Мироздание предоставило человечеству триллион способов получить электричество, каждый этап развития характеризуется собственными технологиями. Допустим, исторически первым считают генератор постоянного заряда Ван де Граафа. Неверная точка зрения. Люди пользовались прежде другими разновидностями. Сегодня рассмотрим устройство, принцип работы генератора переменного тока. Приступим.
Принцип призван создать потенциал относительно Земли, считаемую нулем. Неправильно, но все в мире относительно. Хотя земная поверхность несет заряд, играет роль разница потенциалов меж клеммами генератора и почвой. Стоящий на грунте предмет обволакивается полем планеты, считаем постулат верным. Первым изобретен генератор постоянного тока. Скорее напряжения. Вольтаж получался фантастический, тока приборчик давал мало. Принцип действия прост:
Принцип действия генератора
В результате сфера приобретает заряд, плотностью равный локальному ленты. Понятно, такие генераторы не слишком удобны, в 1831 году Майкл Фарадей создает нечто новое. Пользуясь намагниченной лошадиной подковой, вращающимся медным диском получил электричество по-иному: явлением магнитной индукции. Ток выходил переменный. Следовательно, поле перестало быть статическим, став электромагнитным. Поясним:
Процесс продолжается беспрерывно, называется электромагнитной волной. Осваивает свободное пространство прямолинейно, пока энергия затухает. Что касается проводов, электричество распространяется сравнительно просто. Но! Пока кабель снабжен оплеткой. Экран пропал, зануление (заземление) отсутствует — волна начинает излучаться. Эффект эксплуатируют беспроводные отвертки-индикаторы, помогают установить (локализовать) источники помех промышленной частоты 50 Гц. И если системный блок компьютера не заземлен, при помощи вещички можно легко исправить недочет.
Помогает проверить вредоносное излучение дисплеев. Частота 50 Гц легко излучается проводами. Аспект увеличивает расходы электростанций (потери), вредит здоровью граждан. Как возникает энергия в генераторе Фарадея? Объясняли школьные учителя: при вращении рамки в поле магнита индукция через площадь меняется, наводится электрический ток.
Механическая энергия движения преобразуется в электрическую. Догадались, человечество эксплуатирует:
Два главнейших механизма получения энергии. Электричество становится движение лопасти турбины генератора. Природа родила устройства, сжигающие дизельное топливо, керосин, принцип действия мало отличается. Разница ограничена мобильностью, скоростью вращения лопасти.
Посмотрим устройство генератора тока ГЭС. Для накопления потенциальной энергии движимой руслом реки водами воздвигается плотина. Уровень вверх по течению быстро начинает подниматься. Чтобы избежать прорыва (любого типа), часть многотонной массы стравливается (кое-где ставят специальные шлюзы пропускать рыбу на нерест). Полезная часть течения проходит сквозь направляющий аппарат. Знакомые с устройством реактивных двигателей, поняли речь. Направляющим аппаратом называется конфигурация створок, изменением положения регулируется количество проходящей среды (водя).
Говорили в обзорах, регламентированы жесткие требования на частоту вырабатываемого электричества. Ученые просчитали: можно достичь при нынешнем уровне развития, применяя массивные лопасти, на которых не сказываются малые удары волн. Учитывается средняя масса проходящей воды, мелкие скачки скрадываются несусветной массой винта. Очевидно, имея весомые габариты, скорость вращения бессильна составить 50 Гц (3000 об/мин). Лопасть делает 1-2 об/мин.
Винт вращает ротор генератора. Движущаяся ось, усаженная обмотками возбуждения. Катушки, сквозь которые пропускается постоянный ток для создания устойчивого магнитного поля. Излучения не происходит, значение напряженности постоянное (см. выше). Наблюдаются неявные флуктуации, результат не отражается на сути процесса: валу образован несколькими вращающимися магнитами.
Возникает тонкий момент: как получить частоту 50 Гц. Быстро пришли к выводу: выпрямлять переменный ток, после ставить инвертор обратного преобразования невыгодно. Вдоль статора расположили множество проволочных катушек (рамка из опытов Фарадея), в которых будет наводиться индукция. Путем правильной коммутации с генератора удается снять нужные 230 вольт (на деле стоят еще понижающие трансформаторы) с частотой 50 Гц. Генераторы дают три фазы, сдвинутые на 120 градусов. Возникает новый вопрос – обеспечить стабильность. Подавать дозированное количество воды, пока лопасть набирает скорость? Практически невозможно, поступают следующим образом:
Начальный разгон нагоняется потоком воды, вспомогательное напряжение придерживает винт, пытающийся превысить заданную скорость. Вода фактически толкает махину, напряжение возбуждения послужит регуляции (понятно, на статор подается переменный ток). Требуется получить больше мощности, направляющий аппарат плотины чуть приоткрывается. Масса воды становится более солидной, непременно сорвала бы обороты. Приходится увеличивать ток возбуждения статора, контролирующее поле становится сильнее, ситуация остается в нормальных пределах.
Двигатель внутреннего сгорания Катерпиллер, вращающий генератор
Мощность генератора возрастает. А напряжение, поддерживается уровень? По закону электромагнитной ЭДС Фарадея напряжение определено скоростью изменения магнитного поля, числом витков. Получается, конструктивно выбирая площадь катушек, длину кабеля, задаем выходное напряжение генератора. Разумеется, каждый должен иметь свою скорость вращения лопасти. Выдерживается током возбуждения ротора. При возрастании мощности увеличивается ЭДС. Рост тока возбуждения повышает скорость изменения магнитной напряженности поля.
Нужен способ поддержания прежних параметров. Зачастую становятся развязывающие трансформаторы с переменным коэффициентом передачи. Потребитель меняет ток, напряжение остается постоянным. Обеспечиваются заданные стандартами параметры. Устройство генератора переменного тока основано на возбуждении обмоток статора, остальное сводится к методикам регуляции параметров.
В простейшем случае мощность не поддается изменению. В бытовых (мелких генераторах) схема отслеживает напряжение, меняется значение тока возбуждения. Редко ситуация на руку потребителю. Расходуется солярка. Получается, тратится прежняя энергия, часть рассеивается пространством. Не страшно, когда возвращаем Земле часть скорости реки, жечь топливо задаром редкий скупец захочет.
Читатели поняли: обороты сорвутся, если не уменьшить подачу воды, газа, пара – в общем, движущей силы. Отслеживает отдельная цепь регуляции, снабженная регулировочными механизмами. Частному дому лучше создать систему аккумуляторную, сегодня имеется возможность 12 вольтами постоянного тока питать освещение, ноутбуки, многие другие приборы. Сеть возможно оборудовать отводом для периодического заряда батарей. Методик, как помним, две:
Принцип действия генератора переменного тока позволит вести подзарядку аккумуляторов, руководствуясь необходимостью. Понятно, потребуется цепь гальванической развязки перед каскадом батарей. Можно догадаться из прочитанного, ГЭС применяют устройства с подстраиваемым коэффициентом трансформации. Методики реализации затеи могут быть разными:
Из сказанного следует: ток возбуждения ротора ГЭС логично менять скачками в такт переключению обмоток регулирующего трансформатора. Потом происходит плавная подстройка, параметры напряжения приходят в норму. Рассказали в общих чертах, как работает генератор переменного тока. Стоит отметить: конструкцией многообразие не исчерпано. Описанный вид устройств составляет костяк семейства под названием синхронные генераторы переменного тока. Обеспечивают города, по большей части, энергией.
Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи меж статором и ротором. Скорость регулируется направляющим аппаратом. Сообразно стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, стабильность параметров не блещет хорошими показателями.
Отличительной чертой назовем способность недостатков асинхронных двигателей плавно перекочевывать, заражая новые устройства. Очевидно, для снабжения потребителей энергией регулируют частоту тока, мощность получается случайной. Хотя, если генератор находится в относительно постоянном окружении, сказанное не окажется большой проблемой.
Диагностирование генераторной установки переменного тока при помощи USB Autoscope III (осциллограф Посталовского).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ : Проверка работоспособности генераторной установки.
1.Изучение принципиальной схемы работы генератора;
2.Изучение этапов подготовки прибора к работе;
3.Изучение порядка работы диагностирования:
4.Проверка работоспособности генераторной установки.
Назначение, устройство и принцип работы генератора.
Генераторная установка предназначена для обеспечения питанием потребителей, входящих в систему электрооборудования, и зарядки аккумуляторной батареи при работающем двигателе автомобиля. Выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи. Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генераторной установкой, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Генераторная установка - достаточно надежное устройство, способное выдержать повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды, грязи и других факторов.
На современных автомобилях устанавливают генераторы переменного тока. Для нормальной работы имеющихся на автомобиле потребителей тока должно быть стабильное напряжение питания, поэтому независимо от частоты вращения ротора генератора и числа подключенных потребителей напряжение генератора должно быть постоянным. Поддержание постоянства напряжения и защита генератора от перегрузки обеспечиваются прибором, называемым регуляторам напряжения или реле-регулятором.
В зависимости от дорожно-климатических условий и режимов эксплуатации автомобилей напряжение генератора, питающее потребителей, рассчитанных на номинальное напряжение 12 В, должно быть в пределах 13,2 . 15,5 В.
Генератор переменного тока трехфазный, синхронный, с электромагнитным возбуждением, по сравнению с генератором постоянного тока он имеет меньшие металлоемкость и габаритные размеры. При той же мощности он проще по конструкции и отличается большим сроком службы. Синхронным генератор называется потому, что частота вырабатываемого им тока пропорциональна частоте вращения ротора генератора. Удельная мощность генератора переменного тока, т.е. мощность генератора, приходящаяся на единицу его массы, примерно в 2 раза больше, чем у генератора постоянного тока. Это позволяет в 2-3 раза увеличить передаточное число привода генератора, вследствие чего при частоте вращения на режиме холостого хода двигателя генераторы переменного тока развивают до 40 % номинальной мощности, что обеспечивает лучшие условия заряда аккумуляторных батарей и, как следствие, повышение их срока службы. Наряду с этим генераторы переменного тока, несмотря на их различие в номерах серий, по многим моделям легковых и грузовых автомобилей соответственно унифицированы и имеют ряд взаимозаменяемых деталей (приводные шкивы, крыльчатки, подшипники и др.), а по устройству не имеют принципиальных различий.
Принцип действия генератора.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.
Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой - подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение.
Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) - ротор, его важнейшую вращающуюся часть.
При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный", и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения.
Обмотка статора генераторов зарубежных фирм, как и отечественных - трехфазная. Она состоит из трех частей, называемых обмотками фаз или просто фазами, напряжение и токи в которых смещены друг относительно друга на треть периода, т. е. на 120 электрических градусов. Фазы могут соединяться в "звезду" или "треугольник".
Устройство генератора.
По своему конструктивному исполнению генераторные установки можно разделить на две группы - генераторы традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива и генераторы так называемой компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости генератора. Обычно "компактные" генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением через поликлиновый ремень и поэтому по принятой у некоторых фирм терминологии, называются высокоскоростными генераторами. При этом внутри этих групп можно выделить генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой и генераторы, где контактные кольца и щетки расположены вне внутренней полости. В этом случае генератор имеет кожух, под которым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения.
Устройство генератора показано на фото. Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1). При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.
Меры предосторожности
Эксплуатация генераторной установки требует соблюдения некоторых правил, связанных, главным образом, с наличием в них электронных элементов.
1. Не допускается работа генераторной установки с отключенной аккумуляторной батареей. Даже кратковременное отсоединение аккумуляторной батареи при работающем генераторе может привести к выходу элементов регулятора напряжения из строя.
При полностью разряженной аккумуляторной батарее машину невозможно завести, даже если катать ее на буксире: АКБ не дает тока возбуждения, и напряжение в бортовой сети остается близким к нулю. Помогает установка исправной заряженной батареи, которая затем при работающем двигателе меняется на прежнюю, разряженную. Чтобы избежать выхода из строя элементов регулятора напряжения (и подключенных потребителей) из-за повышения напряжения, на время перестановки батарей необходимо включить мощные потребители электроэнергии, таких, как обогрев заднего стекла или фары. В дальнейшем за полчаса-час работы двигателя на 1500-2000 об/мин разряженная батарея (если она исправна) зарядится достаточно для того, чтобы завести двигатель.
2. Не допускается подсоединение к бортовой сети источников электроэнергии обратной полярности (плюс на "массе"), что может произойти, например, при запуске двигателя от посторонней аккумуляторной батареи.
Похожая информация.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
Существуют такие типы генераторов переменного тока:
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:
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.
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:
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.
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:
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.
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.
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!
Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.
Вращающуюся часть машины называют ротором , а неподвижную часть – статором . В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).
Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока . При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.
Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз
Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.
Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток
Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.
Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.
Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.
Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал
Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).
Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.
При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.
Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) . Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.
Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы . В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).
У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.
К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы , на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.
Первый изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.
Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана
Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.
Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны
Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.
Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение , принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).
Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны
Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.
Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).
В настоящее время для вырабатывания электрической энергии применяются в основном синхронные генераторы. Асинхронные машины используются чаще всего как двигатели.
Отличие синхронной машины от асинхронной состоит в том что в первых магнитное поле статора вращается одновременно с движением ротора, а в асинхронных либо опережает либо запаздывает от поля в ротора.
Широкое распространение синхронных машин обусловлено их качественными параметрами. Синхронные генераторы вырабатывают высокостабильное напряжение, пригодное для подключения широкого спектра электроприборов.
При КЗ в нагрузке или большой потребляемой мощности, по обмоткам статора протекает значительный ток, который может привести к выходу генератора из строя. Для таких машин обязательно наличие охлаждения – на вал ротора помещают турбину, охлаждающую всю конструкцию.
В виду этого синхронные генераторы чувствительны к условиям окружающей среды.
Асинхронные генераторы в большинстве случаев имеют закрытый корпус и нечувствительны к большому пусковому току энергопотребителей.
Однако для их работы нужен внешний мощный подмагничивающий ток. В целом асинхронные генераторы вырабатывают нестабильное напряжение. Достаточно широко такие генераторы распространены как источники энергии для сварочных аппаратов.
Синхронные генераторы распространены как преобразователи механической энергии в электрическую на гидростанциях, ТЭЦ, в качестве бытовых бензо- и дизельгенераторов, в качестве бортовых источников энергии на транспорте.
Сердечник статора состоит из нескольких пластин электротехнической стали, изолированных между собой и собранных в единую конструкцию (Рис. 1). На пазы с внутренней стороны статора устанавливаются катушки обмоток.
Для каждой фазы обмотка включает в себя две катушки, установленные напротив друг друга и соединенные последовательно. Такая схема обмоток называется двухполюсной.
Всего на статоре установлено три катушечные группы (Рис. 2), со сдвигомв 120 градусов. Фазовые группы соединены между собой в «звездой» или «треугольником». Встречаются катушечные группы с большим числом полюсов. Угол
сдвига катушки относительно друг друга рассчитывается в общем случае по формуле (2π/3)/n, где n–количество полюсов обмотки.
Ротор генератора представляет собой электромагнит, возбуждающий в статоре переменное магнитное поле. Для малогабаритных генераторов небольшой мощности зачастую на роторе расположены обычные магниты
.
Ротор синхронного генератора нуждается во внешнем возбудителе – генераторе постоянного тока, в простейшем случае установленному на том же валу что и ротор.
Возбудитель должен обеспечивать изменение тока в роторе для регулирования режима работы и возможность быстрого гашения магнитного поля при аварийном отключении.
Роторы различаются на явнополюсные и не явнополюсные. Конструкция явнополюсных роторов (Рис. 3)состоит из полюсов электромагнитов 1, образованных полюсными катушками 2, соединенными с сердечником 3. Возбуждение на обмотку подается через кольцевые контакты 4.
Такие роторы применяются при небольшой частоте вращения, например в гидротурбинах. При более быстром вращении вала, возникают значительные центробежные силы, которые могут разрушить ротор.
В этом случае используют не явнополюсные роторы (Рис. 4). Не явнополюсный ротор содержит пазы 1, образованные в сердечнике 2. В пазах закрепляются роторные обмотки (на Рис. 4 условно не показаны). Внешнее возбуждение также передается через контакты 3. Таким образом, ротор с неявными полюсами представляет собой статор «наизнанку».
Магнитное двухполюсное поле вращающего ротора можно заменить аналогичным полем постоянного магнита, вращающегося с угловой скоростью ротора. Направление тока в каждой обмотке определяется по правилу буравчика.
Если ток, например направлен от начала обмотки А к точке X, то такой ток будет условно принят за положительный (Рис. 5). При вращении ротора в обмотке статора возникает переменный ток, со сдвигом по фазе в 2 π/3.
Для привязки изменения тока фазы А к графику рассмотрим вращение по часовой стрелки. В начальный момент времени, магнитное поле ротора не создает ток в катушечной группе фазы А, (Рис. 6, положение а).
В обмотке фазы B действует отрицательный (от конца обмотки к началу), а в обмотке фазы С – положительный токи. При дальнейшем вращении ротор сдвигается на 90 градусов вправо (Рис.6, б). Ток в обмотке А занимает максимальное положительное значение, а в фазовых обмотках Bи С – промежуточное отрицательное.
Магнитное поле ротора сдвигается еще на четверть периода, ротор сдвинут на угол в 180 градусов(Рис. 6, в). Ток в обмотке А снова достигает нулевого значения, в обмотке В положительный, в обмотке фазы С – отрицательный.
При дальнейшим вращении ротора в точке фазовый ток обмотке А достигает максимального отрицательного значения, ток в обмотках В и С – положительный (Рис. 6, г). Дальнейшее вращение ротора повторяет все предыдущие фазы.
Синхронные генераторы предназначены для подключения нагрузки с большим коэффициентом мощности (cosϕ>0.8). При росте индуктивной составляющей нагрузки возникает эффект размагничивания ротора, приводящий к снижению напряжения на выводах.
Для его компенсации, приходится увеличивать ток возбуждения, приводящий к увеличению температуры обмоток. Емкостная нагрузка напротив, увеличивает подмагничивание ротора и увеличивает напряжение.
Однофазные генераторы достаточно мало распространены в промышленности. Для получения однофазного тока фазовые обмотки трехфазного соединяют в общую цепь. При этом возникают небольшие потери по мощности по сравнению с трехфазным включением.
Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
