя несколько составляющих:

• Ротор.
• Статор.
• Блок щеток.
• Регулятор напряжения.
• Выпрямительный блок (диодный мост).

1 — задний подшипник; 2 — выпрямительный блок; 3 — контактные кольца; 4 — щетка; 5 — щеткодержатель; 6 — кожух; 7 — диод; 8 — втулка подшипника; 9 — винт; 10 — задняя крышка; 11 — крыльчатка; 12 — винт; 13 — ротор; 14 — обмотка ротора; 15 — передняя крышка; 16 — вал ротора; 17 — шайба; 18 — гайка; 19 — шкив; 20 — передний подшипник; 21 — обмотка ротора; 22 — статор.

Ротор

Ротором (от англ. rotation — вращение) называется подвижная часть автогенератора. Она представляет собой вал с расположенной на ней обмоткой возбуждения, находящейся между двумя полюсными половинками. Последние изготавливаются штамповкой, на каждой из них имеется шесть выступов в форме клюва, расположенных сверху обмотки. Эти половинки образуют систему полюсов и контактные кольца. Задача колец заключается в подаче электротока на обмотку через ее выводы.

Обмотка возбуждения предназначена для создания магнитного поля. Для решения этой задачи на нее должен быть подан слабый электроток. До запуска силового агрегата подачу тока для образования магнитного поля осуществляет АКБ. Когда ДВС заработает, и число оборотов достигнет нужной величины, подача тока на обмотку возбуждения будет производиться генератором

На роторе, кроме того, размещены:

• Приводной шкив.
• Подшипники качения.
• Охлаждающее устройство (вентилятор).

Ротор располагается внутри статора, зажатого между крышками корпусной части. Крышки снабжены посадочными местами, в которых помещаются роторные подшипники. Кроме того, в крышке, расположенной со стороны приводного шкива, имеются отверстия для вентиляции.

Схема вентиляции генераторов

Статор

Этот элемент, в отличие от вышеописанного, неподвижен (статичен), из-за чего и получил свое название. Его задача заключается в получении электротока переменной величины, возникающего под влиянием магнитного поля ротора. Статор состоит из обмоток и сердечника. Последний изготавливается из листовой стали и имеет пазы для укладки трех обмоток (по количеству фаз). Обмотки могут укладываться одним из двух способов: петлевым или волновым. Схема их соединения также может быть разной – в форме звезды или треугольника.

1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — пазовый клин; 4 — паз; 5 — вывод для соединения с выпрямителем.

При подключении по схеме «звезда» все обмотки соединяются вместе одним из концов в общей точке. Их вторые концы выполняют роль выводов. Схема «треугольник» предусматривает соединение обмоток по другому принципу: 1-я со 2-й, 2-я – с 3-ей, а 3-я, в свою очередь – с 1-й. В этом случае функцию выводов выполняют точки соединения. Наглядно обе схемы показаны на рисунке.

Схема «звезда» и «треугольник»

Блок щеток

Задача этой составляющей генератора заключается в передаче электричества на обмотку возбуждения. Конструктивно блок представляет собой корпус с расположенной в нем парой подпружиненных графитных щеток. Последние прижимаются с помощью пружин к контактным кольцам, но жестко с ними не скреплены.

Регулятор напряжения

Регулятор нужен для того, чтобы поддерживать величину напряжения на выходе в установленных пределах. Это необходимо, поскольку количество тока, как и его параметры, зависит от числа оборотов двигателя, а долговечность аккумулятора напрямую связана с подаваемой разностью потенциалов. Недостаточное напряжение приведет к «хроническому» недозаряду АКБ, а избыточное – к перезаряду. Как в первом, так и во втором случае срок службы батареи заметно снизится. Современные автомобили комплектуются электронными полупроводниковыми регуляторами.

Регулятор напряжения

Диодный мост (выпрямительный блок)

Задача этого элемента заключается в том, чтобы преобразовывать переменный ток, поступающий на него, в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Конструктивно он состоит из теплоотводящих пластин, в которые вмонтированы диоды в количестве 6 штук – по 2 на каждую статорную обмотку (на «+» и на «-») .

Описание схем

Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:

“Звезда”

Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.

Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.

Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.

Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.

Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.

Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.

“Треугольник”

Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.

В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.

Все упомянутые зависимости справедливы только при равномерной нагрузке фаз. При неравномерной нагрузке фаз, их необходимо пересчитывать аналитическими или графическими методами.

Виды синхронных агрегатов

Существуют следующие виды синхронных генераторов:

1. Гидро – в нем ротор имеет отличие за счет присутствия явно выраженных полюсов, применяется при производстве электроэнергии, осуществляет работу на малых оборотах.
2. Турбо – имеет отличия неявнополюсным строением генератора, производится от турбин разного вида, скорость оборотов довольно высокая, достигает порядка 6000 оборотов в минуту.
3. Компенсатор синхронный – данный агрегат поставляет реактивную мощность, применяется для повышения качества электроэнергии, чтобы стабилизировать напряжение.
4. Асинхронный агрегат двойного питания – устройство генератора такого типа заключается в том, что в нем подключается как роторная, так и статорная обмотки от поставщика токов с различной частотой. Создается асинхронный график работы. Также он отличается устойчивостью графика работы и тем, что преобразовывает разные токи фаз и используется для решения задач с узкой специализацией.
5. Двухполюсный ударный агрегат – работает в графике короткого замыкания, воздействует кратковременно, в миллисекундах. Также испытывает аппараты с высоким напряжением.

Классификация

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

Так, генераторы переменного тока различают по:

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

Электрогенераторы переменного тока бывают:

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

Генератор с неподвижным ротором

Конструктивно различают генераторы:

1. С неподвижным ротором.
2. С неподвижным статором

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

По способу возбуждения электрогенераторы бывают:

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

По количеству фаз различают электрогенераторы:

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

Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы.

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

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

Трехфазные генераторы отличаются электрическими схемами соединения фазных обмоток.

Бывает, что фазные обмотки соединяются:

1. “Звездой”.
2. “Треугольником”.

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.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Трехфазные электроагрегаты переменного тока, устанавливаемые на современных машинах, могут быть 2‐х видов: стандартный и компактный. Общее устройство автомобильных генераторов 2‐х видов одинаково — они состоят из следующих элементов:

• Шкива с валом и подшипниками.
• Ротора с контактными кольцами.
• Обмоток статора.
• Корпуса генератора.
• Регулятора напряжения.
• Выпрямительного устройства.
• Щеточного узла.

Конструкции автомобильных генераторов различаются только особенностями компоновки. При одинаковых электрических параметрах стандартные агрегаты значительно крупнее малоразмерных. Компактность обеспечивается за счет использования современных материалов и технологий.

урок 5 электромагнитная индукция

– изучить практическое значение явления электромагнитной индукции

– узнать природу ЭМП индукции и как от нее зависит стоимость изделия

– научиться определять направление индукционного тока с помощью правила Ленца.

Знать, учиться, уметь

– как создается электромагнитное поле

– что такое магнитный поток;

– что такое индукционный ток и как определить его направление;

– закон электромагнитной индукции;

– причина возникновения индукционного тока; и

– применение электромагнитной индукции;

мы научимся:

– определить направление индукционного тока;

– решать типичные качественные и расчетные задачи, касающиеся закона электромагнитной индукции;

– решать задачи, связанные с определением магнитного потока;

– Применять полученные знания для решения задач, связанных с законом электромагнитной индукции;

– Определите направление индукционного тока в различных случаях.

Магнит и кольцо

На рисунке показан момент демонстрационного эксперимента для проверки правила Ленца, когда все объекты неподвижны. Южный полюс магнита находится внутри массивного металлического кольца, но не касается его. Кронштейн с металлическим кольцом свободно вращается вокруг вертикальной опоры. Когда магнит вытягивается из кольца влево, кольцо остается.

Возникновение ЭДС в неподвижной обмотке статора вызвано вихревым электрическим полем в обмотке статора, создаваемым изменением магнитного потока при вращении ротора.

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

1. Синхронности.
2. Типу используемого топлива.
3. Назначению.

Бытовой переносной газовый электрогенератор мощностью 2 кВтИсточник alicdn.com

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

В зависимости от того, какой принцип лежит в работе, агрегаты разделяются на 2 вида:

Синхронные.

Главная специфика генераторов данного типа – прямая зависимость характеристик вырабатываемого тока от скорости вращения якоря. Благодаря этому возникает возможность точно задавать параметры выдаваемого электричества.

Работает по алгоритму:

1. Ротор вращается от любого двигателя, например, турбины.
2. На его обмотку подается постоянный ток.
3. Возникающая при этом ЭДС генерирует переменное магнитное поле.
4. Под его действием в статорной обмотке возникает ток.

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

Асинхронные.

Асинхронный генератор переменного тока – это, по сути, асинхронный электродвигатель, так как оба относятся к однотипным статорно-роторным устройствам. При этом чтобы мотор заработал в качестве электрогенератора, потребуется увеличить скорость вращения якоря до нужного значения.

Асинхронный двигатель легко переделывается в электрогенераторИсточник ytimg.com

Недостатки данного типа агрегатов выражаются в необходимости возбуждать обмотку после подключения реактивной нагрузки – ввиду роста стартовой нагрузки и последующего провала мощности. Кроме того, требуется точно подобранный конденсатор. В противном случае ток будет меньше, чем необходим или установка будет перегреваться.

Вид топлива

Для получения вращающего момента применяется ДВС. В нем тепловая энергия от сжигания топлива превращается в механическую энергию, которая в свою очередь передается на вращение вала ротора. Для этой цели применяются следующие виды энергоресурса:

Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

1. Отсутствие загрязняющих окружающую среду выхлопов.
2. Доступность и дешевизна топлива.
3. Автоматическая подача и контроль уровня газа.

Недостаток выражается в необходимости обустройства отдельного теплого помещения под контролирующую аппаратуру. Более того, к газовому хранилищу предъявляются особые требования безопасности.

Автономная газовая электростанция для питания приборов частного домаИсточник ytimg.com

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

1. Доступность и дешевизна энергоресурса.
2. Пожаро-взрывобезопасность, что особенно актуально в сравнении с газовыми моделями.
3. Длительная работа без остановок и аварий с одного запуска.
4. Возможность оснащения автозапуском.
5. Долговечность.

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

1. Малые размеры и вес установок.
2. Доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
3. Оснащенность автоматической защитой.
4. Минимальный уровень рабочего шума.
5. Возможность использования в помещении.

Видео о том, что такое генератор и как он работает:

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

• Бытовые. В зависимости от цели использования в быту применяются установки мощностью от 0,6 до 25-27 кВт. Ими снабжаются приборы, работающие в доме, гараже, придомовых постройках и на участке. Такие модели также берутся и на стройплощадку, и на отдых на природе.
• Профессиональные. Мощность установок ограничивается номиналом в 100 кВт. Агрегат может использоваться на объектах как временно, так и постоянно.
• Промышленные. Для питания мощного цехового оборудования применяются агрегаты мощностью более 100 кВт. Характеризуются большими габаритами, весом и сложностью в обслуживании.

Видео-пример изготовления генератора из асинхронного двигателя:

Коротко о главном

Электрогенератор работает по закону электромагнитной индукции – когда при пропускании переменного магнитного поля через неподвижный проводник возникает ток. Состоит агрегат из вращающегося от внешнего привода ротора и неподвижного статора в виде обмотки, с контактов которой в итоге снимается электроток.

Применяются электрогенераторы в различных сферах – и в быту, и в промышленности. Подключаться они могут вручную, автоматически и синхронно. Классифицируются по нескольким признакам:

• Асинхронные и синхронные.
• Газовые, дизельные и бензиновые.
• Бытовые, профессиональные, промышленные.

Тест. Производство и передача электроэнергии. Трансформатор.

Какой вид топлива сжигается на тепловых электростанциях?

Варианты ответов

• масло
• газ
• уголь
• уран

Что является топливом на атомных электростанциях?

Варианты ответов

• масло
• газ
• уголь
• уран

Вопрос 3

Какой тип энергии преобразуется в электричество на гидроэлектростанциях?

Варианты ответов

• Внутренняя энергия топлива
• Механическая энергия падающей воды
• Энергия радиоактивного распада
• Ни один из ответов не является правильным

Вопрос 4

Какой тип электроэнергии вырабатывается генераторами электростанции?

Варианты ответов

• Постоянная
• Чередование
• Синхронный
• Синхронный

Вопрос 5

На каком явлении основана работа генератора переменного тока?

Варианты ответов

• Электромагнитная индукция
• Электромагнитный вычет
• Электрическая индукция
• Магнитная индукция

Вопрос 6

Какое устройство позволяет повышать или понижать напряжение переменного тока практически без потерь?

Варианты ответов

• Генератор
• Трансформатор
• Карбюратор
• Дроссельная заслонка

Какие существуют типы трансформаторов?

Варианты ответов

• Увеличение
• Стабилизация
• Компенсация
• Сторона опускания

Вопрос 8

Почему для передачи данных на большие расстояния необходимо значительно увеличивать напряжение?

Варианты ответов

• Это исторически определено
• Поскольку это международный стандарт
• Для снижения потерь тепла в проводнике
• Поскольку электрические кабели “работают” только при более высоком напряжении

Вопрос 9

Какое напряжение используется в бытовых электроустановках (школа, квартира и т.д.) в России

Варианты ответов

• 220 В
• 220 кВ
• 127 В
• 12 В

Вопрос 10

Во сколько раз уменьшатся потери тепла в проводнике, если напряжение увеличить в 100 раз?

Варианты ответов

• В 100
• В 1000
• В 10000
• Потери не будут уменьшены

Вопрос 11

Трансформатор с 1000 витками в первичной обмотке повышает напряжение с 220 В до 880 В. Что такое коэффициент трансформации? Сколько витков имеется во вторичной обмотке? Какая обмотка имеет большее сечение провода?

Читайте далее:

• ГОСТ 21888-82 (IEC 276-68, IEC 560-77) Щетки, щеткодержатели, коллекторы и контактные кольца электрических машин. Термины и определения (с изменениями N 1) от 30 марта 1982 года.
• Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Машина постоянного тока – принцип работы.
• Асинхронный электродвигатель – конструкция, принцип работы, типы асинхронных двигателей.
• Рабочие характеристики асинхронного двигателя; Школа для электриков: электротехника и электроника.
• Направление индукционного тока. Принцип Ленца.

Однофазный

В соответствии с количеством фаз, все генераторы представлены двумя большими группами:

1. Однофазными.
2. Трехфазными.

Первый вариант предназначается исключительно для работы с любыми однофазными потребителями электрической энергии, а трехфазные генераторы относятся к категории универсальных, но дорогостоящих машин, нуждающихся в затратном обслуживании.

Однофазный тип генератора

Простейшие конструкции представлены магнитным полем, вращающейся рамкой и обычным коллекторным щеточным узлом, отводящим ток.

Благодаря коллекторному узлу, рамочное вращение через щетки создает постоянство контакта с половинкой рамки в условиях отсутствия циклического изменения положения. Токовые величины, изменяющиеся в соответствии с законами гармоники, передаются на щетки и в схему потребителей энергии.

Трехфазный тип генератора

Однофазные генераторы в настоящее время являются самыми популярными автономными источниками тока и предназначаются для питания любых однофазных потребителей электрической энергии, к которым относятся практически все бытовые приборы.

Общие сведения

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

Ток в проводнике возникает за счет электродвижущей силы (ЭДС), которая заставляет частицы, несущие заряд в проводнике, двигаться. Если проводник подвергается воздействию магнитного поля, это явление называется электромагнитной индукцией.

Другими словами, если выполняется следующее условие: проводник движется в магнитном поле или вокруг проводника движется электромагнитное поле, то в последнем возникает электрический ток. В результате этого явления были созданы трансформаторы, электродвигатели и генераторы.

Электрогенератор представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию в электрическую. Это примитивное устройство, состоящее из проводника, представляющего собой замкнутую цепь и вращающегося между полюсами магнита.

В современных генераторах эта цепь содержит минимум три обмотки, необходимые для создания большей ЭДС. Для четкого понимания назначения и процессов, происходящих при преобразовании электроэнергии, необходимо ознакомиться с устройством и принципом работы генератора (ЭГ).