Генератор постоянного тока – это электрическая машина, производящая напряжение постоянной величины.
За этим вполне банальным определением кроется очень сложное устройство, являющееся практически совершенством технической мысли. Ведь с момента изобретения в конце XIX века устройство генератора постоянного тока не претерпело существенных изменений.
Никакая энергия не возникает просто так, ниоткуда. Она — всегда порождение другой силы. Это касается и электрического тока. Чтобы он возник, нужно магнитное поле, позволяющее использовать эффект электромагнитной индукции - возбуждение ЭДС во вращающемся проводнике.
Если к концам петли проводника, внутри которой вращается постоянный магнит, подключить нагрузку, то в ней потечет переменный ток. Произойдет это потому, что полюса магнита меняются местами. На этом эффекте основан , являющихся братьями-близнецами машин постоянного напряжения.
Вся хитрость, благодаря которой получаемый ток не меняет направления, заключается в том, чтобы успевать коммутировать точки подключения нагрузки с той же скоростью, с какой вращается магнит. Осуществить эту задачу может только коллектор – особое устройство, состоящее из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно закрепляется на якоре электрической машины и вращается синхронно с ним.
Съем электрической энергии с якоря осуществляется щетками – кусочками графита, имеющего высокую электропроводность и низкий коэффициент трения скольжения. В тот момент, когда токопроводящие сектора коллектора меняются местами, индуцируемая ЭДС становится нулевой, но изменить знак она не успевает, поскольку щетка передана токосъемному сектору, подключенному к другому концу проводника.
В результате, на выходе устройства получается пульсирующее напряжение одной величины. Чтобы сгладить пульсацию напряжения используется несколько якорных обмоток. Чем их больше, тем меньше броски напряжения на выходе генератора.
Количество токосъемных секторов на коллекторе всегда в два раза больше, чем обмоток якоря.
Съем генерируемого напряжения с обмотки якоря, а не статора, является коренным отличием машины постоянного тока от переменного. Это же предопределило и их существенный недостаток: потери на трение между щетками и коллектором, искрение и нагрев.
Выясняем, как устроен агрегат
Как любая электрическая машина, генератор постоянного тока состоит из якоря и статора.
Якорь собирается из стальных пластин с углублениями, в которые укладываются обмотки. Их концы подсоединяются к коллектору, состоящему из медных пластин, разделенных диэлектриком. Коллектор, якорь с обмотками и вал электрической машины после сборки становятся единым целым.
Статор генератора является одновременно и его корпусом, на внутренней поверхности которого закрепляется несколько пар постоянных или электрических магнитов. Обычно используются электрические, сердечники которых могут быть отлиты вместе с корпусом (для машин малой мощности) или набраны из металлических пластин.
Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток.
В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.
Типы подключения электрических магнитов статора
Генераторы постоянного тока различаются по типу подключения электрических магнитов статора. Они могут быть:
- с независимым возбуждением;
- параллельным;
- последовательным.
При независимом возбуждении электрические магниты статора подключаются к автономному источнику постоянного тока. Обычно это делается через реостат. Достоинством такой схемы является возможность регулировки генерируемой электрической мощности в широких пределах. Недостатком – необходимость иметь дополнительный источник питания.
Остальные два способа являются частными случаями самовозбуждения генератора, которое возможно при небольшом остаточном магнетизме статора. При параллельной работе генератора постоянного тока электромагниты статора питаются частью генерируемого напряжения. Это самая распространенная схема.
При последовательном возбуждении цепь электромагнитов включается последовательно с нагрузочной цепью якоря. Величина тока, протекающего по электромагнитам, существенно зависит от нагрузки генератора. Поэтому такая схема используется только для подключения тяговых двигателей постоянного тока, которые при торможении переходят в режим генерации.
Применяется и смешанная схема подключения обмотки возбуждения – параллельно-последовательная . Для этого на каждом полюсе электромагнита должно быть две изолированные обмотки (включаемая последовательно обычно состоит всего из двух–трех витков).
Такие электрические машины применяются в том случае, если требуется ограничить ток короткого замыкания в нагрузке. Например, в мобильных сварочных агрегатах.
Наличие коллекторно-щеточного узла существенно усложняет конструкцию электрической машины. Кроме того, передача генерируемой энергии через него осуществляется с большими потерями и физическими нагрузками. Поэтому, там где это возможно, машины постоянного тока заменяют с выпрямительным мостом. Таковы, например, все автомобильные источники электроэнергии.
Устройство и принцип работы генератора постоянного тока на видео
Генератор предназначен для снабжения всех электрических систем автомобиля при работающем двигателе. АКБ хоть и хранит некоторый запас энергии, но из-за ограниченной емкости без подзарядки она быстро истощится. Все потребности в электроэнергии, включая подзарядку АКБ, обеспечиваются генератором, который приводится в действие двигателем с помощью ременной передачи. Для подзарядки аккумулятора требуется постоянный ток, поэтому необходим либо генератор постоянного тока (динамо-машина), либо генератор переменного тока с выпрямителем.
В настоящее время на автотракторной технике используются только генераторы переменного тока в силу своих преимуществ. Однако до внедрения полупроводников, использовались генераторы постоянного тока.
Из-за конструктивных особенностей, такие электромашины постоянного тока имели существенные недостатки, например, невозможность заряда АКБ при работе двигателя на холостом ходу.
В связи с широким внедрением электрических устройств в конструкцию автомобиля, возросшие потребности в электроэнергии, генератор постоянного тока не способен был удовлетворить из-за того, что мощность приходилось снимать с вращающегося коллектора угольными щетками, поскольку ток индуцируется в роторе, тогда как обмотки возбуждения неподвижны (рис. 1 а).
Рис. 1. Принципиальные схемы генераторов:
а) постоянного тока (неподвижное магнитное поле),
б) переменного тока (вращающееся магнитное поле);
1-якорь; 2-коллектор с щетками; 3-статор;
Ф – магнитный поток; I –ток; ω – угловая скорость
У генератора переменного тока (рис. 1 б), обмотки, в которых образуется основной ток, неподвижны, а обмотки возбуждения достаточно легкие и могут вращаться со значительно большей скоростью, чем ротор генератора постоянного тока. При соответствующем подборе передаточного отношения привода, ротор генератора переменного тока может вращаться с достаточной скоростью, чтобы на холостых оборотах давать положительную мощность для зарядки АКБ.
Преобразование механической энергии, получаемой генератором от двигателя в электрическую, происходит в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Если изменяющийся магнитный поток, пронизывает катушку с изолированными друг от друга витками токопроводящего провода, то на выводах катушки возникает ЭДС, пропорциональная произведению числа витков на скорость изменения магнитного потока:
E к =-WLBV ,
где W – количество витков рамки; B – магнитная индукция, Тл; L – длина части рамки (проводника), м; V – вектор линейной скорости перемещения рамки относительно неподвижного магнитного поля, м/с.
Знак минус означает, что если под действием ЭДС E к по рамке начнет протекать ток (при подключении нагрузки), то созданное этим током магнитное поле будет противодействовать механической силе, приводящей рамку во вращение.
Рассмотрим конструкцию и принцип действия некоторых типов генераторов переменного тока. В автотракторных генераторах ЭДС в катушках наводится путем изменении магнитного потока электромагнита:
По величине и направлению (щеточный вентильный генератор);
Только по величине (бесщёточный генератор индукторного типа).
Основные узлы генератора переменного тока (рис. 2), в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую:– магнитная система с обмоткой возбуждения и стальными участками магнитопровода, по которым протекает магнитный поток Ф ;
– обмотки статора, в которых индуктируется ЭДС при изменении магнитного потока ротора.
Рис. 2. Принципиальная схема вентильного синхронного генератора
Самый распространенный тип генератора переменного тока. В нем магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 (рис. 2) при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. Число полюсов всегда кратно двум и, как правило, в реальных конструкциях генераторов их двенадцать.
Полюса с обмоткой возбуждения, кольца , через которые ток от щеток подводится к обмотке возбуждения, вал и другие конструктивные элементы образуют вращающийся ротор .
Статор 7 представляет собой магнитопровод, собранный из стальных пластин. В пазы неподвижного магнитопровода уложена обмотка статора 2, в которой индуктируется электрический ток. Обмотка состоит из трех независимых обмоток фаз (рис. 3), которые (условно обозначены буквами A, B, C) расположены на соседних зубцах статора таким образом, что наводимые в них ЭДС смещены относительно друг друга на 1/3 периода или 120º. В каждой фазе имеется по шесть катушек, включенных последовательно.
Рис. 3. Смещение наводимой ЭДС на соседних зубцах статора на 120º
Обмотки фаз могут быть соединены между собой в звезду или треугольник (рис. 4), но чаще применяется соединение звездой, которое дает более высокое напряжение между любой парой выводов по сравнению с соединением треугольником. Значение линейного напряжения составляет √3 (1,732) от фазного напряжения. При соединении треугольником, линейное напряжение будет равно фазному, а линейный ток составит 1,732 от одной пары катушек. Поэтому в генераторах большой мощности часто применяют соединение в треугольник, так как при меньших значениях тока, обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении в звезду. В этом случае обмотку статора выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в звезду, получается «двойная» звезда.
Выводы фаз обмотки статора соединяются с выпрямителем 1 (рис. 2).
Рис. 4. Соединение обмоток фаз: а) звездой; б) треугольником
При вращении ротора напротив зубцов статора с расположенными на них обмотками фаз оказываются то северный N, то южный S полюсы ротора. Магнитный поток Ф , пронизывающий обмотки статора, изменяется по величине и направлению, что по закону Фарадея достаточно для появления на их выводах переменного электрического напряжения.
При этом в обмотках фаз будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС:
E ф =4,44fw k об Ф,
где f – частота тока, Гц; w – число витков обмотки одной фазы; k об – обмоточный коэффициент, зависящий от числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу; Ф – магнитный поток;
f=pn/60, k=z/(2pm),
где z – число пазов; m – число фаз; p – количество пар полюсов.
В вентильных генераторах р обычно равно 6, поэтому частота их переменного тока в 10 раз меньше частоты вращения ротора.
Чем выше частота вращения ротора и больше величина магнитного потока, тем быстрее происходит его изменение внутри катушек фаз статора и тем выше значения наводимого в них напряжения.
Рис. 5. Схема вентильного генератора с клювообразным ротором:
1-статор; 2-щетка; 3-обмотка статора; 4-клювообразные полюса;
5-обмотка возбуждения; 6-контактные кольца (коллектор); 7-втулка
Вентильные генераторы с клювообразным ротором (рис. 5) представляют собой синхронную электрическую машину со встроенным полупроводниковым выпрямителем. Ротор автомобильного вентильного генератора состоит из двух полюсных половин, выступы (клювы) 4 которых образуют у одной половины северную, а у другой – южную систему полюсов. Южные полюса располагаются между северными, а обмотка возбуждения 5, надетая на стальную втулку 7, оказывается зажатой между полюсными половинами. Клювообразное исполнение ротора позволяет с помощью одной катушки образовать многополюсную систему. Таким образом, ротор представляет собой электромагнит с вращающимся переменным электромагнитным полем, магнитодвижущая сила которого определяется как
F=I в W в ,
и может регулироваться путем изменения силы тока возбуждения I в , где W в – число витков обмотки возбуждения.
Пакет статора 1 набран из пластин электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. В пазах статора размещены катушки трехфазной обмотки 3. Увеличение числа пазов на полюс и фазу позволяет удовлетворить высокие требования к синусоидальности выходного напряжения и КПД. С помощью контактных колец 6 и щеток 2 к обмоткам возбуждения подводится ток I в для формирования переменного магнитного поля ротора.
Кроме того, вентильный генератор (рис. 6) оснащен выпрямительным блоком 3 для выпрямления переменного напряжения, создаваемого в обмотках 5 статора 4, шкивом 14 для привода ротора и вентилятором 13 для охлаждения нагревающихся обмоток.
Рис. 6. Генератор переменного тока:
1-задняя крышка; 2-щетки; 3-диод; 4-статор; 5-обмотка статора; 6-подшипник качения;
7-коллектор; 8,9-северный и южный полюса электромагнита; 10-обмотка ротора;
11-передняя крышка; 12-вентилляционное окно; 13-крыльчатка охлаждения;
14-шкив привода
В настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности выпускается множество различных генераторов переменного тока с клювообразным ротором (таблица 1), удовлетворяющих широкой спектр предъявляемых к ним требований.
Таблица 1
Основные параметры некоторых моделей генераторов
Мод.
ген-ра
Частота вращения без нагрузки, об/мин
Ном. напр., В±0,5
Ном.
ток, А
Доп. вып-рями-тель
Интег.
регу-р
напр-я
Г222
1250
14,3
есть
37-3701
1100
14,1
есть
есть
16.3701
1100
581.3701
1400
13,9
есть
955.3701
1050
14,2
есть
есть
Индукторные генераторы
Индукторный генератор представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную синхронную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением (рис. 7). Стальная звездочка ротора 2 вращается вместе с валом 5, который проходит внутри неподвижной втулки 8. На втулке закреплена обмотка 7 возбуждения, а на зубцах статора – обмотка 6 статора. При прохождении постоянного тока через обмотку возбуждения в магнитной цепи генератора возникает магнитный поток, силовые линии которого показаны штриховой линией на рисунке 7. Магнитный поток замыкается через воздушный зазор между втулкой и валом, звездочку ротора, рабочий зазор между ротором и статором, пакет статора, крышку со стороны катушки возбуждения и толстостенную шайбу или фланец втулки.
Рис. 7. Схема генератора индукторного типа:
1-магнитопровод статора; 2- ротор (стальная звездочка);
3-крышка задняя (передняя крышка является частью магнитопровода);
4-подшипник; 5-вал; 6-обмотка статора; 7-обмотка возбуждения;
8-магнитная система индуктора (втулка с фланцем); 9-постоянный магнит
Все зубцы звездочки имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Ф mах (рис. 8), когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимального значения Ф min , когда ось зубца статора совпадает с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим и изменяется только по величине без изменения направления.
Рис. 8. Изменение магнитного потока в зубце статора по времени
Для большей степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закрепляют постоянные магниты. Индукторный генератор может быть однофазным или многофазным, это зависит от числа фазных катушек статора, их расположения и способа соединения. В трехфазных индукторных генераторах статор имеет, как правило, девять зубцов с обмотками.
Обмотка каждой фазы может иметь несколько катушек, соединенных последовательно, параллельно и смешано Фазы обмотки статора соединяют в многолучевую звезду или многоугольник.
Величина индуктируемой ЭДС зависит от амплитуды магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты n вращения ротора. Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения ротора можно получить требуемое напряжение. Амплитуда магнитного потока зависит от величины тока возбуждения обмотки возбуждения.
В настоящее время в отечественной промышленности выпускается индукторный генератор 955.3701 переменного тока с неподвижной аксиально-продольной катушкой возбуждения. Генератор оборудован пятифазной обмоткой статора и пятифазным выпрямителем. Ротор этого генератора выполнен в виде шестилучевой звезды, набранной из тонких листов электротехнической стали. Во впадинах звезды расположены постоянные магниты, которые способствуют началу самовозбуждения генератора и несколько повышают его мощность. Также, кроме основной обмотки возбуждения в данном генераторе имеется дополнительная, размагничивающая, обмотка, нейтрализующая действие постоянных магнитов на высоких оборотах ротора генератора. Обмотка статора расположена на 10 зубцах статорного магнитопровода (шаг зубцов – 36º) и разбита на пять фазных секций по две зубцовые катушки в каждой секции. Зубцовые катушки одной и той же фазной секции разнесены между собой по периметру статора на 180º.
Возможны и другие варианты исполнения статора и подключения обмоток фаз в индукторных генераторах. Но в настоящее время по таким параметрам, как КПД, масса, габариты, индукторные генераторы уступают генераторам с контактными кольцами.
Бесщеточные вентильные генераторы
Бесщеточные генераторы являются разработкой на базе конструкции генератора с клювообразным исполнением ротора (рис. 9).
Рис. 9. Бесщеточный генератор:
а) с воздушным охлаждением: 1-шкив; 2-вентилятор; 3-передняя крышка; 4-вращающийся магнитопровод; 5-статор; 6-неподвижная обмотка возбуждения; 7-вал; 8-задняя крышка; 9-регулятор напряжения; 10-диод; 11-кронштейн крепления; 12-подшипник;
б) с жидкостным охлаждением: 1-шкив; 2-выпрямитель; 3-передняя крышка; 4-корпус генератора; 5-охлаждающая жидкость; 6-кожух рубашки охлаждения; 7-ротор; 8-обмотка статора; 9-статор; 10-немагнитное промежуточное кольцо; 11-вращяющийся магнитопровод (полюс); 12-неподвижная обмотка возбуждения; 13-регулятор напряжения
В генераторах такого типа вращаются только клювообразные полюсы 11 (рис. 9 б), а обмотка возбуждения 12 остается неподвижной. Одна из полюсных половин удерживается напротив другой посредством немагнитного кольца 10. Магнитный поток, кроме нормального рабочего зазора, должен пересекать два дополнительных воздушных зазора. Выпрямитель 2 подает ток на обмотку возбуждения непосредственно через регулятор напряжения 13.
Масса таких генераторов несколько больше, чем у щеточных генераторов с клювообразными полюсами, той же мощности.
Бесщеточные генераторы жидкостного охлаждения излучают меньше шума из-за отсутствия вентилятора, и способны к интеграции с блоком цилиндров двигателя.
Также существуют конструкции генераторов с укороченными клювами (рис. 10), которые можно получить конструктивно, если раздвинуть клювообразные половины полюса щеточного генератора так, чтобы они не перекрывали друг друга и в образовавшуюся щель пропустить крепежный элемент 4 (немагнитную обойму) и электрические провода обмотки возбуждения 1.
Рис. 10. Схема бесщеточного вентильного генератора с укороченными полюсами:
1-обмотка возбуждения; 2-полюсные половины с укороченными клювами; 3-втулка;
4-крепежный элемент обмотки возбуждения; 5-статор; 6-обмотка статора
Обмотка возбуждения находится в подвешенном состоянии над стальной втулкой 3 между двумя полюсными половинами 2. При вращении вала генератора, вращаются только намагниченные звездочки, однако площадь их полюсных наконечников мала (по сравнению с щеточными генераторами), и вследствие меньшей амплитуды переменного магнитного потока на зубцах статора, электрическая мощность вырабатываемая таким генератором будет ниже. Но достоинством конструкции является небольшая масса ротора, что позволяет увеличить рабочие обороты генератора, и, следовательно, вырабатываемую им мощность.
Выпрямление переменного тока
Переменный ток вентильных генераторов выпрямляется полупроводниковыми кремниевыми диодами. Диоды имеют два вывода и пропускают ток только от анодного вывода к катодному, когда к аноду подведен положительный потенциал. В противоположном направлении диоды ток не пропускают, если обратное напряжение не превышает допустимого значения.
В выпрямителях генераторов используют диоды прямой и обратной полярностей. У диода прямой полярности с корпусом соединен катод, а у диода обратной полярности – анод. В зависимости от числа фаз генератора применяют трех- и пяти фазные выпрямители.
Рис. 11. Выпрямление переменного тока генератора:
а) однополупериодное выпрямление однофазного переменного тока;
б) двухполупериодное выпрямление однофазного переменного тока;
в) однополупериодное выпрямление трехфазного тока;
г) двухполупериодное выпрямление трехфазного тока;
G - генератор; VD - выпрямитель (диод); R - нагрузка; A, B, C - фазы генератора
По форме выпрямленного напряжения различают одно- и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодные выпрямители однофазного источника G (рис. 11 а) переменного тока обеспечивает один диод VD , который включается последовательно с нагрузкой R .
Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока собирают мостовой выпрямитель из четырех диодов VD1 – VD4 (рис. 11 б). Положительная полуволна (первый полупериод) переменного напряжения открывает диоды VD1 и VD4 . Во втором полупериоде открыты диоды VD2 и VD3 . В течение всего времени работы генератора с мостовым выпрямителем на нагрузку R подается выпрямленное напряжение U d одного знака.
Если в каждую фазу трехфазного вентильного генератора включить по одному диоду VD1 , VD2 и VD3 (рис. 11 в), можно получить однополупериодный выпрямитель трехфазного тока. Каждый диод выпрямителя проводит ток только в течение 1/3 периода, когда напряжение приложено к нему в прямом направлении.
Двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока имеет три пары диодов – VD1 – VD6 (рис. 11 г). Одно плечо выпрямителя образуют диоды VD1 – VD3 прямой полярности, которые катодами соединены с положительным выводом вентильного генератора. Во втором плече выпрямителя установлены диоды VD4 – VD6 обратной полярности. Их аноды соединены с массой. В проводящем направлении работает один из диодов VD1 , VD2 или VD3 , у которого анод имеет наибольший потенциал, а в группе диодов VD4 – VD6 – диод с самым низким потенциалом. Когда в фазе А напряжение положительно и максимально, а в фазах В и С напряжения отрицательны и равны, ток в нагрузку R поступает через открытый диод VD1 и два диода VD5 и VD6 . Если напряжение фазы А равно нулю, в фазе В – положительно, а в фазе С – отрицательно, ток проводят диоды VD2 и VD4 . Остальные диоды тока не пропускают.
Частота пульсаций f п выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем напряжения U d в 6 раз больше частоты переменного тока.
Выпрямление переменного тока;
Подбор обмоточных данных, обеспечивающих номинальное напряжение при минимальной частоте вращения ротора, соответствующей режиму холостого хода двигателя;
Самоограничение силы отдаваемого тока.
Основными параметры вентильного генератора являются: выпрямленное напряжение U d , частота вращения ротора n и мощность P (или сила тока I d , отдаваемого генератором при заданном напряжении).
Зависимость выпрямленного напряжения U d от силы тока возбуждения I в при отключенной нагрузке и постоянной частоте вращения ротора n называют характеристикой холостого хода (рис. 12). В режиме холостого хода выпрямленное напряжение равно ЭДС E d . Характеристики холостого хода вентильных генераторов получают при независимом возбуждении.
Внешние характеристики вентильных генераторов представляют собой зависимости выпрямленного напряжения U d (рис. 12 б) от силы тока нагрузки I d при постоянной частоте вращения ротора, напряжении на выводах обмотки возбуждения и ее сопротивлении. При увеличении нагрузки выпрямленное напряжение падает под действием реакции якоря, в результате уменьшения напряжения в цепи статора (якоря) и в выпрямителе, причем падение напряжения в обмотках статора значительно и зависит от частоты вращения ротора.
Рис. 12. Характеристики вентильного генератора:
а) холостого хода; б) внешняя; n max , n ср , n p , n 0 – частота вращения ротора соответственно максимальная, средняя, расчетная и начала отдачи; U dн – выпрямленное номинальное напряжение
Внешние характеристики вентильных генераторов определяются при самовозбуждении и независимом возбуждении. Снижение напряжения при увеличении нагрузки происходит не только на активном, но и на индуктивном сопротивлениях обмоток статора. В случае самовозбуждения вентильного генератора падает напряжение на самой обмотке возбуждения. Размагничивающее действие реакции якоря уменьшает магнитный поток в рабочем воздушном зазоре между ротором и статором.
По семейству внешних характеристик определяется максимальная сила выпрямленного тока I dmax которая создается при заданном или регулируемом значении напряжения.
Скоростная регулировочная характеристика (рис. 13 а) вентильного генератора представляет собой зависимость силы тока возбуждения I в от частоты вращения ротора n при постоянном напряжении U гн генератора. Обычно она определяется при нескольких значениях силы тока нагрузки.
Минимальная сила тока возбуждения определяется при силе тока нагрузки, равной нулю, и максимальной частоте вращения ротора вентилятора генератора. Скоростные регулировочные характеристики позволяют определить диапазон изменения силы тока возбуждения от изменения нагрузки при постоянном напряжении.
При увеличении частоты вращения ротора n и неизменной нагрузке вентильного генератора сила тока I в возбуждения должна уменьшаться (рис. 13 а), а при увеличении силы тока нагрузки – возрастать (рис. 13 б).
Напряжение генератора необходимо поддерживать постоянным в диапазоне частот вращения ротора от n 0 до n max при этом сила тока возбуждения будет изменяться от максимального I вmax до минимального I вmin значения.
Кратность регулирования по силе тока возбуждения больше, чем кратность регулирования по частоте вращения ротора. Это происходит потому, что характеристика намагничивания вентильного генератора имеет нелинейный характер, возникает глубокое насыщение магнитной цепи. Наибольшая кратность регулирования по току возбуждения возможна в режиме холостого хода.
Рис. 13. Зависимости напряжения генератора и силы тока возбуждения:
а) от частоты вращения ротора;
б) от силы тока нагрузки;
U гн – номинальное напряжение
В связи с непрерывным изменением режима движения автомобиля и, следовательно, частоты вращения ротора и нагрузки вентильного генератора важной является токоскоростная характеристика зависимости силы выпрямленного тока I d , которую вентильный генератор может отдавать потребителям при заданном напряжении, от частоты вращения ротора n (рис. 14).
Токоскоростная характеристика снимается при постоянном выпрямленном напряжении U d = const и постоянном токе возбуждения I в = const . Контрольными являются значения начальной частоты n 0 отдачи генератора, максимальная сила тока I dmax при n max . Расчетные частоты вращения ротора n р и сила тока I dp , определяются в точке касания токоскоростной характеристики 1 и прямой 2, проведенной из начала координат. Этой точке соответствует максимальное значение отношения расчетной мощности P dp к расчетной частоте вращения ротора n р (режим максимального нагрева вентильного генератора).
Рис. 14. Токоскоростная характеристика
Токоскоростная характеристика используется при разработке или выборе вентильного генератора. Она может быть определена при независимом возбуждении, самовозбуждении и работе вентильного генератора с регулятором напряжения.
Все современные автомобильные генераторы обладают свойством самоограничения силы максимального тока. В большом диапазоне частот вращения ротора сила тока возрастает медленно, а при максимальной частоте вращения ротора не превышает заданного максимального значения. Это связано с тем, что с ростом частоты вращения ротора генератора, а следовательно, с ростом частоты индуктируемого в обмотке статора тока повышается индуктивное сопротивление обмотки, поэтому сила тока увеличивается медленнее, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению.
Преобразование механической энергии в электрическую происходит при помощи генератора тока. В основном, практикуется использование вращающихся электромашинных генераторов. При вращении, в проводнике возникает электродвижущая сила под действием изменяющегося магнитного поля. Часть генератора, создающая магнитное поле, называется индуктором, а та часть, где образуется электродвижущая сила, носит название якоря.
Принцип действия
Вращающаяся часть генератора называется ротором, а его неподвижная часть является статором. Генератор переменного тока имеет статор и ротор, которые по своей конструкции могут быть одновременно якорем и индуктором.
Практически, всю электроэнергию на мировых электростанциях производят электрогенераторы переменного тока. При вращении индуктора, создается магнитное поле, которое вращается и наводит в обмотке статора переменную электродвижущую силу. Ее частота полностью совпадает с частотой вращения ротора.
Элементы генератора
В состав магнитной системы статора входят тонкие стальные листы, спрессованные в пакет. В пазах этого пакета размещается обмотка статора. Она включает в себя три фазы, сдвинутые относительно друг друга на одну третью часть периметра статора. Электродвижущие силы, индуцированные в обмотках фаз, так же сдвинуты между собой на 1200. Каждая фаза имеет обмотку, состоящую из катушек с множеством витков, соединяемых между собой параллельно или последовательно. Части катушек, выступающие из пазов, носят название лобовых соединений статора.
В индукторе и статоре, количество полюсов может быть и более двух. Количество полюсов полностью зависит от частоты вращения ротора. При замедлении вращения ротора может иметь возрастающее число полюсов.
Массивный стальной сердечник ротора содержит в себе обмотку возбуждения генератора. Данная конструкция применяется для электрогенераторов переменного тока, работающих с высокой частотой вращения. Это вызвано тем, что при высоких скоростях вращения, обмотка ротора подвержена действию больших центробежных сил. Большое количество полюсов предполагает наличие отдельной обмотки возбуждения у каждого полюса, что характерно для электрогенераторов, работающих на малых скоростях.
В гидротурбинах генераторы переменного тока могут иметь конструкцию с вертикальным расположением вала. При работе в зависимости от мощности, может применяться воздушное, водородное, водяное или масляное охлаждение.
Генератор переменного тока или генератор постоянного тока представляют собой устройство выработки электричества путём преобразования механической энергии.
Как выглядит генератор переменного тока
Как работает генератор переменного тока? Ток генерируется в проводнике под действием магнитного поля. Удобно вырабатывать ток, если вращать прямоугольную электропроводную рамку в неподвижном поле или постоянного магнита внутри её.
При его вращении вокруг оси создаваемого им магнитного поля внутри рамки с угловой скоростью ω, вертикальные стороны контура будут активными, поскольку они пересекаются магнитными линиями. На совпадающие по направлению с магнитным полем горизонтальные стороны нет никакого действия. Поэтому в них ток не индуцируется.
Как выглядит генератор с магнитным ротором
ЭДС в рамке составит:
e = 2 B max lv sin ωt ,
B max – максимальная индукция, Тл;
l – высота рамки, м;
v – скорость рамки, м/с;
t – время, с.
Таким образом, от действия изменяющегося магнитного поля в проводнике индуцируется переменная ЭДС.
Для большого количества витков w , выразив формулу через максимальный поток F m , получим такое выражение:
e = wF m sin ω t .
Принцип работы генератора переменного тока другого типа основан на вращении токопроводящей рамки между двумя постоянными магнитами с противоположными полюсами. Простейший пример приведён на рисунке ниже. Появляющееся в ней напряжение снимается токосъёмными кольцами.
Генератор тока с постоянными магнитами
Применение устройства не очень распространено из-за нагрузки подвижных контактов большим током, проходящим через ротор. Конструкция первого приведённого варианта также их содержит, но через них подаётся значительно меньше постоянного тока через витки вращающегося электромагнита, а основная мощность снимается с неподвижной обмотки статора.
Синхронный генератор
Особенностью устройства является равенство между частотой f , наведённой в статоре ЭДС и частотой оборотов ротора ω :
ω = 60∙ f / p об/мин,
где p – количество пар полюсов в обмотке статора.
Синхронный генератор создаёт в обмотке статора ЭДС, мгновенное значение которой определяется из выражения:
e = 2 π B max lwDn sin ω t,
где l и D – длина и внутренний диаметр сердечника статора.
Синхронный генератор вырабатывает напряжение с синусоидальной характеристикой. При подключении к его выводам С 1 , С 2 , С 3 потребителей, через цепь протекает одно-, или трёхфазный ток, схема ниже.
Схема трехфазного синхронного генератора
От действия изменяющейся электрической нагрузки также изменяется механическая нагрузка. При этом увеличивается или снижается скорость вращения, в результате чего меняются напряжение и частота. Чтобы такое изменение не происходило, электрические характеристики автоматически поддерживают на заданном уровне через обратные связи по напряжению и току на роторной обмотке. Если ротор генератора выполнен из постоянного магнита, он имеет ограниченные возможности стабилизации электрических параметров.
Ротор принудительно приводится во вращение. На его обмотку подаётся индукционный ток. В статоре магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, индуцирует 3 переменные ЭДС со сдвигом по фазе.
Основной магнитный поток генератора создаётся от действия постоянного тока, проходящего через обмотку ротора. Питание может поступать от другого источника. Также распространён способ самовозбуждения, когда незначительная часть переменного тока забирается от обмотки статора и проходит через обмотку ротора после предварительного выпрямления. Процесс основан на остаточном магнетизме, которого достаточно для запуска генератора.
Основные устройства, вырабатывающие почти всю электроэнергию в мире – это синхронные гидро-, или турбогенераторы.
Асинхронный генератор
Устройство генератора переменного тока асинхронного типа отличается разницей частоты вращения ЭДС ω и ротора ω r . Она выражается через коэффициент, называемый скольжением:
s = (ω — ω r)/ ω.
В рабочем режиме магнитное поле тормозит вращение якоря и его частота ниже.
Асинхронный двигатель может работать в генераторном режиме, если ω r >ω, когда ток меняет направление и энергия отдаётся обратно в сеть. Здесь электромагнитный момент становится тормозящим. Применение этого свойства распространено при опусканиях грузов или на электротранспорте.
Асинхронный генератор выбирают, когда требования к электрическим параметрам не очень высокие. При наличии пусковых перегрузок предпочтительней будет синхронный генератор.
Устройство автомобильного генератора ничем не отличается от обычного, вырабатывающего электрический ток. Он вырабатывает переменный ток, который затем выпрямляется.
Как выглядит автомобильный генератор
Конструкция состоит из электромагнитного ротора, вращающегося в двух подшипниках с приводом через шкив. Обмотка у него всего одна, с подачей постоянного тока через 2 медных кольца и графитовые щётки.
Электронное реле-регулятор поддерживает стабильное напряжение 12В, не зависящее от скорости вращения.
Схема автомобильного генератора
Ток от АКБ поступает на обмотку ротора через регулятор напряжения. Момент вращения передаётся ему через шкив и в витках обмотки статора индуктируется ЭДС. Генерируемый трёхфазный ток выпрямляется диодами. Поддерживание постоянного выходного напряжения производится регулятором, управляющим током возбуждения.
Когда двигатель увеличивает обороты, ток возбуждения уменьшается, что способствует поддерживанию постоянного выходного напряжения.
Классический генератор
Конструкция содержит двигатель, работающий на жидком топливе, вращающий генератор. Обороты ротора должны быть стабильными, иначе качество выработки электричества снижается. При износе генератора скорость вращения становится ниже, что является существенным недостатком устройства.
Если нагрузка на генератор ниже номинальной, он будет частично работать вхолостую, съедая лишнее топливо.
Поэтому важно при его приобретении сделать точный расчёт требуемой мощности, чтобы он был правильно загружен. Нагрузка ниже 25% запрещается, так как это влияет на его долговечность. В паспортах указаны все возможные режимы работы, которые необходимо соблюдать.
Многие виды классических моделей имеют приемлемые цены, высокую надёжность и большой диапазон мощностей. Важно загружать его как следует и вовремя производить техосмотр. На рисунке ниже представлены модели бензинового и дизельного генераторов.
Классический генератор: а) – бензиновый генератор, б) – дизельный генератор
Дизельный генератор
Генератор приводит в действие двигатель, работающий на дизельном топливе. ДВС состоит из механической части, панели управления, системы подачи топлива, охлаждения и смазки. От мощности ДВС зависит мощность генератора. Если она требуется небольшая, например, на бытовые приборы, целесообразным является применение бензинового генератора. Дизельные генераторы применяются там, где нужна большая мощность.
ДВС применяются в большинстве с верхней установкой клапанов. Они компактней, надёжней, удобны в ремонте, меньше выделяют токсичных отходов.
Генератор предпочитают выбирать с корпусом из металла, поскольку пластик менее долговечный. Устройства без щёток долговечней, а вырабатываемое напряжение более стабильное.
Ёмкость топливного бака обеспечивает работу на одной заправке не более 7 часов. В стационарных установках применяется внешний бак с большим объёмом.
Бензогенератор
В качестве источника механической энергии наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель. Большей частью применяются модели от 1 до 6 кВт. Есть устройства до 10 кВт, способные обеспечить на определённом уровне загородный дом. Цены бензиновых генераторов являются приемлемыми, а ресурс – вполне достаточным, хотя и меньшим, чем у дизельных.
Генератор выбирается в зависимости от нагрузок.
Для больших пусковых токов и при частом применении электросварки лучше использовать синхронный генератор. Если взять асинхронный генератор мощнее, он справится с пусковыми токами. Однако, здесь важно, чтобы он был загружен, иначе бензин будет расходоваться нерационально.
Инверторный генератор
Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.
Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.
Блок-схема инверторного генератора
Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.
Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:
- прямоугольный – самый дешёвый, способный питать только электроинструменты;
- трапецеидальный импульс – подходит для многих приборов, за исключением чувствительной техники (средняя ценовая категория);
- синусоидальное напряжение – стабильные характеристики, подходящие для всех электроприборов (самая высокая цена).
Достоинства инверторных генераторов:
- небольшие габариты и вес;
- малый расход топлива за счёт регулирования выработки количества электроэнергии, которое требуется потребителям в данный момент;
- возможность кратковременной работы с перегрузкой.
Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.
Инверторная модель выбирается в следующих случаях:
- устройство приобретается только в тех случаях, когда обычный генератор не подходит, поскольку цена на него высокая;
- требуется мощность не более 6 кВт;
- для постоянного использования лучше подходят классические варианты генераторов;
- необходимо частично снабжать электроэнергией бытовые приборы;
- для бытового применения лучше использовать однофазные аппараты.
Видео. Генератор переменного тока.
Генераторы переменного тока способны восполнить электричество в доме при отказе стационарного устройства, а также применяются в любом месте, где необходима подача электроэнергии.
Для того чтобы обеспечить максимально комфортное существование человек разработал и изобрел огромное множество различных технологических устройств и сложных систем. Но одним из самых эффективных и действенных аппаратов, позволяющих использовать электричество стал генератор переменного тока. Ознакомиться с типами и видами УЗО .
Сегодня выделяют два основных вида конструкции:
- Устройства с неподвижной частью – статором и вращающимся элементом – магнитным полюсом. Элементы данного типа широко используются среди населения, потому как наличие неподвижной обмотки избавило пользователя от необходимости снимать лишнюю электрическую нагрузку.
- Электрическое устройство с якорем вращательного типа и неподвижным магнитным полюсом.
Выходит, что конструкция генератора сводится к наличию двух основных частей: подвижной и неподвижной, а также к элементам, которые служат связующим звеном между ними (щетки и провода).
Принцип работы
Принцип работы генератора переменного тока автомобиля:
- вращающая часть ротора или привода механизма номинально принимается за электрический магнит. Именно он и будет передавать создаваемое магнитное поле на «тело» статора. Это внешний элемент устройства, который состоит из катушек с подведенными к ним проводами.
- напряжение передается через кольца и коллекторные щитки. Кольца выполнены из меди и вращаются единовременно с ротором и коленвалом. В ходе движения к поверхности колец прижимаются щетки. Следовательно, ток будет передаваться от неподвижной части к подвижной части системы.
Технические характеристики
При покупке генератора переменного тока необходимо делать акцент на следующие технические характеристики:
- Электрическая мощность;
- Рабочее напряжение;
- Количество оборотов вращающейся части генератора;
- Коэффициент полезной мощности;
- Сила тока.
Эти величины являются основными техническими характеристиками переменного тока.
Виды
Сегодня на территории Российской Федерации реализуют продажу различных видов сертифицированных и не прошедших лицензирование генераторов переменного тока. Обзор бытовых галогенных ламп и как выбрать здесь: . Самыми популярными из этих устройств являются следующие:
