Устройство генератор что это простыми словами

7

Как работает генератор переменного тока

Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле (в одних исполнениях генераторов магнит неподвижен, а обмотка вращается, в других — обмотка неподвижна, магнит вращается). Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка (катушка) приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита (или магнит относительно рамки), электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Переменный электрический ток будет генерироваться до тех пор, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле).

В данном обзоре постараемся перевести умные электротехнические определения на простой язык и рассмотреть наглядно принцип работы генератора переменного тока.

Конструкция генератора переменного тока

Рассмотрим схематически конструкцию генератора:

При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор, для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному.

Принцип работы генератора

Рассмотрим наглядно принцип работы генератора переменного тока на примере следующей модели:

Здесь мы видим магнитопровод статора, фазную обмотку статора и вращающийся магнит. При вращении магнита за счет его магнитного поля в фазной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС). На этом, казалось бы, можно и закончить рассмотрение принципа работы генератора. Но мы не будем повторять прописные истины, а постараемся заглянуть немного глубже в процесс генерирования электроэнергии.

Начнем с ротора — вращающегося магнита. В генераторах в роли магнита выступает электромагнит. И важно рассмотреть некоторые его особенности. Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Теперь обратим внимание на магнитные линии. В обычном магните магнитные линии (замкнутые кривые) направлены от северного полюса к южному. В электромагните все также. Единственное, нужно обращать внимание на то, в какую сторону намотана катушка, и на полярность подключения к источнику постоянного тока. С учетом таких особенностей можно выделить правило правой руки для магнитного поля:

Воспользуемся правилом правой руки и покажем магнитные линии магнита и электромагнита в нашей модели генератора:

Прежде чем переходить к рассмотрению процесса наведения в фазной обмотке переменной электродвижущей силы (ЭДС), отметим еще одну важную деталь. Если катушка электромагнита подключена к источнику постоянного тока, соответственно в ее витках потенциал от плюса к минусу плавно изменяется. Примем условно, что напряжение источника постоянного тока, подключенного к обмотке электромагнита, равно 2×m Вольт. Тогда потенциалы на выводах источника +m и -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт.

С учетом всех вышеперечисленных особенностей и значений разберемся, что происходит с фазной обмоткой статора при вращении ротора (электромагнита):

Когда магнит находится в положении 1 оба его полюса равноудалены от магнитопровода статора. Фазная обмотка перпендикулярна магнитному полю. Она находится на нейтрали, то есть между полюсами. В связи с этим ЭДС в ней не возникает.

При движении ротора из положения 1 в положение 3 положение магнитного поля изменяется. Максимальное взаимодействие магнитного поля с фазной катушкой возникает в точке 3. В процессе движения магнита (по мере приближения к точке 3 и обратно к нейтральному положению) фазная обмотка противодействует этому движению.

В чем заключается противодействие фазной обмотки? Обмотка статора должна создать соответствующее магнитное поле. То есть, когда магнит приближается северным полюсом, ему должен оказывать сопротивление северный полюс, так как одноименные полюса отталкиваются. Чтобы создать магнитное поле по обмотке должен протекать ток, направление которого определяется по рассмотренному выше правилу правой руки.

Для протекания тока в фазной обмотке необходимо напряжение (разность потенциалов). Вспоминаем, что электромагнит у нас — это также катушка, подключенная к источнику постоянного тока. В ее витках потенциал от плюса к минусу плано изменяется от +m до -m Вольт, а в середине обмотки 0 Вольт. По такому же принципу определяем, что в точке 3, где происходит максимальное взаимодействие магнитных полей, потенциалы на выводах фазной обмотки максимальны и равны +u и -u Вольт. Потенциалы на выводах фазной обмотки равны нулю, когда магнит находится в положении 1. Двигаясь к точке 3 потенциалы на выводах фазной обмотки по модулю увеличиваются, а при дальнейшем движении к нейтральному положению уменьшаются. Таким образом мы получаем синусоиды потенциалов на выводах генератора. Вычитая одну синусоиду из другой (разность потенциалов) мы приходим к синусоиде переменной ЭДС (напряжения, если подключена нагрузка) генератора.

Важно! Магнит (ротор) должен постоянно вращаться. Как только он остановится, например в положении 3, в фазной обмотке образуется разность потенциалов и моментально она пропадет. Для постоянного поддержания переменной разности потенциалов в обмотке статора необходимо непрерывное изменение магнитного поля.

Разобравшись с приведенной моделью генератора переменного тока кратко рассмотрим следующую привычную модель:

По сути обе модели генераторов функционально одинаковы. Мы всего лишь фазную обмотку первого генератора разделили пополам и изменили форму статора. Единственное отличие заключается в том, что при одинаковом положении ротора на выводах фазной обмотки знаки потенциалов изменятся. К примеру возьмем положение 3, северный полюс сверху. В этом положении у первой модели генератора потенциал верхнего вывода фазной обмотки имел знак «+» (+u Вольт). Проанализируем, какой знак в этом положении будет у второй модели генератора. Середина обмотки в любом положении — это нулевой потенциал. Нужно определить направление тока, таким образом, чтобы образованное магнитное поле противодействовало магнитному полю ротора. По правилу правой руки при обхвате верхней катушки большой палец должен быть направлен вниз. То есть ток течет от нижнего вывода к нулю и далее к верхнему выводу. Ток течет от плюса к минусу, соответственно потенциал на верхнем выводе в рассматриваемый момент -u Вольт.

Завершая обзор можно отметить, что принцип работы генератора переменного тока прост. Дополнив стандартное объяснение потенциалами мы заглянули чуть глубже. Ведь все рассматривают только напряжение — разность потенциалов, и такой подход часто упрощенный и поверхностный. Если есть возможность хоть условно указать потенциалы точек, лучше это сделать. А зная потенциалы всегда можно прийти к напряжению генератора. Также для правильного формирования и анализа витков катушки важно знать простое правило правой руки.

Как работает генератор в автомобиле

Этот значок — контрольный индикатор отсутствия зарядки аккумулятора — загорается при напряжении ниже 12,8 В, то есть когда генератор не работает, а автомобильная электросеть питается только от аккумулятора.

Не всегда это означает, что генератор вышел из строя. Например, в исправном автомобиле этот индикатор загорается, когда двигатель не работает и водитель включает зажигание, и гаснет, как только мотор запускается и начинает крутить генератор.

Но если индикатор загорается при работающем двигателе, есть повод насторожиться: генератор либо не вращается, либо неисправен. При этом все бортовые системы автомобиля — от зажигания до аудиосистемы — питаются от аккумулятора, и машина будет работать лишь до тех пор, пока батарея полностью не разрядится. Поэтому ехать с горящим индикатором желательно сразу в сервис, чтобы потом не доставлять туда машину на эвакуаторе.

Рассказываем, как работает генератор, как он ломается и что можно сделать, если это случилось.

Что такое генератор

Автомобильный генератор — устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Он стоит под капотом и приводится в действие от двигателя с помощью поликлинового ремня. Когда работает двигатель — работает и генератор. Он снабжает электроэнергией все, что работает в машине от электричества: электронные блоки управления, осветительные приборы, катушки зажигания, усилитель рулевого управления, если он электрический, аудиосистему и многое другое. А еще заряжает аккумулятор.

В автомобилях с системой «мягкий гибрид» генератор выполняет функции стартера. Двигатель запускается почти бесшумно, а система «старт-стоп» не доставляет дискомфорта в пробках и на светофорах.

Из чего состоит автомобильный генератор

Ротор — вращающийся элемент, вал с двумя стальными сердечниками полюсов, между которыми расположена обмотка возбуждения. Ее концы выходят на медные или стальные контактные кольца, по которым ток поступает с регулятора напряжения на катушку возбуждения.

Статор — неподвижный элемент. Состоит из сердечника, набранного из металлических пластин, на которые навиты медные якорные обмотки. Типовой генератор современного легкового автомобиля — трехфазный синхронный переменного тока. В его статоре 36 пластин сердечника и три обмотки, соединенные схемой «звезда» — с четырьмя выводами.

Диодный мост, он же выпрямительный блок, — схема, которая преобразует переменный ток в постоянный. Именно постоянным током заряжается аккумулятор и питаются все автомобильные потребители. Мост состоит из набора силовых диодов, обычно запрессованных в массивные теплоотводящие пластины радиатора. Для питания обмотки возбуждения обычно используется отдельный каскад выпрямителя.

Регулятор напряжения. Полупроводниковая схема, которая регулирует ток в обмотке возбуждения ротора, поддерживая стабильное выходное напряжение независимо от мощности подключенных потребителей и частоты вращения ротора. При включении «прожорливых» устройств — обогрева стекол, фар, подогрева сидений — регулятор увеличивает ток в обмотке возбуждения. Он также обеспечивает условия для правильной зарядки аккумулятора: увеличивает напряжение в бортовой сети при низкой температуре воздуха зимой и уменьшает — при высокой летом. Это позволяет оптимизировать зарядку батареи, предупреждая ее перезаряд и перегрев.

Щеточный узел. Пластиковый фиксатор с графитовыми подпружиненными щетками, которые касаются контактных — токосъемных — колец на валу ротора. Часто этот узел выполняют в одном корпусе с регулятором напряжения. Это позволяет не менять генератор каждый раз, когда стираются щетки или выходит из строя регулятор: проще заказать и поменять деталь.

Корпус обычно сделан из алюминиевого сплава. Он состоит из задней и передней крышки. Со стороны задней крышки устанавливают диодный мост, регулятор напряжения и щетки генератора, а к передней крепят статор. Также в каждой крышке есть подшипники для свободного вращения ротора.

Привод, или шкив, — не часть генератора, но элемент, соединяющий ротор генератора с коленчатым валом двигателя через клиновый ремень. Диаметр шкива напрямую влияет на скорость вращения генератора: чем он меньше, тем быстрее вращается. Чтобы вращение передавалось без рывков, на шкив ставится обгонная муфта.

Принцип работы генератора

По конструкции генератор идентичен синхронному электродвигателю переменного тока, который работает за счет электромагнитной индукции. Различие только в основном назначении: генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а электродвигатель — наоборот.

Любой генератор может работать как электродвигатель, а любой электродвигатель — как генератор. Поэтому в «мягких гибридах» генератор выполняет роль в том числе стартера.

Разберем, как работает электрогенератор:

1. Когда двигатель вращается, крутящий момент с коленвала передается через ремень на шкив генератора.
2. Шкив вращает ротор. Ток, протекающий через обмотку возбуждения ротора, создает постоянное магнитное поле — ротор как бы превращается во вращающийся постоянный магнит. Вращающееся магнитное поле за счет электромагнитной индукции создает в обмотках статора электродвижущую силу — электрическое напряжение.
3. Выпрямитель преобразует трехфазный переменный ток, который снимается с обмоток статора генератора, в постоянный.
4. Регулятор контролирует ток возбуждения ротора и тем самым поддерживает напряжение бортовой сети на уровне 13⁠—⁠13,5 В летом и 14⁠—⁠14,5 В зимой: при разной температуре аккумулятор требует разного напряжения зарядки.

Основные параметры генератора

Номинальное напряжение для легковых авто — 12 В, для мототехники — 6⁠—⁠12 В, для грузовиков и спецтехники — от 24 В. Напряжение генератора должно соответствовать стандарту напряжения бортовой сети: 6, 12 или 24 В.

Номинальный ток — сила тока, при которой генератор работает в оптимальном тепловом режиме, а его обмотки не перегреваются. Для каждого автомобиля номинальный ток рассчитывается исходя из мощности всех энергопотребителей. Обычно на легковые авто устанавливают генераторы с током от 60 до 140 А.

Если установить в машину мощный сабвуфер, стекла с обогревом или дополнительное освещение, штатный генератор может не справиться — придется ставить более мощный. Отбор мощности от двигателя на электропитание увеличится, но потеря мощности «на колесах» составит 2⁠—⁠3 л. с., что для современных авто от 80⁠—⁠100 л. с. не выглядит существенным.

Точно рассчитать номинальный ток нового генератора помогут в сервисном центре, но обычно хватает модели с током на 30⁠—⁠50 А больше.

Номинальная частота вращения — частота вращения ротора, при которой генератор способен выработать номинальный ток. Обычно это значение принимают за 5000 или 6000 оборотов в минуту.

Частота самовозбуждения — частота вращения ротора, при которой генератор выходит «на самообеспечение», то есть дает минимальный ток, способный питать обмотку возбуждения. Она должна быть меньше, чем скорость вращения генератора при работе двигателя на холостом ходу, чтобы даже в этом режиме не разряжать аккумулятор.

Коэффициент полезного действия — отображает эффективность конвертации механической энергии в электрическую. Стандартный КПД генераторов — 60⁠—⁠80%.

Частые неисправности генератора

Обрыв приводного ремня можно исправить относительно быстро, если есть запасной. Чтобы заменить ремень, достаточно ослабить натяжитель. Обычно ремень меняют каждые 80 000⁠—⁠100 000 км, к этому пробегу он стирается и растягивается, из⁠-⁠за чего может слететь или порваться.

Выход из строя регулятора напряжения. Возможные причины:

1. Короткое замыкание в цепи возбуждения, в том числе между витками обмотки возбуждения генератора. В последнем случае замена регулятора не поможет — придется разбираться и с генератором.
2. Пробило диоды выпрямителя.
3. Подключали аккумулятор и нарушили полярность.
4. Щетки разрушились.
5. Внутрь корпуса регулятора попала влага.

Генератор может отключиться от бортовой сети, тогда все потребители перейдут на питание от аккумулятора. Напряжение при этом падает ниже 12,8 В, а на панели загорается красный индикатор отсутствия зарядки.

В некоторых случаях напряжение в бортовой сети может подняться выше 15 В, тогда контрольный индикатор не загорится. Аккумулятор будет перезаряжаться, электронные системы начнут вести себя неадекватно, могут перегореть лампы и предохранители.

Сам регулятор ставят у задней крышки генератора, обычно его несложно заменить, если он выйдет из строя.

Износ щеток и/или токосъемных колец — и то и другое попросту стирается. В современных автомобильных генераторах щеточный узел стоит в корпусе регулятора напряжения. Поэтому в большинстве случаев достаточно заменить регулятор напряжения, хотя иногда конструкция позволяет заменить щетки отдельно.

С токосъемными кольцами сложнее: чтобы их заменить, придется разбирать корпус генератора, а для этого — отпаивать концы обмотки от диодного моста. Сделать это человеку без опыта довольно сложно.

Осматривать щетки и токосъемные кольца стоит каждые три⁠-⁠четыре года или 100 000 км пробега, а также перед любой дальней поездкой.

Повреждение корпуса. На некоторых машинах генератор устанавливают близко к днищу, и наезд на высокое препятствие может повредить его корпус. Для авто с такой особенностью помимо защиты картера дополнительно выпускают защиту генератора, иногда ее нужно докупать отдельно.

Износ подшипников. Проблема диагностируется шумом или свистом подшипников, в запущенных случаях ротор может заклинить. Менять их самостоятельно хлопотно, лучше обратиться в сервис. Подшипники могут зашуметь при пробеге 120 000⁠—⁠150 000 км или раньше, если на автомобиле не стоит защита двигателя — хотя бы пластиковая, от пыли и грязи.

Обрыв или оплавление обмотки возбуждения или контактных колец. Чаще всего это происходит из⁠-⁠за люфта подшипников. Ротор может тереться о неподвижные детали статора. В редких случаях проблема возникает из⁠-⁠за грязи в вентиляционных отверстиях корпуса: генератор охлаждается плохо, обмотка оплавляется.

Обмотку проверяют мультиметром в режиме сопротивления. У исправной обмотки оно должно быть 2⁠—⁠5 Ом. Меньшее значение указывает на замыкание между витками, обычно дело в разрушенном слое изоляции. Более высокое сопротивление говорит об обрыве или плохом контакте.

Пробой выпрямителя — диодного моста. Обычно мост выгорает при скачке напряжения: например, когда машину подключают проводами к другой машине, чтобы запустить. Или когда отключают аккумулятор от бортовой сети при работающем моторе, чтобы проверить генератор «народным методом». Мы не рекомендуем так делать. Аккумулятор сглаживает скачки напряжения, а если его отключить, может сгореть что угодно: например, регулятор напряжения или блок управления двигателем.

Еще диоды может пробить, если перепутать полярность при установке аккумулятора.

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinw t; e₂ = -Blvsinw t; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

• зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
• характеристики внешних параметров;
• регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

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 генераторов

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: