Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Электромагнитная индукция – это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.

В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.

Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

• В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
• В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная – статором.

Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.

В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.

Превращение механической энергии в электрическую

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

25. Принцип работы трехфазного синхронного генерато­ра.

Синхронными называются электрические машины, часто­та вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина вклю­чена. Синхронные машины служат генераторами перемен­ного тока на электрических станциях, а синхронные двига­тели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, ра­ботающий с постоянной частотой вращения. Синхронные ма­шины обратимы, т.

е. они могут работать и как генераторы, и как двигатели, хотя в конструкциях современных синхрон­ных генераторов и двигателей имеются небольшие, но прак­тически весьма существенные отличия. Синхронная маши­на переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует ли на ее вал вращающая или тормозящая механическая сила.

Основной магнитный поток синхронного генератора, созда­ваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником-возбудителем, которым обычно является гене­ратор постоянного тока небольшой мощности, установленный на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подается на ротор через щетки и контактные кольца, установленные на валу ротора.

На валу ротора устанавливают контактные кольца, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения. Кольца надежно изо­лируют от вала и друг от друга. К кольцам прилегают щетки, укрепленные в щеткодержателях, образуя скользящий контакт. Через скользящий контакт обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока. При подключении обмотки возбуждения вращающегося ротора к источнику постоянного тока созда­ется вращающийся вместе с ротором маг­нитный поток, пересекающий трехфазную обмотку статора и по закону электромаг­нитной индукции в каждой фазной обмотке образуется наводящий э д с.

Э д с статора составляет симметричную трехфазную э д с, и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагружается симметричной системой токов. Машина при этом работает в режиме генератора. Как и все электрические машины, синхронные машины обрати­мы. У синхронных машин частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора.

Однофазные системы малоэффективны вследствие несовершенства однофазных электроаппаратов, в частности электромашин. Так, например при одинаковых габаритах, массе активных материалов (стали и меди) мощность однофазной машины в 1,5 раза меньше трехфазной машины.

Многофазной системой называется цепь переменного тока, в которой действуют две и более ЭДС одинаковой частоты, но взаимно смещенные по фазе на определенные углы. Отдельные цепи, составляющие многофазную систему, называются фазами. Трехфазная система состоит из трех электрических цепей, ЭДС источников которых имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 120 градусов.

Рис.47. 1. а) График ЭДС в трехфазной сети б) Векторная диаграмма трехфазной сетиВ качестве источника электрической энергии в трехфазной цепи используется трехфазный генератор.(см. рис.47.2).

Рис.47. 2. Схема устройства трехфазного генератора и условное обозначение трехфазной обмотки.

Рис.47.3. Устройство трехфазного генератораТрехфазная обмотка, расположенная на статоре генератора, представляет собой три катушки электрически сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. При вращении ротора, представляющего собой постоянный электромагнит, его магнитное поле пересекает катушки, наводя в них ЭДС, сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. (см. рис.47.1.а.)Катушки (фазы) трехфазного генератора можно соединять звездой или треугольником. Таким же способом можно соединять и потребители электрической энергии.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

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

Трехфазный генератор занимает особое место среди разнообразия, его особенностью является возможность выдавать напряжение двух видов, а именно 220 В и 380 В. Такие устройства могут прекрасно работать на дизеле и бензине, но их самая маленькая мощность 5–6 кВт, ведь такие приборы больше относятся к профессиональным моделям. Правда, для бытового использования его тоже часто покупают, особенно, если в доме есть трехфазные потребители.

Устройство синхронного генератора

Качественный статор имеет аналогичный принцип действия с асинхронником. Его корпус собирается из отдельных пластин электротехнической стали, все детали разделены специальными изолирующими слоями. Обмотка переменного тока располагается в специальных пазах. Многочисленные преимущества синхронных трёхфазных генераторов повлияли на то, что они активно эксплуатируются в различных отраслях. Вся проводка обмоток изолируется и фиксируется, что особенно важно для безопасной работы, ведь этот раздел отвечает за подключение нагрузки.

Для тихоходных машин с гидравлическими турбинами изготавливаются высококачественные генераторы выступающего типа. А вот для тех узлов, которые функционируют по принципу скоростного вращения с переменным током, больше всего подходят прочные неявно выраженные полюса. Чтобы агрегат служил как можно дольше, нужно использовать правильное охлаждение. Чаще всего на вал монтируются специальные крыльчатки, которые регулируют уровень температуры ротора с обеих сторон. Весь воздух обязательно подлежит предварительной фильтрации. Если система относится к замкнутому типу, то через теплообменники проходит один и тот же воздух.

Отдельно стоит учесть, что для быстрого и своевременного охлаждения системы желательно использовать водород, который в 14,5 раз легче, нежели воздух. А вот принцип его эксплуатации самый простой.

Современные технологии позволяют изготавливать различные модели индукционных приборов, но в каждом таком изделии присутствуют одинаковые части:

• Прочная обмотка с переменной ЭДС.
• Мощный постоянный магнит или же обычный электромагнит, который производит требуемое рабочее поле.

Для того чтобы получить наибольший магнитный поток, во всех агрегатах предусмотрено наличие специализированной структуры, которая включает в себя два стальных сердечника. Рабочие обмотки установлены в специальные пазы. Один вмонтированный сердечник — внутренний, он крутится вокруг вертикального или же горизонтального стержня, который принято называть ротором. А вот недвижимый сердечник именуется якорем (статором).

Описание схем

Для получения связанной трехфазной системы, обмотки электрогенератора нужно соединить между собой одним из двух способов:

“Звезда”

Соединение “звездой” предусматривает электрическое соединение концов всех обмоток в одной точке. Точка соединения называется “нулем”. При таком соединении нагрузка к генератору может быть подключена 3 или 4 проводами.

Провода, идущие от начала обмоток называются линейными, а провод, идущий от нулевой точки – нулевым. Напряжение между линейными проводами называют линейным.

Линейное напряжение больше фазного в 1,73 раза.

Напряжение между нулевым и любым из линейных проводов называется фазным. Фазные напряжения равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол, который равен 120 градусов.

Особенностью схемы является также равенство линейных и фазных токов.

Наиболее распространена 4 проводная схема – соединение “звездой” с нейтральным проводом. Она позволяет избежать перекоса фаз в случае подключения несимметричной нагрузки, например, на одной фазе – включена активная нагрузка, а на другой – емкостная или реактивная. При этом, обеспечивается сохранность включенных электроприборов.

“Треугольник”

Соединение “треугольником” – это последовательное соединение обмоток трехфазного генератора: конец первой обмотки соединяется с началом второй, ее конец – с началом третьей, а конец последней – с началом первой.

В этом случае, линейные провода отводятся от точек соединения обмоток. При этом, линейное напряжение равно фазному, а величина линейного тока в 1,73 раза больше фазного.

Устройство и принцип работы трехфазного генератора

В жизни современного человека очень многие операции зависят от функционирования энергозависимых приборов. Причем не только в быту электроника облегчает нам жизнь. Конечно различные светильники, бытовая техника, большое количество вычислительных устройств являются незаменимыми помощниками, но от электрического питания зависят также большие предприятия, склады, промышленные заводы, медицинские учреждения, множество производств.

Сложности и перебои в работе из-за проблем с подачей электроэнергии знакомы многим. Особенно серьезно эта проблема отражается на жизни населения в пригородах и, отдаленных от районных центров, селах и деревнях. Как раз там сегодня и располагается большинство крупных производственных объектов, склады готовой продукции, офисы серьезных зарубежных компаний. Такая миграция за черту города связана с высокой арендной платой в самих городах непосредственно. Переезд в менее дорогостоящие офисы — это существенная экономия. Проблему с электропитанием многие решают при помощи автономных генераторов, в основном трехфазных. Такая классификация объясняется разными условиями эксплуатации и уровнями нагрузки. Генераторы с тремя фазами обеспечивают током крупные, масштабные объекты, высокоэтажные здания, целые поселки, мощное оборудование. Именно трехфазная электрическая система наиболее востребована в современной промышленности.

Как работает генератор с тремя фазами

Трехфазные генераторы, которые производят напряжение 380 В могут функционировать на любом топливе: как на бензине, так и на дизеле. А впервые устройство генератора переменного тока было представлено электротехником Яблочковым П.Н. Выдающийся ученый более чем полтора века назад создал прототип, принципиально не отличающийся от современных моделей. А следом за ним электротехник Доливо-Добровольский в 1888 году впервые презентовал именно трехфазное устройство.

Принцип работы трехфазного генератора, как и однофазного основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим подробнее. Обычный генератор с одной катушкой будет вырабатывать ток. Сигнал будет представлять собой одну синусоиду. Для систем с малой мощностью такого сигнала бывает достаточно. Даже в автомобилях, правда самых дешевых, есть такие генераторы. В быту довольно большое количество устройств может работать от однофазных генераторов. Если использовать не одну, а несколько катушек и разместить их на равном расстоянии от ротора, тогда и электричества будет производиться в несколько раз больше.

Трехфазный генератор Sadko GPS-8500EF самая продаваямая модель 2016 года

Как устроен трехфазный генератор

Простейшее устройство трехфазного генератора представляет собой неподвижный магнит, в поле которого вращается проволочная катушка. Оптимальным вариантом является использование одного магнита, который вращается относительно нескольких равноудаленных от его оси обмоток. В типичной конструкции генератора на 380 В ток вырабатывается в тот момент, когда катушка находится в поле магнита. Изменение направления тока происходит при изменении направления движения магнита. Он поочередно вдвигается и выдвигается в поле катушки и из него. Когда магнита нет в катушке и его силовые линии не пересекают проволочную петлю, ток не вырабатывается. В большинстве современных генераторов используется вращающееся магнитное поле. В основе функционирования лежит физический принцип магнитной индукции. В случае с тремя катушками индуктивности — если магнит будет вращаться, то при одном обороте внутри стартера с тремя обмотками, которые располагаются на равных расстояниях, смещение электродвижущей силы произойдет на 120 0 .

Для передачи электроэнергии провода следует определенным образом соединить. Практическая реализация трехфазного устройства возможна в двух вариантах:

соединение обмоток генератора «звезда»;

соединение обмоток генератора «треугольник».

Соединение «звезда» — это когда начала отрезков проводов заключены в одну точку. Эти отрезки называются «линейными», а место соединение «нулем». Концы проводов направляются к потребителям.

Соединение «звезда» подразумевает два типа напряжения

линейное: между двумя линейными проводами;

фазовое: между общей «нулевой» точкой схода и линейным проводом.

Между двумя этими величинами есть определенное соотношение, которое описывается специальной формулой.

При такой форме цепи нулевой провод используется с целью регулировки неравномерных мощностей нагрузки. Чаще всего он используется при проектировании и монтаже осветительных систем. Особенностью таких систем является невозможность одинаково нагрузить фазы, даже при равномерном подсоединении одинакового количества лампочек. Светильники все равно будут включаться произвольно, то есть в каждой цепи одновременно может функционировать разное количество ламп. Обязательное требование к нулевому проводу: его сечение должно быть меньше, чем у линейных проводов. При разновеликой нагрузке по нему будет проходить компенсирующий или уравнивающий ток, величина его не большая.

Еще один вариант соединения представляет собой «треугольник» или последовательное подключение друг за другом всех участков цепи. При таком соединении звеньев каждую фазу генератора следует рассчитывать на значительно большее напряжение, чем при соединении «звездой». Это является недостатком такой схемы. Стоимость машин будет увеличиваться поскольку для большего напряжения нужно большее количество обмоток и изоляция повышенного качества. Кроме стоимости вырастет еще и размер прибора.

Такая электрическая сеть состоит из трех катушек, в которых воздействуют три электродвижущие силы, с одинаковой частотой, но сдвинутые на 1/3 периода. Каждая из трех обмоток трехфазного генератора является отдельным самостоятельным генератором, то есть фактически это три равносильных цепи. Именно потому трехфазные генераторы можно использовать и для запитки однофазных устройств и приборов. К генераторам такого типа могут подключаться как асинхронные двигатели с напряжением 380, так и однофазные осветительные приборы, лампы накаливания.

При подключении приборов важно следить чтобы нагрузка на каждую из фаз была примерно равной. Это правило является очень важным. Разница в нагрузках цепей не должна составлять более 20 %. Трехфазные цепи являются частным случаем многофазовых цепей, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими структурами однофазными или многофазными.

Трехфазные генераторы в кожухе KIPOR KDE6700T3 работают более тихо, не принося дискомфорт от шумности

реализация элемента с вращающемся круговым магнитным полем легко реализуема на практике и не требует больших затрат;

экономичность процесса генерации и раздачи энергии, низкая себестоимость энергии;

комбинация линейного напряжения с фазовым в одном устройстве.

Особенности эксплуатации трехфазного генератора

Наибольшей проблемой устройства этого типа является возможное появление перекоса фаз. Такое нарушение в работе может привести к поломке подключенной техники. Появляется в следствии возникновения большой разницы между нагрузками трех цепей. Есть множество нюансов в применении таких генераторов, но все они являются понятными особенностями конструкции. Например, к недостаткам можно отнести сложность регулировки скоростей вращения.

Что делать в случае если к дому приведены три фазы, а вам необходим однофазный генератор? В такой ситуации нужно использовать автоматическое устройство ввода в резерв, тоже трехфазное. При аварийном отключении электрики автомат проанализирует каждую входную линию и если хоть в одной из них напряжения не будет, то включится генератор. Принцип работы трехфазного генератора и является основным его преимуществом. Поскольку устройство в техническом плане не сложное, то не требует серьезного обслуживания или ухода, замены деталей. Простые конструкции наиболее надежные — это утверждение справедливо и для примера с трехфазными генераторами.

В магазине In-Green представлено множество моделей генераторов, которые позволяют решить любые задачи связанные с необходимостью восстановления или резерва электропитания. Трехфазные генераторы от отечественных, европейских и китайских производителей можно подобрать по необходимым параметрам и по стоимости.

Виды приборов

Несмотря на одинаковое строение, они применяются в различных видах устройств и типах транспорта. Определённый тип ЭГ применяется в различных ситуациях. Выделяют основные виды устройств-генераторов, которые классифицируются по типу применения:

• автомобильный;
• электрический;
• инвентарный;
• дизельный;
• синхронный;
• асинхронный;
• электрохимический.

Основным предназначением автомобильного аккумулятора является вращение коленвала. Применяется новый тип — гибридный генератор, выполняющий роль стартера. Основным принципом работы можно считать использование для включения зажигания, при этом I течёт по контактным кольцам, а затем к щелочной части. Далее переходит на обмотку возбуждения, образовывается магнитное поле и запускается ротор, создающий электромагнитные волны.

Эти волны пронизывают обмотку статора. После происходит возникновение переменного тока на выходе обмотки. Если генератор осуществляет работу в режиме самовозбуждения, то при этом частота вращения увеличивается до допустимого значения, а переменный ток преобразуется в постоянный при помощи выпрямителя.

Очень распространён инверторный тип ЭГ. Он представляет собой автономный источник питания, который производит качественную электрическую энергию. Применяется практически везде и является очень надежным источником питания, при котором отсутствуют любые скачки U. Основной принцип действия:

• вырабатывается переменный высококачественный ток, который при помощи диодного моста выпрямляется;
• постоянный ток накапливается в аккумуляторах;
• из аккумуляторов при помощи инвертора происходит преобразование в переменный стабилизированный ток.

Ещё одним отличным и долговечным вариантом является дизельный ЭГ, преобразующий энергию топлива в электрическую. Топливо сгорает и преобразовывается из химического вида энергии в тепловую. Затем тепловая энергия преобразовывается в механическую. Затем происходит трансформация по старой схеме: механическая энергия в электрическую.

В синхронном ЭГ ротор выполняет роль постоянного магнита с полюсами, число которых колеблется от 2 и более. Однако должна соблюдаться кратность 2. Во время запуска ротор генерирует слабое электромагнитное поле, но в процессе увеличения частоты вращения появляется ток в обмотке возбуждения. Во время этого процесса появляется U, поступающее на устройство, контролирующее его значение при изменении электромагнитного поля. Генераторы синхронного типа отлично зарекомендовали себя благодаря стабильно вырабатываемому U. Однако у них есть существенный недостаток — возможна перегрузка по току, а также наличие щёточного узла, который приходится иногда обслуживать.

Принцип работы ЭГ асинхронного типа основан на постоянном нахождении в режиме «торможения с подвижной частью», вращающейся с опережением. Ротор бывает фазным и короткозамкнутым. Вспомогательное магнитное поле создаётся при помощи обмотки возбуждения и продолжает индуцироваться в роторе. От количества оборотов зависит частота тока и U.

Очень интересным источником электричества является электрохимический генератор. Энергия электрического типа получается из водорода. Он является химическим источником тока, так как проходит реакция этого типа взаимодействия молекул кислорода и водорода.

Кроме того, при использовании ЭГ нужно совместно с ними применять и устройства, регулирующие параметры U и частоты. Принцип работы устройства заключается в поддержании постоянных значений U и других параметров электроэнергии для качественного питания потребителей. Регулятор также защищает генератор от перегрузок и аварийного режима. При возникновении аварийной ситуации при наличии регулятора, генератор не запустится и останется в выключенном состоянии. Это возможно при КЗ в цепи потребителей. Эти приборы улавливают U, частоту и I, а также Ф.