Устройство генератора переменного тока

Сферы применения

Многофункциональные трёхфазные двигатели используются в различной технике. Такие агрегаты обладают необходимой простотой и надёжностью конструкции, доступной ценой. Генератор не нуждается в особом уходе, быстро приступает к работе и хорошо переносит длительные нагрузки. Качественное энергоснабжение осуществляется именно по трёхфазной системе переменного тока, так как любое использование двигателей с постоянным током требует установки дополнительных агрегатов.

Трёхфазные генераторы считаются незаменимыми в приводах сверлильных и токарных станков, пилорамах и циркуляционных пилах, лифтах, лебёдках и подъёмных кранах.

Он широко востребован и в сельскохозяйственной отрасли, где основную работу выполняют барабанные молотилки, веялки, зернопульты, погрузчики.

Синхронные установки используются как основной источник электроэнергии переменного тока на крупнейших станциях, на передвижных агрегатах и транспортных машинах (тепловозы, машины, самолёты). Генератор может функционировать как автономно, так и параллельно с сетью.

Конструкторы утверждают, что без такого оборудования не могут обойтись те станции, где отсутствует центральная подача электроэнергии. Особенно это касается крупных фермерских хозяйств, которые возведены вдали от населённых пунктов.

Назначение

Генераторы являются основными источниками электроэнергии в системах энергоснабжения, позволяющих обеспечивать питание любых потребителей и заряжать аккумуляторную батарею в процессе функционирования двигателя. Современные генераторы, имеющие встроенные кремневые диоды, обладают небольшими габаритами, простой конструкцией, надежностью и долгим сроком эксплуатации, что является отличным дополнением высокой удельной мощности таких устройств-преобразователей при малой вращательной частоте.

Некоторое время назад генераторы отличались довольно узкой областью применения, но благодаря усилиям разработчиков, техников и специалистов, преобразователи энергии были в значительной степени усовершенствованы. На сегодняшний день область применения данных устройств очень широка, поэтому генераторы ПТ стали незаменимыми в промышленной и бытовой сфере.

Используемые структуры возбуждения

Все крупные производители изготавливают генераторы, моторы и синхронные компрессоры, которые оснащены инновационными полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение трёхфазных агрегатов. В таких ситуациях используется беспроигрышный метод выпрямления переменных токов.

Параметры функционирования:

• • Работа аппарата на холостом ходу.
  • Электроторможение устройства.
  • Функционирование в определённой энергетической структуре с имеющимися нагрузками либо перезагрузками.
  • Возбуждение синхронного генератора может быть немного форсировано в связи с такими критериями, как ток и напряжение, которые отвечают заданной кратности.
  • Подключение к электросети с помощью точной самосинхронизации.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

• Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
• Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
• Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
• Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

• С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
• С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами. При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают. Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы

Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле. Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Схемa генерaторa переменного токa

Разновидности

В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:

• Асинхронные. Это самые надежные в работе, небольших размеров и веса, простых по конструкции генераторы. Они прекрасно справляются с перегрузками и коротким замыканием. Правда, необходимо учитывать, что данный вид сразу же выходит из строя, если на него будет действовать большая перегрузка. К примеру, пусковой ток электрооборудования. Поэтому стоит учитывать этот факт, для чего придется приобретать генератор мощностью большей раза в три или четыре, чем потребляемая мощность оборудования при запуске.
• Синхронные. А вот этот вид легко справляется с краткосрочными нагрузками. Такой генератор может выдержать перегруз раз в пять или шесть. Правда, высокой надежностью он не отличается по сравнению с асинхронным вариантов, к тому же он является обладателем больших размеров и массы.

Конструкция генератора переменного тока

В самом общем случае, наиболее часто применяемый трехфазный генератор переменного тока состоит из явнополюсного ротора с одной парой полюсов (маломощные оборотистые генераторы) или 2 парами их, расположенными крестообразно (наиболее распространенные генераторы мощностями до нескольких сот киловатт. Такая конструкция не только позволяет более рационально использовать материал, но и для промышленной частоты переменного тока 50 Гц дает рабочую частоту вращения ротора 1500 оборотов в минуту, что хорошо согласуется с тяговыми оборотами дизельных двигателей этой мощности), а также статора с 3 (в первом случае) или 6 (во втором) силовыми обмотками и полюсами. Напряжение с силовых обмоток и есть то, которое подается потребителю.

Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах только для весьма маломощных генераторов, во всех остальных случаях он имеет намотку т.н. обмотки возбуждения, то есть представляет из себя электромагнит постоянного тока, запитываемый во вращающемся роторе через щёточно-коллекторный узел с простыми кольцевыми контактами, более устойчивыми к износу нежели разрезной ламельный коллектор машин постоянного тока.

В сколько-либо мощном генераторе переменного тока с обмоткой возбуждения на роторе, неизбежно встает вопрос — какой величины ток возбуждения подавать на катушку? Ведь от этого зависит выходное напряжение такого генератора. И это напряжение должно поддерживаться в определенных рамках, например, 380 Вольт, вне зависимости от тока в цепи потребителей, значительная величина которого способна также значительно уменьшать выходное напряжение генератора. Кроме этого, нагрузка по фазам вообще может быть очень неравномерной.

Этот вопрос решается в современных генераторах, как правило введением в выходные цепи фаз генератора электромагнитных трансформаторов тока, соединенных вторичными обмотками треугольником или звездой, и дающими на выходе переменное трехфазное напряжение амплитудой единицы — десятки вольт, строго пропорциональное и согласованное по фазе с величиной тока нагрузки фаз генератора — чем больше потребляемый в данный момент по данной фазе ток, тем больше напряжение на выходе соответствующей фазы соответствующего токового трансформатора. Этим и достигается стабилизирующий и авторегулирующий эффект. Все три регулирующие фазы с вторичных обмоток токовых трансформаторов далее заводятся на обычный 3-фазный выпрямитель из 6 полупроводниковых диодов, и на выходе его получается постоянный ток нужной величины, и подаваемый на обмотку возбуждения ротора через щёточно-коллекторный узел. Схема может быть дополнена реостатным узлом для некоторой свободы регулирования тока возбуждения.

В устаревших или маломощных генераторах вместо токовых трансформаторов применялась система из мощных реостатов, с вычленением рабочего тока возбуждения за счет изменения падения напряжения на резисторе при изменении тока через него. Эти схемы были менее точны и гораздо менее экономичны.

В обоих случаях существует проблема появления начального напряжения на силовых обмотках генератора в момент начала его работы — действительно, если возбуждения ещё нет, то и току во вторичных обмотках токовых трансформаторов взяться неоткуда. Проблема, однако, решается тем что железо ярма ротора обладает некоторой способностью к остаточному намагничиванию, эта остаточная намагниченность оказывается достаточной для возбуждения в силовых обмотках напряжения в несколько вольт, достаточного для самовозбуждения генератора и выхода его на рабочие характеристики.

В генераторах с самовозбуждением — серьезную опасность представляет случайная подача внешнего напряжения промышленной электрической сети на силовые обмотки статора. Хотя это не приводит к каким-то негативным последствиям для самих обмоток генератора, мощное переменное магнитное поле от внешней сети эффективно размагничивает статор, в результате чего генератор теряет способность к самовозбуждению. В этом случае требуется начальная подача напряжения возбуждения от какого-то внешнего источника, например, автомобильного аккумулятора, иногда такая процедура полностью излечивает статор, но в некоторых случаях необходимость подачи внешнего возбуждения остается навсегда.

Главный генератор переменного тока

Главный генератор состоит из вращающегося магнитного поля, как было указано ранее, и неподвижной арматуры (генераторные обмотки)

Используемые виды

В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.

Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:

• Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам.
• Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
• Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
• Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
• Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
• Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.

Советуем изучить — Классификация припоев для пайки, технические характеристики и рекомендации по выбору

В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.

Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.

https://youtube.com/watch?v=tl8o5uU5V3c

Схемы подключения

Существуют две основные схемы подключения внутренней обмотки. Каждая со своими особенностями.

1. Звезда. Данное подключение подразумевает соединение 3 выходов обмоток в единую точку. Эта точка называется «нуль». Проводники, подключенные к каждому началу обмотки, являются линейными и поставляют ток непосредственно потребителю. Четвертый проводник считается нулем. Такое подключение очень сильно повышает устойчивость сети к сдвигу фаз, во время возникновения разности несимметричных нагрузок.
2. Треугольник. Схема треугольник отличается от звезды. Она предполагает последовательный контакт всех обмоток. Первая обмотка соединяется своим концом с началом второй, а конец второй с началом третьей. Конец третьей и начало первой обмотки соединяют между собой. От каждой точки соединения отводятся линейные проводники. Такая схема подразумевает баланс между фазным и линейным напряжениями. Данная схема очень восприимчива к разности нагрузок на каждой фазе. При появлении разности требуется составление векторной диаграммы и пересчет всех параметров.

Каждая схема подключения также предполагает одинаковое сечение проводов. В случае возникновения большой нагрузки на одной фазе, ее провод может выгореть, что приведет к появлению несимметричности цепи, а по нейтрали, в этом случае, потечет ток.

Основные сферы применения

Watch this video on YouTube

Watch this video on YouTube

В зависимости от того, где используется электрогенератор, определяются его технические характеристики. Главным образом, отношения генератора к определенной категории по области применения, определяет его мощность. Разделяют следующие разновидности оборудования по сферам эксплуатации:

• Бытовые. Обладают мощностью от 0,7 до 25 кВт. Обычно к этой категории относятся бензиновые и дизельные генераторы. Применяются для электроснабжения бытовых электроприборов и оборудования малой мощности, очень часто на строительных площадках. Сгодятся в качестве портативного источника электроэнергии при выезде на природу;
• Профессиональные. Могут применяться в качестве постоянного источника электроэнергии в муниципальных учреждениях и мелких производственных предприятиях. Его мощность не превышает 100 кВт;
• Промышленные. Могут эксплуатироваться на крупных фабриках и заводах, где требуется высокомощное оборудование. Такие аппараты обладают мощностью более 100 кВт, имеют немалые габариты и сложны в техническом обслуживании для неподготовленного человека.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Как выбрать генератор для загородного дома или дачи, ТОП моделей

Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Трехфазный генератор – принцип работы и его устройство

Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный.

До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока.

Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами.

При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают.

Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы

Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле.

Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Схемa генерaторa переменного токa

Разновидности

В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:

• Асинхронные. Это самые надежные в работе, небольших размеров и веса, простых по конструкции генераторы. Они прекрасно справляются с перегрузками и коротким замыканием. Правда, необходимо учитывать, что данный вид сразу же выходит из строя, если на него будет действовать большая перегрузка. К примеру, пусковой ток электрооборудования. Поэтому стоит учитывать этот факт, для чего придется приобретать генератор мощностью большей раза в три или четыре, чем потребляемая мощность оборудования при запуске.
• Синхронные. А вот этот вид легко справляется с краткосрочными нагрузками. Такой генератор может выдержать перегруз раз в пять или шесть. Правда, высокой надежностью он не отличается по сравнению с асинхронным вариантов, к тому же он является обладателем больших размеров и массы.

Параметры выбора генераторов для дома

Тип топлива

Наиболее часто применяются для дома дизельные и бензиновые генераторы (модели на газу рассматривать не будем в связи со сложностью их обслуживания и высокой мощностью, которая для дома не нужна):

• Бензиновые. Бензиновые модели менее мощные, чем дизельные и стоят гораздо дешевле. Также они менее шумные (хотя тихими их не назовешь). Однако из-за относительно невысокой мощности (в сравнении с дизельными) их удобнее всего использовать лишь как резервный источник питания или брать на природу, чтобы пользоваться там электричеством. Если вам необходимо подстраховаться на случай отключения электроэнергии, то бензиновая модель — то, что нужно.
• Дизельные. Дизельные агрегаты имеют больший ресурс, чем бензиновые и гораздо мощнее, что делает их весьма удобными для получения электроэнергии на строительном объекте, для запитки мощных приборов, например, сварочного аппарата. Однако такие модели стоят на порядок дороже бензиновых аналогов, да и сам дизель, как топливо, уже догнал по стоимости бензин, поэтому сэкономить не получится. Дизельные агрегаты стоит приобретать тем, кто планирует использовать устройство, как основной источник электричества, например, на даче или для работы на стройке.

Отметим также, что существуют бензиновые инверторные модели. Главное их преимущество — это компактность, небольшой вес и относительно невысокая шумность. Их можно даже брать с собой на природу. Но они практически все низкой мощности, поэтому в роли резервного питания не подойдут (разве что для холодильника и электроники). Также, если выйдет из строя управляющая плата, то замена ее будет стоит около 80 % стоимости всего генератора.

Мощность устройства

Выбор генератора по мощности осуществляется при условии, если известна общая мощность всех приборов, которые будут к нему подключаться. Если не планируется подключение электрокотла или мощного сварочного аппарата, тогда в большинстве случаев генератора мощностью до 3 кВт вполне хватит. Однако при использовании электрического отопления может понадобиться мощный трехфазный генератор до 10 кВт.

Напряжение

Генератор может иметь розетки, от которых можно запитать приборы следующего напряжения:

• 220 В. Все стандартные бытовые электроприборы, которые есть в доме.
• 380 В. Генератор с таким напряжением может понадобиться только для трехфазного отопления, сварочника, работающего от 380 В или зарядки современного электромобиля.
• 12 В. Постоянный ток на выходе 12 В необходим автомобильным аккумуляторам, так что если планируете заряжать аккумулятор где-то в дороге, тогда берите модель с таким DC выходом.

Дополнительные функции

Некоторые модели генераторов могут быть оснащены дополнительными функциями, которые полезны в тех или иных случаях:

Автозапуск (ATS). Функция способна запускать генератор автоматически без действий со стороны человека. Она весьма удобна, если генератор устанавливается в качестве аварийного питания. При отключении подачи электричества в городской сети, генератор автоматически включится, приняв нагрузку от приборов на себя.

• Электростартер. Электростартер позволяет запустить устройство простым нажатием на кнопку. При этом не нужно дергать за «шморгалку», хотя конечно она в каждом генераторе неизменно присутствует.
• Счетчик моточасов. Счетчик показывает общий ресурс часов, отработанных устройством. Благодаря этому вы всегда будете знать, сколько двигатель в работе и пора ли проводить обслуживание. Также эта функция полезна, когда покупаете генератор «с рук» — точно знаете, сколько агрегат отработал.
• USB-порт. При наличии такого разъема вы всегда сможете подзарядить свой смартфон или планшет. Однако во времена «пауэрбанков» данная функция не всегда актуальна и востребована.

Какой ток вырабатывает генератор

Характеристика тока, который вырабатывается генератором, зависит от его конструкции. Как уже стало понятно, и переменный генератор, и постоянный генератор содержат в своей конструкции электрический или постоянный магнит, создающий поток магнитного поля. В обоих случаях можно найти обмотку из медного проводника. Она вращается и, занимая различные положения в поле магнита, создает наведенную ЭДС.

Если представить, что обмотка разделена на две одинаковые части, то они поочередно будут занимать то горизонтальное, то вертикальное положение. ЭДС будет сначала максимальной, а затем нулевой. Это и будет генерация переменного тока.

Обратите внимание! Если в процессе полуоборота каким-либо образом переключить потребитель энергии, то он будет получать уже постоянный, но пульсирующий ток. В этом и отличие

Характеристика переменного и постоянного электрических токов

Трёхфазные генераторы переменного тока.

Трехфазное напряжение, которое производится трехфазным генераторо

м, можно стабилизировать за счет применения трех однофазных стабилизаторов, подсоединенных по схеме «звезда».

Для современных потребителей, предъявляющих высокие требования к полнофазному питанию, это не самое лучшее решение, поскольку при отключении одного из стабилизаторов при аварийной ситуации отключается одна фаза.

Подобной ситуации можно избежать, используя синхронизатор, который в случае отсутствия одной фазы или двух просто отключает нагрузку. Существуют в настоящее время также трехфазные стабилизаторы

напряжения, установка которых производится намного проще.

Такие устройства внешне выглядят как напольные стойки, оборудованные блоками однофазных стабилизаторов.