Принцип работы трехфазного генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока – назначение и принцип действия

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Превращение механической энергии в электрическую

Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.

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.

Схема генератора переменного тока

Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

• Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
• Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
• Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
• Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

• Относительная дешевизна топлива;
• Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
• Высокий уровень противопожарной безопасности;
• В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
• Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензогенератор

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

• Малые габариты при высокой мощности;
• Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
• В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
• Просты в обслуживании и ремонте;
• Во время работы не издают много шума;
• Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

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.

Трехфазный генератор – устройство и особенности работы

Люди все чаще задумываются о том, чтобы приобрести себе мини-электростанцию. Такие небольшие, компактные устройства способны обеспечить электричеством целый загородный дом или квартиру. Но, решая купить прибор, у многих возникает вопрос, какой именно агрегат выбрать. Ведь на рынке существует огромное количество оборудования, а хочется взять прибор и пользоваться им в свое удовольствие.

Трехфазный генератор занимает особое место среди разнообразия, его особенностью является возможность выдавать напряжение двух видов, а именно 220 В и 380 В.

Такие устройства могут прекрасно работать на дизеле и бензине, но их самая маленькая мощность 5–6 кВт, ведь такие приборы больше относятся к профессиональным моделям. Правда, для бытового использования его тоже часто покупают, особенно, если в доме есть трехфазные потребители.

Устройство трехфазного генератора

Данное устройство имеет неподвижный статор и ротор (вал), что вращается и создает в обмотках универсальное магнитное поле. В трехфазном агрегате обмотка размещается не на роторе, а на статоре. Только следует сказать, что подобных отмоток на статоре целых три, и они сдвинуты по отношению друг к другу. Когда ротор оборачивается, он начинает пересекаться с магнитным полем обмоток, в результате чего начинает вырабатываться электродвижущая сила. Благодаря тому, что эти обмотки размещаются на одинаковом расстоянии друг от друга, электродвижущая сила имеет одинаковую амплитуду.

Особенности трехфазных агрегатов

1. Благодаря уникальному строению, есть возможность подключать к нему несколько приборов одновременно.
2. Он работает по принципу распределения мощности напряжения. Это значит, что такой агрегат не сможет потянуть мощную технику. Ведь, если агрегат на 6 кВт, то это не значит, что к нему можно подключать технику такой мощности. Он просто не потянет, ведь прибор равномерно распределяет напряжение на три фазы. Поэтому максимальная мощность потребителя не должна быть 2 кВт. Зато таких однофазных приборов можно подсоединить сразу три штуки.
3. Часто люди могут ошибочно рассчитывать необходимую мощность технику и приобретать трехфазный агрегат для однофазных потребителей. В таком случае вы сможете подключить один прибор на 2 кВт, а сама электростанция будет работать на всю мощность (6–8 кВт) и потреблять огромное количество топлива. Если у вас только однофазные потребители, то рациональнее будет приобрести однофазный агрегат такой же мощностью. Он стоит намного дешевле, и расход топлива будет в несколько раз меньше.
4. Такие устройства достаточно капризны в подключении однофазных потребителей. Но это не единственная их особенность. Ведь эта проблема решаема, если подключать три прибора одновременно. Но вот проблема перекоса фаз, которая встречается при использовании модели в домашних условиях, более существенна. Если объяснить по-простому, то нельзя, чтобы хоть одна фаза имела порог мощности больше 25% по сравнению с другими. То есть, если вы подключили телевизор или холодильник на 0,7–0,8 кВт, то на другую фазу вы сможете включить прибор мощностью не больше 1 кВт (+25% к первому показателю). Если включить пылесос, который имеет 2–2,5 кВт, то произойдет перекос фаз и аппарат отключится.
5. Каждый трехфазный образец имеет две розетки, одна с напряжением 220 Вольт, а другая 380 Вольт.

Такие устройства стоят намного дороже обычных однофазных моделей. При этом обычному человеку достаточно сложно понять схему подключения потребителей. А высокое потребление топлива делают их не выгодными для домашнего или бытового использования.

Если в доме есть трехфазные приборы, которые требуют напряжение в 380 Вольт, лучше покупать трехфазный образец. При подключении таких потребителей перечисленных выше проблем не будет, генератор и техника прослужат вам длительное время.

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.

Бесщёточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.

В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.

Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Пояснение:

• схема устройства;
• схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
• модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Синхронные машины с индукторами.

Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.

Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.

Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:

• соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
• «звезда»;
• «треугольник»;
• сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Регулирование частоты

Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:

1. Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
2. Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулировки напряжения

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Применение

У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю. Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.

Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.

Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.

Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.