Электрический ток является основным видом энергии, совершающим полезную работу во всех сферах человеческой жизни. Он приводит в движение разные механизмы, дает свет, обогревает дома и оживляет целое множество устройств, которые обеспечивают наше комфортное существование на планете. Поистине, этот вид энергии универсален. Из нее можно получить все что угодно, и даже большие разрушения при неумелом использовании.
Но было время, когда электрические эффекты все так же присутствовали в природе, но никак не помогали человеку. Что же изменилось с тех пор? Люди стали изучать физические явления и придумали интересные машины - преобразователи, которые, в общем, и сделали революционный скачок нашей цивилизации, позволив человеку получать одну энергию из другой.
Так люди научились вырабатывать электричество из обычного металла, магнитов и механического движения - только и всего. Были построены генераторы, способные выдавать колоссальные по мощности потоки энергии, исчисляемые мегаваттами. Но интересно, что принцип действия этих машин не так уж сложен и вполне может быть понятен даже подростку. Что же такое Попробуем разобраться в этом вопросе.
Эффект электромагнитной индукции
Основой появления в проводнике электрического тока является электродвижущая сила - ЭДС. Она способна заставить перемещаться заряженные частицы, которых много в любом металле. Эта сила появляется только в случае, если проводник испытывает на себе изменение интенсивности магнитного поля. Сам эффект получил название электромагнитной индукции. ЭДС тем больше, чем больше скорость изменения потока магнитных волн. То есть, можно возле постоянного магнита перемещать проводник, или на неподвижный провод влиять полем электромагнита, меняя его силу, эффект будет один и тот же - в проводнике появится электрический ток.
Над этим вопросом в первой половине XIX века работали ученые Эрстед и Фарадей. Они же и открыли это физическое явление. В последствии на основе электромагнитной индукции были созданы генераторы тока и электродвигатели. Интересно, что эти машины легко могут быть преобразованы друг в друга.
Как работают генераторы постоянного и переменного тока
Понятно, что генератор электрического тока - это электромеханическая машина, вырабатывающая ток. Но на самом деле она есть преобразователь энергии: ветра, воды, тепла, чего угодно в ЭДС, которая уже вызывает ток в проводнике. Устройство любого генератора принципиально ничем не отличается от замкнутого проводящего контура, который вращается между полюсами магнита, как в первых опытах ученых. Только намного больше величина магнитного потока, создаваемого мощными постоянными или чаще электрическими магнитами. Замкнутый контур имеет вид многовитковой обмотки, которых в современном генераторе не одна, а минимум три. Все это сделано для того, чтобы получить как можно большую ЭДС.
Стандартный электрический генератор переменного тока (или постоянного) состоит из:
- Корпуса . Выполняет функцию рамы, внутри которой крепят статор с полюсами электромагнита. В нем установлены роторного вала. Его изготавливают из металла, он также защищает всю внутреннюю начинку машины.
- Статора с магнитными полюсами. На нем закреплена обмотка возбуждения магнитного потока. Его выполняют из ферромагнитной стали.
- Ротора или якоря. Это подвижная часть генератора, вал которой приводит во вращательное движение посторонняя сила. На сердечнике якоря располагают обмотку самовозбуждения, где и образуется электрический ток.
- Узла коммутации. Этот элемент конструкции служит для отведения электричества с подвижного вала ротора. Он включает в себя проводящие кольца, которые подвижно соединены с графитовыми токосъемными контактами.
Создание постоянного тока
В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.
Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.
Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.
Схема генератора переменного тока
Когда происходит вращение подвижной части генерирующего ток устройства, в проводниках рамки также наводится ЭДС, как и в генераторе постоянного тока. Но небольшая особенность - генератор переменного тока устройство коллекторного узла имеет другое. В нем каждый вывод соединен со своим токопроводящим кольцом.
Принцип работы генератора переменного тока следующий: когда половина обмотки проходит возле одного полюса (другая, соответственно, возле противоположного полюса), в цепи движется ток в одном направлении от минимума к наивысшему своему значению и снова к нулю. Как только обмотки меняют свое положение относительно полюсов, ток начинает свое движение в обратном направлении с той же закономерностью.
При этом на входе схемы получается форма сигнала в виде синусоиды с частотой полуволн, соответствующей периоду вращения вала ротора. Для того, чтобы получить на выходе стабильный сигнал, где частота генератора переменного тока постоянна, период вращения механической части должен быть неизменным.
газового типа
Конструкции генераторов тока, где вместо металлической рамки как носитель зарядов используют токопроводящую плазму, жидкость или газ, получили название МГД-генераторов. Вещества под давлением прогоняют в поле магнитной напряженности. Под воздействием все той же ЭДС индукции заряженные частицы обретают направленное движение, создавая электрический ток. Величина тока прямо пропорциональна скорости прохождения через магнитный поток, а также его мощности.
Генераторы МГД имеют более простое конструктивное решение - в них отсутствует механизм вращения ротора. Такие источники питания способны выдавать большие мощности энергии в короткие промежутки времени. Их применяют в качестве резервных устройств и в условиях экстренных аварийных ситуаций. Коэффициент, определяющий полезное действие (КПД) этих машин выше, чем имеет электрический генератор переменного тока.
Генератор синхронный переменного тока
Существуют такие типы генераторов переменного тока:
- Машины синхронные.
- Машины асинхронные.
Синхронный генератор переменного тока имеет строгую физическую зависимость между вращательным движением ротора и генерируемой частотой электричества. В таких системах ротор - это электромагнит, собранный из сердечников, полюсов и возбуждающих обмоток. Последние запитываются от источника постоянного тока посредством щеток и кольцевых контактов. Статор же представляет собой катушки провода, соединенные между собой по принципу звезды с общей точкой - нолем. В них уже наводится ЭДС и вырабатывается ток.
Вал ротора приводится в движение посторонней силой, обычно турбинами, частота движения которых синхронизирована и постоянна. Электрическая цепь, подключаемая к такому генератору, представляет собой трехфазную схему, частота тока в отдельной линии которой смещена на фазу в 120 градусов относительно других линий. Чтобы получить правильную синусоиду, направление магнитного потока в просвете между статорной и роторной частью регулируют конструкцией последних.
Возбуждение генератора переменного тока реализуют двумя методами:
- Контактным.
- Бесконтактным.
В схеме контактного возбуждения на обмотки электромагнита через щеточную пару подают электроэнергию с другого генератора. Этот генератор может быть совмещен с валом основного. Он, как правило, имеет меньшую мощность, но достаточную, чтобы создать сильное магнитное поле.
Бесконтактный принцип предусматривает, что синхронный генератор переменного тока на валу имеет дополнительные трехфазные обмотки, в которых при вращении наводится ЭДС и вырабатывается электричество. Оно через выпрямляющую схему поступает на катушки возбуждения ротора. Конструктивно в такой системе отсутствуют подвижные контакты, что упрощает систему, делая ее более надежной.
Асинхронный генератор
Существует асинхронный генератор переменного тока. Устройство его отличается от синхронного. В нем нет точной зависимости ЭДС от частоты с которой вал ротора вращается. Присутствует такое понятие как «скольжение S», которое характеризует эту разницу влияния. Величина скольжения определяется вычислением, так что неправильно думать, будто бы нет закономерности электромеханического процесса в асинхронном двигателе.
Если генератор, работающий вхолостую, нагрузить, то протекающий в обмотках ток будет создавать магнитный поток, препятствующий вращению ротора с заданной частотой. Так образуется скольжение, что, естественно, влияет на выработку ЭДС.
Современный асинхронный генератор переменного тока устройство подвижной части имеет в трех разных исполнениях:
- Полый ротор.
- Короткозамкнутый ротор.
- Фазный ротор.
Такие машины могут иметь само- и независимое возбуждение. Первая схема реализуется за счет включения в обмотку конденсаторов и полупроводниковых преобразователей. Возбуждение независимого типа создается дополнительным источником переменного тока.
Схемы включения генераторов
Все мощные источники питания вырабатывают трехфазный электрический ток. Они содержат в себе три обмотки, в которых образуются переменные токи со смещенной друг от друга фазой на 1/3 периода. Если рассматривать каждую отдельную обмотку такого источника питания, то получим однофазный переменный ток, идущий в линию. Напряжение в десятки тысяч вольт может вырабатывать генератор. потребитель получает с распределительного трансформатора.
Любой генератор переменного тока устройство обмоток имеет стандартное, но подключение к нагрузке бывает двух типов:
- звездой;
- треугольником.
Принцип работы генератора переменного тока, включенного звездой, предполагает объединение всех проводов (нулевых) в один, которые идут от нагрузки обратно к генератору. Это обусловлено тем, что сигнал (электрический ток) передается в основном через выходящий провод обмотки (линейный), который и называют фазой. На практике это очень удобно, ведь не нужно тянуть три дополнительных провода для подключения потребителя. Напряжение между линейными проводами и линейным и нулевым проводом будут отличаться.
Соединяя треугольником обмотки генератора, их замыкают друг с другом последовательно в один контур. Из точек их соединения выводят линии к потребителю. Тогда вообще не нужен а напряжение на каждой линии будет одинаковым независимо от нагрузки.
Преимуществом трехфазного тока перед однофазным является его меньшая пульсация при выпрямлении. Это положительно сказывается на питаемых приборах, особенно двигателях постоянного напряжения. Также трехфазный ток создает вращающийся поток магнитного поля, который способен приводить в движение мощные асинхронные двигатели.
Где применимы генераторы постоянного и переменного тока
Генераторы постоянного тока значительно меньше по размерам и массе, чем машины переменного напряжения. Имея более сложное конструктивное исполнение чем последние, они все же нашли применение во многих отраслях промышленности.
Основное распространение они получили в качестве высокооборотных приводов в машинах, где требуется регулирование частоты вращения, например, в металлообрабатывающих механизмах, подъемниках шахт, прокатных станах. В транспорте такие генераторы установлены на тепловозах, различных судах. Множество моделей ветрогенераторов собраны на базе источников постоянного напряжения.
Генераторы постоянного тока специального назначения применяют в сварке, для возбуждения обмоток генераторов синхронного типа, в качестве усилителей постоянного тока, для питания гальванических и электролизных установок.
Назначение генератора переменного тока - вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Такой вид энергии подарил человечеству Никола Тесла. Почему именно изменяющий полярность ток, а не постоянный нашел широкое применение? Это связано с тем, что при передаче постоянного напряжения идут большие потери в проводах. И чем длиннее провод, тем потери выше. Переменное напряжение можно транспортировать на огромные расстояния при гораздо меньших затратах. Причем легко можно преобразовывать переменное напряжение (понижая и повышая его), который выработал генератор 220 В.
Заключение
Человек до конца не познал природу магнетизма, который пронизывает все вокруг. И электрическая энергия - это лишь малая часть открытых тайн мироздания. Машины, которые мы называем генераторами энергии, по сути очень просты, но то, что они могут нам дать, просто поражает воображение. Все же настоящее чудо здесь не в технике, а в мысли человека, которая смогла проникнуть в неисчерпаемый резервуар идей, разлитых в пространстве!
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:
Прежде чем приступать к принципу работы электрогенератора , необходимо хоть немного разобраться с его устройством.
Бытовой электрический генератор состоит из двигателя (силового агрегата) и генератора - узел, преобразующий механическую энергию в электрическую. В бытовых миниэлектростанциях, чаще всего, применяются двигатели внутреннего сгорания - дизельные или бензиновые. Не стоит отдельно выделять газовые электрогенераторы, т.к. они - это доработанный бензиновый генератор.
Электрические генераторы бывают синхронными и асинхронными. Какие хуже, а какие лучше? Из всей литературы, которую мне удалось прочесть в Интернете по этому поводу, я пришел к следующему выводу:
Асинхронные электрогенераторы. Они более дешёвые. Данные генераторы обеспечивают поддержание напряжения в сети с высокой точностью, поэтому позволяют подключать к ним аппаратуру, чувствительную к перепадам напряжения (например, медицинское оборудование, другие электронные устройства). Подобные генераторы позволяют подключать к ним электроинструменты и электродвигатели с реактивной мощностью до 30% от номинала Это пожалуй их главные и единственный большие плюсы. Минус - данный генератор во время пуска потребляет кратковременно 1.5-3 кратную мощность. Асинхронный электрогенератор с трудом переносит пиковые перегрузки.
Синхронные генераторы выдают потребителю более качественное электричество, чем асинхронные. Также они способны переносить 3-х кратные пусковые перегрузки. В профессиональных и стационарных электростанциях устанавливаются только синхронные генераторы. Синхронные генераторы - менее точны, но, тем не менее, они пригодны для аварийного электропитания офисов, холодильных установок, оборудования загородных домов, дач, строительных объектов. Такие электрогенераторы без проблем справляются с энергоснабжением электроинструментов и электродвигателей с реактивной нагрузкой до 65% от своего номинала.
А что же из себя представляет электрогенератор?
Принцип работы любого электрического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразовывает механическую энергию двигателя (вращение) в энергию электрическую. Принцип магнитной индукции: если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один - Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.
Вот теперь и поговорим о асинхронном и синхронном генераторе более подробно.
Синхронный электрогенератор
- это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита.
Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется "реакцией якоря". Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR. Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком - возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать. Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.
Асинхронная машина (двигатель) работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора. В зависимости от типа обмотки, ротор может быть короткозамкнутым либо фазным.
Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, так же как и в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемо, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора, а следовательно от стабильности работы электростанции. Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и происходит, как правило, при скорости превышающей или равной синхронной; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.
Это такой тип электрической машины, которая способствует преобразованию механической энергии в электрическую. Основано действие генераторов тока по принципу электромагнитной индукции: электродвижущая сила (ЭДС) наводится в движущемся в магнитном поле проводе.
Производить генератор тока может не только постоянный, но и переменный ток. На латыни слово генератор (generator) означает - производитель.
На мировом рынке наиболее известными поставщиками генераторов являются компании: General Electric (GE), ABB, Siemens AG, Mecc Alte.
Генераторы постоянного тока.
Единственным типом источника для получения электроэнергии на протяжении долгого времени были электрические генераторы .
Переменный ток индуктируется в обмотке якоря генератора постоянного тока , затем он электромеханическим выпрямителем - коллектором преобразуется в постоянный ток. Особенно при большой частоте вращения якоря генератора, процесс выпрямления тока коллектором связан с очень частым износом щеток и коллектора.
Различаются генераторы постоянного тока по характеру их возбуждения, они бывают с самовозбуждением и независимого возбуждения. К независимому источнику питания в генераторах с электромагнитным возбуждением подключается обмотка возбуждения, располагающаяся на главных полюсах.
Постоянными магнитами, из которых производятся полюсы машины, возбуждаются генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение генераторы постоянного тока находят в тех отраслях промышленности, где постоянный ток является предпочтительным по условиям производства (предприятия электролизной и металлургической промышленности, суда, транспорт и прочие). В качестве источников постоянного тока и возбудителей синхронных генераторов применяются генераторы постоянного тока на электростанциях.
Может достигать до 10 Мегаватт мощность генератора тока .
При достаточно высоком напряжении получать большие токи позволяют генераторы переменного тока . Несколько типов индукционных генераторов различают в настоящее время.
Они состоят из создающего магнитное поле постоянного магнита или электромагнита и обмотки, индуцируется в которой переменная ЭДС. Так как складываются наводимые в последовательно соединенных витках ЭДС, то в рамке индукции амплитуда ЭДС будет пропорциональна количеству в ней витков. Также она пропорциональна через каждый виток амплитуде переменного магнитного потока. В генераторах тока , чтобы получить большой магнитный поток применяется специальная магнитная система, состоящая из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. В пазах одного из сердечников размещены создающие магнитное поле обмотки, а в пазах второго располагаются обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников называется ротором, так как он вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси, вместе со своей обмоткой.
Другой сердечник называется статором - это неподвижный сердечник с его обмоткой. Как можно меньшим делается зазор между сердечниками ротора и статора, наибольшее значение потока магнитной индукции обеспечивается этим. Электромагнит, являющийся ротором вращается в больших промышленных генераторах , а обмотки, уложенные в пазах статора и в которых наводится ЭДС остаются неподвижными.
С помощью скользящих контактов приходится во внешнюю цепь подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора. Контактными кольцами, которые присоединены к концам его обмотки для этого снабжается ротор. К кольцам прижаты неподвижные пластины-щетки, они осуществляют связь с внешней цепью обмотки ротора. В обмотках создающего магнитное поле электромагнита, сила тока значительно меньше той силы тока, которую отдает генератор тока во внешнюю цепь. Поэтому гораздо удобнее снимать генерируемый ток с неподвижных обмоток, а сравнительно слабый ток подводить через скользящие контакты к вращающемуся электромагниту. Вырабатывается этот ток, расположенным на том же валу отдельным генератором постоянного тока (возбудителем). Вращающимся магнитом создается магнитное поле в маломощных генераторах тока, щетки и кольца в таком случае вообще не требуются.
Бывают двух типов обмотки возбуждения синхронных генераторов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. Выступают из индуктора несущие обмотки возбуждения в генераторах с явнополюсными роторами полюса. На сравнительно низкие частоты вращения рассчитаны генераторы данного типа, они используются для работы с приводом от поршневых паровых машин, гидротурбин, дизельных двигателей. Для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами применяются газовые и паровые турбины. Стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин, представляет собой ротор такого генератора. В пазах фиксируются витки, а для снижения потерь мощности и уровня шума, связанных с сопротивлением воздуха шлифуется, а затем полируется поверхность ротора.
По большей части трехфазными делаются обмотки генераторов тока . Подобное сочетание движущихся частей, способных создавать энергию также экономично и непрерывно, встречается в механике редко.
Современный генератор тока является внушительным сооружением, состоящим из медных проводов, стальных конструкций и изоляционных материалов. С точностью до 1 миллиметра изготавливаются важнейшие детали генераторов, которые сами имеют размеры несколько метров.
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.
