Устройство генератора переменного тока

Устройство генератора переменного тока

Время на чтение:

Представить себе жизнь современного человека без электричества крайне сложно. Даже те люди, которые отдалены от цифровых технологий и Интернета, все равно пользуются бытовыми приборами, которые работают на электрической энергии. Часто для ее производства используют генератор переменного тока, ведь именно ток такого поля используется всеми бытовыми установками, подается во все квартиры и частные дома. Упомянутый выше прибор был изобретен уже достаточно давно, но он до сих пор не утратил своей популярности и применяется во многих сферах жизни людей. Про устройство генератора и принцип его работы рассказано в данной статье.

Индукционный генератор вырабатывает электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее, чем синхронная скорость . Для типичного четырехполюсного двигателя (две пары полюсов на статоре), работающего в электрической сети 60 Гц, синхронная скорость составляет 1800 оборотов в минуту (об / мин). Тот же четырехполюсный двигатель, работающий в сети 50 Гц, будет иметь синхронную скорость 1500 об / мин. Двигатель обычно вращается немного медленнее, чем синхронная скорость; разница между синхронной и рабочей скоростью называется «скольжением» и обычно выражается в процентах от синхронной скорости. Например, двигатель, работающий при 1450 об / мин и имеющий синхронную скорость 1500 об / мин, работает со скольжением + 3,3%.

При нормальной работе двигателя вращение магнитного потока статора происходит быстрее, чем вращение ротора. Это заставляет поток статора индуцировать токи ротора, которые создают поток ротора с магнитной полярностью, противоположной статору. Таким образом, ротор увлекается за потоком статора, при этом токи в роторе индуцируются с частотой скольжения.

При работе генератора первичный двигатель (турбина или двигатель) приводит в движение ротор выше синхронной скорости (отрицательное скольжение). Поток статора по-прежнему вызывает токи в роторе, но поскольку поток противоположного ротора теперь разрезает катушки статора, в катушках статора вырабатывается активный ток, и теперь двигатель работает как генератор, отправляя мощность обратно в электрическую сеть.

Возбуждение

Индукционная машина требует внешнего источника тока якоря. Поскольку поле ротора всегда отстает от поля статора , асинхронная машина всегда потребляет реактивную мощность , независимо от того, работает она в качестве генератора или двигателя.

Источник тока возбуждения для намагничивающего потока (реактивной мощности) статора по-прежнему необходим, чтобы вызвать ток ротора. Он может быть запитан от электросети или, когда он начнет вырабатывать энергию, от самого генератора. Генераторный режим для асинхронных двигателей усложняется необходимостью возбуждать ротор, который начинается только с остаточного намагничивания. В некоторых случаях этой остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Следовательно, необходимо либо защелкнуть двигатель и на мгновение подключить его к сети, находящейся под напряжением, либо добавить конденсаторы, первоначально заряженные остаточным магнетизмом и обеспечивающие требуемую реактивную мощность во время работы. Аналогичным образом работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно сети является то, что частота вращения ротора выше, чем в режиме движения. Затем в сеть передается активная энергия. Другим недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания I 0 = (20-35)%.

Индукционная машина может быть запущена путем зарядки конденсаторов источником постоянного тока, в то время как генератор обычно вращается со скоростью генерации или выше. После удаления источника постоянного тока конденсаторы будут обеспечивать ток намагничивания, необходимый для начала выработки напряжения.

Индукционная машина, которая недавно работала, также может самопроизвольно производить напряжение и ток из-за остаточного магнетизма, оставшегося в сердечнике.

Активная мощность

Активная мощность, подаваемая в линию, пропорциональна скольжению выше синхронной скорости. Полная номинальная мощность генератора достигается при очень малых значениях скольжения (зависит от двигателя, обычно 3%). При синхронной скорости 1800 об / мин генератор не будет производить мощность. Когда скорость движения увеличивается до 1860 об / мин (типичный пример), создается полная выходная мощность. Если первичный двигатель не может производить достаточно мощности для полного привода генератора, скорость останется где-то между 1800 и 1860 об / мин.

Требуемая емкость

Конденсаторная батарея должна предоставить реактивную мощность двигателя при использовании в автономном режиме. Подаваемая реактивная мощность должна быть равна или превышать реактивную мощность, которую машина обычно потребляет при работе в качестве двигателя.

Крутящий момент против скольжения

Основным принципом индукционных генераторов является преобразование механической энергии в электрическую. Для этого требуется внешний крутящий момент, приложенный к ротору, чтобы вращать его быстрее, чем синхронная скорость. Однако бесконечно увеличивающийся крутящий момент не приводит к неопределенному увеличению выработки электроэнергии. Возбуждаемый якорем вращающий момент магнитного поля противодействует движению ротора и предотвращает превышение скорости из-за индуцированного движения в противоположном направлении. По мере увеличения скорости двигателя противодействующий крутящий момент достигает максимального значения крутящего момента (момент пробоя), с которым он может работать до тех пор, пока рабочие условия не станут нестабильными. В идеале индукционные генераторы лучше всего работают в стабильной области между состоянием холостого хода и областью максимального крутящего момента.

Номинальный ток

Максимальная мощность, которую может производить асинхронный двигатель, работающий в качестве генератора, ограничена номинальным током обмоток машины.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

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

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

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

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

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

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

Основные части генератора переменного тока

Мы уже называли детали генератора переменного тока, когда говорили о принципах его действия. Теперь рассмотрим его органы подробнее.
К основным частям генератора переменного тока относятся:

1. Индуктор — механизм, который преображает механическую энергию в магнитную. У нас это ротор.
2. Якорь. Это составной элемент генератора, который из магнитной энергии делает электрическую. Функцию якоря выполняет статор.
3. Контактные кольца. Расположены в задней части ротора. К ним присоединены щетки, которые передают энергию в устройстве от постоянных деталей генератора к вращающимся.

Якорь снабжают железным сердечником. Это для того чтобы генератор давал больше магнитной энергии, и вырабатывал больше электричества. Между металлическими сердечниками и магнитными полюсами делают зазор, чтобы не мешать вращению.
В качестве индуктора используют электромагнит. Лишь изредка в малых генераторах ставят постоянные магниты. Генераторы с постоянными магнитами обычно ставят на некоторые машины с двигателем внутреннего сгорания.
Внизу вам показано расположение органов генератора переменного тока.

1. — статор (якорь)
2. — ротор (индуктор)
3. — контактное кольцо ротора
4. — щетки

Также среди частей генератора мы можем выделит шкиф, реле-регулятор, диодный мост, который передает электрическую энергию дальше по назначению.
Ротор генератора может быть с зубчатой и с гладкой поверхностью. Зубчатые роторы пользуются успехом на машинах тракторах. Также возможно применять их вместе с тихоходными водными двигателями. К паровым двигателям с оборотами от 1500 до 3000 идут роторы с гладкой поверхностью.

Это объясняется тем, что зубчатые роторы несут большие механические потери из-за создания выступами вихрей воздуха. Гладкая поверхность не имеет такой проблемы. На гладких роторах обмотка устанавливается на пазы внешней стороны.
Статор имеет форму железного кольца, в пазах которого наложена медная обмотка.

Особенности установки

Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.

Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.

Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.

Практическое применение

Индукционные генераторы находят свое применение практически во всех областях жизнедеятельности человеческого общества.

Причем в любом случае, для получения переменного тока используется энергия вращения вала генератора.

Это касается:

1. Крупных гидро-, тепло-, и атомных электростанций.
2. Промышленных электрогенераторов.
3. Бытовых электрогенераторов.

Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, вырабатывают большое количество электроэнергии, которая затем передается на огромные расстояния.

Они разрабатываются под конкретные, узкоспециализированные задачи и представляют собой сложнейшие устройства, для установки которых необходимо строить отдельные здания и сооружения. Кроме того, их работа обеспечивается специально организованной инфраструктурой.

Кроме того, их используют для обеспечения электроэнергией строительных площадок, вахтовых поселков, удаленных ферм и буровых установок, находящихся в местах, где подводка стационарных линий электропередач невозможна или экономически нецелесообразна.

Как правило, для работы они используют дизельное топливо, вырабатывая при этом переменный ток большой мощности (220 или 380 В). Используются для этого синхронные генераторы, которые способны обеспечить работу промышленного оборудования большой мощности.

В дизельных установках, вал генератора вращается с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Электрогенератор на шасси

Все комплектующие изделия, входящие в состав промышленного генератора, монтируются на высокопрочных стальных шасси, которое при необходимости устанавливается:

1. Теплоизолированным контейнером.
2. Передвижным шасси (колесное, на полозьях).

Бытовые электрогенераторы приобрели большую популярность сравнительно недавно.

Они используются для электрификации небольших коттеджей, загородных домов и дач, а также помогают решить ряд проблем, связанных с некорректной работой централизованной электросети и часто применяются в качестве аварийных источников переменного тока на ранее электрифицированных объектах подобного типа.

В устройствах этого типа для вращения вала генератора используют как бензиновые, так и дизельные ДВС. Они вырабатывают переменный ток небольшой мощности (от 0,5 до 15 кВт) и отличаются:

1. Экономичностью.
2. Небольшими размерами.
3. Низким уровнем шума.

При выборе бытового генератора переменного тока, потенциальному потребителю необходимо обращать внимание на:

1. Тип ДВС (бензиновый или дизельный).
2. Заявленную в сопроводительной документации мощность.
3. Тип генератора (синхронный или асинхронный).
4. Фазность.
5. Блок управления.
6. Уровень шума.

Разделение по виду ротора

По роду прибора ротора устройство генератора подразделяется на:

• Явнополюсное – с выступающими либо с явно выраженными полюсами. Данные роторы применяются в генераторах с тихим ходом, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту.
• Неявнополюсное – это ротор с формами цилиндра, у которого нет выступающих полюсов. Данные якоря бывают двухполюсными и четырехполюсными.

В первом случае ротор состоит из крестовины, на которой закрепляют сердечники полюсов или обмотки возбуждения. Во-втором – быстроходные агрегаты с числом оборотов 1500 либо 3000. Ротор сделан в виде цилиндра из стали довольно высокого качества с пазами, в них устанавливают обмотку возбуждения, состоящую из отдельных обмоток различной ширины.