Генераторы переменного тока

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A , E_B и E_C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I_A, I_B, I_C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B_max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ_max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

ЧТО ТАКОЕ АЛЬТЕРНАТОР

Когда–то давно, на заре своего возникновения, устройство для выработки электрического тока так и называлось – альтернатор. То есть, это устаревшее название генератора переменного тока. Позже его стали называть генератором, подразумевая под этим всю конструкцию: альтернатор и двигатель, размещенные на открытой раме или в корпусе.Альтернатор в отдельности – самая важная часть генератора, именно он выполняет главную функцию – преобразовывает механическую энергию вращения вала двигателя в электрическую энергию переменного тока. В нем есть два стандартных элемента: вращающийся ротор и статор — неподвижная часть генератора.

Для возбуждения электродвижущей силы на обмотках статора нужно создать переменное магнитное поле. Для этого все генераторы используют намагниченный ротор, который вращается. Это то, что у всех одинаково. А вот дальше начинаются различия. По конструктивным особенностям передачи магнитного поля на обмотки статора все электростанции можно разделить на асинхронные и синхронные:

• Синхронные альтернаторы имеют обмотки и на роторе. Синхронный альтернатор носит второе популярное название – щеточный.
• Асинхронные альтернаторы обмотки на роторе не имеют. В них передается остаточная намагниченность ротора, без контакта, поэтому надобность в щетках тоже отпадает. Поэтому асинхронный альтернатор называют бесщеточным.

Если совсем просто, то синхронный альтернатор по строению является более сложным, он обладает обмотками на роторе и угольными щетками. Асинхронный альтернатор более простой по своему строению, поэтому генераторы с ним стоят дешевле и, учитывая отзывы покупателей, являются менее надежными и выносливыми. Но это не значит, что асинхронный альтернатор заведомо хуже синхронного. Есть некоторые нюансы, которые практически уравновешивают все плюсы и минусы и одного и другого типа. Какой генератор выбрать, синхронный или асинхронный, зависит от того, где и как вы планируете его применять.

Типичный отзыв клиента:

«Когда строил дом, время от времени брал генератор с работы (Хонда). Генератор хороший — не вопрос, наши дорожники использую больше пяти лет. Но когда я его подключил к газовому котлу, то он его не запустил. Уже позже узнал, что из-за того, что он бесщеточный, вырабатывает нестабильное напряжение. После этого взял Konner&Sohnen KS6000D. У кума работает больше года, он и посоветовал. От него вся электроника работает нормально, замерял вольтметром выходное напряжение, на выходе абсолютно ровная синусоида 220 В (+/-5). Не смотря на то, что я электрик, не знал, что для дома лучше брать синхронный генератор.» ©Глеб

Что представляет собой асинхронный электродвигатель?

К асинхронным принято относить электродвигатели, в которых частота вращения одного из ключевых элементов — ротора — не совпадает с частотой оборотов магнитного поля, формирующегося током, который возникает на обмотке статора. Асинхронные агрегаты иногда именуются индукционными. Это обусловлено тем, что в обмотке ротора осуществляется индуцирование тока при воздействии магнитного поля статора.

В конструкции асинхронного электродвигателя присутствуют статор и ротор, которые разделены воздушной прослойкой. Основные активные элементы агрегата:

• обмотка;
• магнитопровод.

Важную роль в функционировании асинхронного двигателя играют дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают прочность, охлаждение и устойчивость работы агрегата.

Асинхронный генератор

Асинхронная электрическая машина работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.

В асинхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум.

В бытовых бензиновых и дизельных электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин. В дизельных электростанциях с частотой вращения 1500 об/мин используется четырехполюсной асинхронный генератор.

Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не регулируемым, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависит от частоты оборотов ротора и следовательно от стабильности вращения двигателя электростанции.

Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: высокая себестоимость, зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.

Основное про асинхронные генераторы

Мобильная электростанция асинхронного типа является двигателем, который для работы использует режим торможения. Это означает, что ротор и магнитное поле стартера оборачиваются в одном направлении, но с некоторой долей опережения. Вращающееся магнитное поле невозможно перенастроить, из-за чего выходная частота и напряжение всегда зависят от частоты вращения ротора.

Преимуществами генераторов асинхронного класса являются:

• высокая устойчивость к коротким замыканиям;
• наличие автоматической регулировки сглаживает скачки напряжения;
• клирфактор находится на уровне 2 %, благодаря чему энергия генерируется без выделения вредных составляющих;
• при выработке энергии выделяется небольшое количество тепла.

Главным негативным нюансом асинхронных электростанций является то, что они плохо переносят пусковые токи.

Выбирать дизельную электростанцию асинхронного типа рекомендуется для подключения электросварок, так как это гарантирует более ровный шов. Они устойчивы к влаге и пыли и поэтому могут бесперебойно работать на различных предприятиях, стройплощадках, улице. К асинхронным электростанциям следует подключать приборы, для которых напряжение и частота тока не играют важную роль.

Основное про асинхронные генераторы

Мобильная электростанция асинхронного типа является двигателем, который для работы использует режим торможения. Это означает, что ротор и магнитное поле стартера оборачиваются в одном направлении, но с некоторой долей опережения. Вращающееся магнитное поле невозможно перенастроить, из-за чего выходная частота и напряжение всегда зависят от частоты вращения ротора.

Преимуществами генераторов асинхронного класса являются:

• высокая устойчивость к коротким замыканиям;
• наличие автоматической регулировки сглаживает скачки напряжения;
• клирфактор находится на уровне 2 %, благодаря чему энергия генерируется без выделения вредных составляющих;
• при выработке энергии выделяется небольшое количество тепла.

Главным негативным нюансом асинхронных электростанций является то, что они плохо переносят пусковые токи.

Выбирать дизельную электростанцию асинхронного типа рекомендуется для подключения электросварок, так как это гарантирует более ровный шов. Они устойчивы к влаге и пыли и поэтому могут бесперебойно работать на различных предприятиях, стройплощадках, улице. К асинхронным электростанциям следует подключать приборы, для которых напряжение и частота тока не играют важную роль.

Советы по эксплуатации

Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.

Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.

При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.