Генератор переменного тока устройство и принцип работы

Генератор переменного тока: устройство, принцип работы, технические характеристики и 7 видов приборов

Электричество играет важную роль в жизни человека. Кроме того, его можно преобразовать в любой вид энергии. Однако бывают моменты, когда его отключают, и это очень влияет на комфорт. Для того чтобы этого не произошло, применяют устройства — генераторы тока. Основной принцип работы генератора переменного тока состоит в преобразовании энергий (механической в электрическую).

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.

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).

Устройство генератора

Практически все они похожи по своему устройству, но есть некоторые отличия — это способ приведения механической части в движение (рисунок 1).

Он состоит из основных узлов:

• корпус;
• статор;
• ротор, или якорь;
• коробка коммутации.

Рисунок 1. Генератор в разрезе

Корпус, выполняющий функцию рамы, служит для крепления всех основных частей. Кроме того, в нём устанавливаются подшипники, необходимые для плавного вращения вала и увеличения срока службы устройства. Корпус изготавливают из прочного металла, а также он служит для защиты внутренних частей машины от внешних повреждений.

Статор имеет магнитные полюса, представленные в виде закреплённой обмотки для возбуждения магнитного потока Ф. Выполняется из спецстали, которая называется ферромагнитной. Ротор является подвижной частью, причем его приводит в движение какая-либо сила. В результате на якоре (роторе) образуется разность потенциалов или напряжение (U). Узел (коробка) коммутации, необходим для отведения электричества от ротора. Он состоит из проводящих колец, соединённых с графитовыми токосъёмными контактами.

Принцип действия

Закон электромагнитной индукции является основным принципом действия генератора переменного тока. Устройство и принцип работы практически одинаковы для всех типов. Происходит индукция, в результате которой появляется ЭДС в контуре, при вращении в однородном магнитном поле. Это магнитное поле вращается.

Работает генератор переменного тока следующим образом:

• ротор является магнитом, передающим при вращении магнитное поле в обмотки статора;
• статор представляет собой катушки, к которым подведены провода для съёма электрической энергии;
• при возникновении U происходит его съём.

Кольца выполняются из медного проводника, вращаются с ротором и валом одновременно. Щётки служат для передачи тока с вала на кольца. Разновидностей очень много и, следовательно, их можно классифицировать по следующим признакам:

• конструктивный план;
• метод возбуждения;
• количество фаз: однофазные, двухфазные и трёхфазные;
• тип соединения обмоток статора.

По конструктивному плану бывают с неподвижными полюсами и якорем (он вращается) и, наоборот, с вращающимися магнитными полюсами (якорь остаётся неподвижным). Последний вид получил широкое распространение, благодаря получению большего тока. При вращении ротора, полюсные наконечники которого имеют минимальный зазор между статором для создания максимального Ф, происходит генерация ЭДС в витках статорной катушки. Наконечники подбираются такой формы, чтобы U было близко к синусоидальному.

По методу возбуждения также делятся на подвиды.

1. Обмотки питаются постоянным током (независимое возбуждение). Эта модель приводится в действие при помощи другого генератора.
2. Питается своим же выпрямленным током (с самовозбуждением).
3. Возбуждение от постоянных магнитов.

Наиболее часто применяется соединение звездой и нейтральный провод, который выполняет роль компенсатора фазовых перекосов. Кроме того, нулевой провод позволяет исключить постоянную составляющую при возникновении вредоносных кольцевых токов (далее I), снижающих мощность и влияющих на нагрев.

Генератор переменного тока: бензин или дизель?

Для бытовых целей обычно используют бензиновый или дизельный генератор тока. Сказать какой лучше однозначно невозможно, так как они отличаются по характеристикам. Потому для одних условий лучше бензиновый, для других ‒ оптимальный дизельный.

Выбор генератора тока зависит от многих моментов

Когда лучше выбрать бензиновый

Перечень свойств и особенностей бензинового генератора переменного тока:

• Имеет небольшую мощность, не более 10 кВт.
• Не рассчитан на длительную беспрерывную работу.
• Имеет небольшой вес и размеры.
• Работает негромко.
• Небольшая цена.

Бензиновые генераторы тока оптимальны для работы на непродолжительны период времени

Основное, что стоит помнить, бензиновый электрогенератор не рассчитан на длительную работу (сутками). Рекомендованная нагрузка, особенно у двухтактных моделей 2–3 часа в день и до 500 часов в год. Зато отличаются такие установки невысокой ценой и компактностью. Это отличный выбор, если надо питать совсем небольшую нагрузку непродолжительное время. Чаще всего такие генераторы берут с собой на природу, охоту, рыбалку и т. д.

Двухтактные бензиновые генераторы — лучший выбор для выезда на природу

Бензиновые генераторы тока с четырехтактными бензиновыми двигателями ресурс имеют существенно больше: до 3000–5000 тысяч часов. Но и его надолго не хватит при постоянной работе. Так что бензиновые генераторы имеет смысл ставить, если электричество отключается у вас редко и ненадолго.

Чем хороши дизельные

Дизельный генератор переменного тока ‒ установка гораздо боле мощная, но и настолько же более дорогостоящая. Бывают они двух типов: с воздушным и жидкостным охлаждением. Установки с воздушным охлаждением имеют средние габариты, среднюю мощность и вполне приемлемую цену. Вот они идеальны, если электричество отключается часто, но не постоянно. В то же время, маломощные дизельные генераторы (есть и такие) по характеристикам ненамного лучше бензиновых, а по цене раза в два выше. Так что если вам нужен генератор до 6 кВт мощности выбор, всё равно, имеет смысл остановить на бензиновой установке.

Дизельные ‒ более габаритные и мощные

Дизельный генератор с водяным (жидкостным) охлаждением ‒ это уже техника другого класса. Он может работать сутками и используются на предприятиях. На них применяются двигателя двух типов:

• высокооборотистые – 3000 об/мин;
• с низкими оборотами – 1500 об/мин.

Дизельный генератор с низкооборотистым двигателем отличается более низким уровнем шумов, более экономичны в плане расхода топлива на один киловатт. Но они же более дорогостоящие. имеют большие размеры и вес. Если дизельный генератор тока построен на основе высокооборотного движка, обойдётся один киловатт электроэнергии дешевле. Но шуметь дизель будет сильно.

Подобные модели могут обеспечивать предприятия

Итак, если вам нужна установка для выработки постоянного тока на продолжительный период или станция, которая будет снабжать электроэнергией постоянно, вам нужен дизельный генератор жидкостного охлаждения.

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.

Особенности установки генератора

Речь пойдёт не о подключении, а об установке ‒ организации места, где генератор тока будет работать. Нужна просторная твёрдая и ровная площадка. При установке на неровной поверхности, повышается уровень вибрации, что угрожает целостности оборудования. Если говорить о мощных дизельных установках, то для них желательно бетонное или асфальтовое покрытие, в общем, плотное и надёжное основание.

Площадка должна быть ровной

Подключение генератора проводят кабелем, в соответствии с рекомендациями производителей. Само подключение производится в шкафу, куда заводится кабель от генераторной установки. Он подключается после вводного автомата и счетчика.

Если генератор будет уставлен в помещении, в нем должна быть хорошая вентиляция. Планируя на время работы двигателя оставлять двери открытыми, нужна будет решётка, чтобы никто не попал внутрь во время работы станции.

Принцип действия генераторов переменного тока

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора пере­менного тока с клювообразным ротором представлена на рисунке 1. Ге­нератор имеет следующие основные конструктивные элементы: непод­вижный статор 1, набранный из пластин электротехнической стали; обмотку статора 2; вращающийся ротор с клювообразными полюсами 9 и расположенную между ними втулку 15; обмотку возбуждения 8, вы­воды которой припаяны к двум изолированным от вала и друг от друга медным контактным кольцам 13; крышку со стороны привода 3 и крыш­ку со стороны контактных колец 10, выполненные из алюминиевого сплава, в которых установлены шарикоподшипники 5 и 11 с двусто­ронним резиновым уплотнителем и одноразовой закладкой смазки на весь срок службы. Крышки имеют вентиляционные отверстия и кре­пежные лапы для крепления генератора на двигателе.

В крышке со стороны контактных колец установлен пластмассовый щеткодержатель 14 с двум я прямоугольными медно-графитовыми щет­ками 12 и выпрямительный блок 7. При помощи крыльчатки 6 создает­ся протяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод гене­ратора осуществляется при помощи шкива 4.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При вклю­чении замка зажигания на обмотку возбуждения подается напряже­ние аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока воз­буждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювооб­разным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный по­ток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.

Рисунок 1 Автомобильный генератор переменного тока

При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попе­ременно то южный (S), то северный (N) полюс ротора, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и на­правлению (рис. 2).

Рисунок 2 Изменение магнитного потока в генераторе переменного тока

При этом в обмотках фазы будет индуцировать­ся переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой равно:

где f − частота; w − число витков обмотки одной фазы; Ф − магнитный поток; − обмоточный коэффициент.

Частота ЭДС равна:

р — число пар полюсов: п — частота вращения.

Значение обмоточного коэффициента зависит от числа пазов стато­ра q, приходящихся на полюс и фазу:

.

где z – число пазов, m – число фаз.

В фазных обмотках статора генератора индуцируется ЭДС вида:

,

где — постоянный коэффициент.

У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом ча­стота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин -1 , в 10 раз.

С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генерато­ру, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчато­го вала двигателя n_дв определяется соотношением:

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая опре­деляется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

По частоте переменного тока генератора можно измерять ча­стоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.

Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов — трех­фазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов.

Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряже­ния действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямите­лем. В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель вы­прямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные.

При соединении в «треугольник» фазные токи в раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды».

Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соеди­нение типа «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в раз больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах враще­ния ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой».

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трех­фазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления и обмотки генератора соединены «звездой» (рис. 3). В этих схе­мах наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощ­ностью Р_dи мощностью генератора Р(теоретически Р =1,045 Р_d). Трехфазная мостовая схема выпрямления обеспечивает относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения, что является од­ним из важных требований к автомобильным генераторам в связи с ши­роким применением электроники на автомобиле.

Рисунок 4 Мостовая трехфазная схема выпрямления:

а− электрическая схема; б − осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Часто обмотки возбуждения генератора подключаются к собственному выпрямителю.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедливы следующие соотношения:

;

Выпрямленное напряжение пульсирует с частотой f_n, в 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора:

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно , а максимальное . Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»:

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т/6):

Следовательно, пульсация выпрямленного напряжения:

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напряжения равно 14,65 В, а минимальное – 12,7 В. Можно, например, определить, какова была амплитуда фазного напряжения генератора, если необходимо получить среднее значении выпрямленного напряжения 14 В:

Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки:

где R_н – сопротивление нагрузки.

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрямленного напряжения, т.е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой:

Среднее значение выпрямленного тока:

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8929 — | 7238 — или читать все.

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно