Устройство генератора переменного тока
Содержание:
Классификация генераторов
Существует несколько признаков, на основании которых электрический генератор можно отнести к одной из разновидностей:
- Сфера применения.
- Режимы работы.
- Фазность.
- Автономность.
Эксплуатация По каждому из признаков надо изучить модель заранее, тогда и выбор проще будет сделать.
Автономность
Полная независимость от централизованных источников энергии — одно из главных преимуществ, которыми обладают современные генераторы. В зависимости от этого показателя, модели делятся на мобильные либо стационарные.
Стационарные
Речь идёт о генераторных станциях, в основе работы которых — дизельные двигатели. Подходят для снабжения электрической энергии потребителей, удалённых от других подобных объектов. Обеспечивают снабжение током на тех территориях, где даже малейшая остановка производственных процессов приведёт к серьёзным негативным последствиям.
Мобильные
Чаще всего эти агрегаты — самые компактные. Допускают перемещение в пространстве установки. У передвижных станций сфера применения довольно широка:
- Электросварка.
- Местное освещение.
- Снабжение током бытовых электроприборов, и так далее.
Обслуживание и ремонт Внутри оборудования размещают двигатель внутреннего сгорания, который способен работать на дизельном топливе либо бензине. Агрегаты отличаются друг от друга по габаритам. Одного человека хватает, чтобы перемещать только самые маленькие устройства. Но есть мобильные варианты, монтаж которых проводят на автомобильных прицепах.
Фазность
Агрегаты разделяют на трёх- и однофазные в зависимости от внутренней структуры устройств.
Однофазные
Отличаются способностью производить однофазный ток. Питание бытовых приборов — главное назначение устройств. Обычно аппараты выпускают мобильными, чтобы с ними было проще обращаться. Частные домовладения — объекты, внутри которых однофазные агрегаты можно встретить чаще всего. Например — для удовлетворения различных нужд на бытовом уровне.
Трёхфазные
Питание силового электрооборудования — вот в чём состоит основная функция. Иногда происходит разделение такой энергии по нескольким фазам. Для питания электропроводки это очень удобное решение, позволяющее развести линию на несколько частей.
Интересно! Главное — чтобы мощность потребления у всех линий оставалась примерно одинаковой. Генератор быстро выходит из строя, если между значениями образуется серьёзная разница.
Режимы работы
Основные и резервные — две главные разновидности режимов работы согласно этой классификации.
Основные
Такие аппараты созданы, чтобы работать на постоянной основе. Группу промышленных установок представляют мощные электрогенераторы, снабжённые дизельными двигателями. Актуальны для объектов, которым наличие электрической энергии требуется постоянно.
Резервные
По названию легко понять, что такие электрические генераторы применяются лишь в некоторых, исключительно крайних случаях. Например, если централизованное электроснабжение отключают на некоторое время. Такие приборы могут включаться, если срабатывает реле, реагирующее на уменьшение напряжения. Беспрерывная работа допустима только на протяжении нескольких часов.
Сфера применения
Генераторы выпускают с расчётом на два основных направления — бытовые условия либо промышленные объекты.
В быту
Выбор бытовых генераторов на современном рынке порадует любого потребителя, вне зависимости от масштабов и запросов. Обычно выбирают однофазные установки, способные наладить бесперебойное снабжение электрическим током при аварийных ситуациях. Питание выносного электрооборудования — ещё одна сфера применения. Качество тока становится особенно важным показателем, если речь идёт о бытовых электроприборах, применяющих цифровую элементную базу. В этом случае энергия должна обладать такими параметрами: 220 В, 1 А, 50 Ггц.
Вам это будет интересно Виды и применение греющего электрического кабеля
На даче
При электросварочных работах применяют установки, обладающие повышенной мощностью. Преимущество в том, что для формирования электромеханической дуги вырабатывается ток с серьёзной силой.
Обратите внимание! Если в инструкции не описано сразу применение для электросварки, то стоит отказаться от подобной идеи. Иначе генераторы быстро портятся
Промышленные объекты
Чаще речь идёт о независимых мощных стационарных установках. Они актуальны для промышленных предприятий и целых жилых районов, больниц, общественных учреждений с высокой проходимостью. Тогда такие механические приспособления актуальны.
Частота переменного тока, вырабатываемого генератором
Данные генераторы являются синхронными, то есть угловая скорость (число оборотов) вращающегося магнитного поля линейно зависит от угловой скорости (числу оборотов) ротора генератора и асинхронными, в которых имеется скольжение, то есть, отставание магнитного поля статора от угловой скорости ротора. Ввиду некоторой громоздкости регулирования асинхронные генераторы получили небольшое распространение.
Если ротор генератора двухполюсный, то за один его полный оборот индуктированная электродвижущая сила совершит полный цикл своих изменений.
Следовательно, частота электродвижущей силы синхронного генератора будет: f=n60{\displaystyle f={\frac {n}{60}}},
где
f{\displaystyle f} — частота в герцах;
n{\displaystyle n} — число оборотов ротора в минуту.
Если генератор имеет число пар полюсов p{\displaystyle p}, то соответственно этому частота электродвижущей силы такого генератора будет
в p{\displaystyle p} раз больше частоты электродвижущей силы двухполюсного генератора: f=pn60{\displaystyle f=p{\frac {n}{60}}}.
Частота переменного тока в электрических сетях должна строго соблюдаться, в России и других странах она составляет 50 периодов в секунду (герц). В ряде стран, например в США, Канаде, Японии, в электрическую сеть подаётся переменный ток с частотой 60 герц. Переменный ток с частотой 400 герц применяется в бортовой сети самолётов.
- В таблице показана зависимость частоты генерированного переменного тока от количества магнитных полюсов и числа оборотов генератора
Данный фактор следует учитывать при конструировании генераторов.
| Число полюсов | Число оборотов ротора для частоты 50 герц,в 1 минуту | Число оборотов ротора для частоты 60 герц,в 1 минуту | Число оборотов ротора для частоты 400 герц,в 1 минуту |
|---|---|---|---|
| 2 | 3 000 | 3 600 | 24 000 |
| 4 | 1 500 | 1 800 | 12 000 |
| 6 | 1 000 | 1 200 | 8 000 |
| 8 | 750 | 900 | 6 000 |
| 10 | 600 | 720 | 4 800 |
| 12 | 500 | 600 | 4 000 |
| 14 | 428,6 | 514,3 | 3 429 |
| 16 | 375 | 450 | 3 000 |
| 18 | 333,3 | 400 | 2 667 |
| 20 | 300 | 360 | 2 400 |
| 40 | 150 | 180 | 1 200 |
Например, паровая турбина наиболее оптимально работает при 3000 оборотов в минуту, число полюсов генератора равняется двум.
Например, для дизельного двигателя, применяемого на дизельных электростанциях, наиболее оптимальный режим работы 750 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 8 полюсов.
Например, массивные и тихоходные гидравлические турбины на крупных гидроэлектростанциях вращаются со скоростью 150 оборотов в минуту, тогда генератор должен иметь 40 полюсов.
- Данные примеры приведены для частоты переменного тока 50 герц.
7.3.1. Усройство и принцип действия синхронного электродвигателя.
Характерный признак синхронного
двигателя – вращение ротора с
синхронной частотой n1
=
ƒ160
/pнезависимо от нагрузки на валу. Поэтому
синхронные двигатели используют в
системах автоматики для привода
механизмов, требующих строго стабильной
частоты вращения.
Синхронный двигатель, как и асинхронный,
состоит из неподвижного статора и
вращающегося ротора, разделенных
воздушным зазором (у синхронных двигателей
этот зазор несколько больше). Существуют
конструктивные разновидности исполнения
синхронных двигателей малой мощности,
отличающиеся в основном устройством
ротора: явнополюсные с электромагнитным
возбуждением, явнополюсные с возбуждением
постоянными магнитами, явнополюсные
реактивные (с невозбужден-ным ротором),
неявнополюсные гистерезисные.
Рассмотрим синхронные явнополюсные
двигатели с
электромагнитным возбуждением.
Эти двигатели изготавливаются обычно
мощностью в несколько киловатт и более
и поэтому в устройствах автоматики
широкого применения не получили.
Однако основные положения теории этих
двигателей используются при изучении
синхронных двигателей малой мощности
с возбуждением постоянными магнитами
и других типов.
Для изучения принципа действия синхронного
явнополюсного двигателя с электромагнитным
возбуждением используем модель,
представляющую собой две разделенные
воздушным зазором магнитные системы
с явно выраженными полюсами – внешнюю
1и внутреннюю
2(рис.
6). Если внешняя система полюсов неподвижна,
то благодаря силам магнитного притяжения
внутренняя система полюсов (ротор)
расположится так, что ее полюсы будут
находиться под полюсами внешней системы
противоположной полярности. При этом
силы
FMмагнитного притяжения, действу-ющие
на внутреннюю систему, не будут
создавать электромагнитного момента
(рис. 7,а), так как они направлены
радиально (по оси полюсов).
Если внешнюю систему полюсов вращать
с небольшой частотой n1, то в
начальный момент времени эта система
сместится относительно внутренней
на некоторый угол θ (рис. 7,б). При
этом вектор силы магнитного притяженияFMтакже повернется относительно оси
полюса ротора. Теперь эта сила состоит
из двух составляющих:FM=
Fn
+ Ft
причем нормальная составляющая
Fnнаправлена по оси полюса рото-
— 4 —
ра,
а тангенциальная
Ft–
перпендикулярно оси полюса. Совокупность
составляющих
Ftдействующих
на все полюсы ротора, создает на роторе
электромагнитный вращающий моментМ,
приводящий ротор во вращение с
синхронной частотойn1, т. е.
синхронно вращению внешней системе
полюсов.
Рис.
6. Упрощенная модель синхронного
двигателя:
Рис. 7. Возникновение
электромагнитного
а
– внешняя магнитная система;
момента на роторе синхронного
б
– внутренняя магнитная система.
двигателя.
Трехфазный синхронный двигатель
отличается от рассмотренной модели
тем, что в нем вместо внешней системы
полюсов имеется неявнополюсный
статор с распределенной трехфазной
обмоткой, аналогичный статору
асинхронного трехфазного двигателя.
Ротор синхронного двигателя – явнополюсной
конструкции с электромагнитным
возбуждением. При этом на полюсах ротора
2 располагают
полюсные
катушки
3(рис. 8), которые при последовательном
соединении образуют обмотку возбуждения
(ОВ).
При подключении ОВ к источнику постоянного
тока возникает магнитный поток возбуждения
ФВ, силовые линии которого
сцеплены с обмоткой статора1.
При включении обмотки статора в
трехфазную сеть создается вращающееся
с синхронной частотойn1магнитное поле с таким же числом
полюсов, как на роторе. Благодаря
взаимодействию полей статора и ротора
возникает электромагнитный момент,
вращающий ротор ссин-хронной
частотой. В результате электрическая
энергия сети преобразуется в механическую
энергию вращения.
Предположим, что ротор двигателя враща-
Рис.
8.
Магнитная система явнополюсногоется с частотой, отличающейся
от частоты
синхронного
двигателя (2р
= 4): вращения
поля статора, тогда в некоторые
1
– обмотка статора; 2
– полюса ротора; моменты
времени возбужденные полюса ро-
3
– полюсные катушки. тора
окажутся под одноименными полюсами
поля статора, возникнут силы магнитного
от-
— 5 —
талкивания
Суммарный электромагнитный момент
станет равным нулю и ротор остановится.
На рис. 9,
апоказана конструкция ротора синхронного
двигателя с явно выраженными полюсами.
Месторасположение и схема подсоединения агрегата
Вал ротора генератора приводится в движение ременной передачей, соединяющей его со шкивом коленвала. Поэтому агрегат всегда расположен поблизости от переднего торца двигателя, где находится привод газораспределительного механизма. В переднеприводных автомобилях мотор повернут на 90°, а электрогенератор находится с правой стороны (если смотреть по ходу движения).
Статорная обмотка аппарата является трехфазной, поскольку состоит из 3 отдельных секций, повернутых друг относительно друга на 120°. Поэтому обмотки подключаются «звездой», а к выводу каждой фазы подсоединена пара диодов, преобразующих переменный ток в постоянный. Всего выпрямительный мост включает 3 пары элементов (6 диодов).
Схема подключения автомобильного генератора состоит из таких элементов:
- встроенный диодный выпрямитель, описанный выше;
- реле – автоматический регулятор выходного напряжения;
- группа дополнительных диодов (3 шт.), выпрямляющих ток для регулятора;
- лампа – индикатор зарядки аккумуляторной батареи;
- замок зажигания;
- аккумулятор.
К реле-регулятору подсоединены вывода обмоток ротора и статора (через выпрямительный мост). Задача данного блока – регулировать мощность на выходе генераторного узла, удерживая величину напряжения в диапазоне 13,8–14,7 вольт.
В цепь электрогенератора и реле включены контакты замка зажигания и аккумуляторная батарея, получающая заряд в процессе работы двигателя. От линии, ведущей к блоку регулятора, запитана лампочка на приборной панели, сигнализирующая о питании бортовой сети от аккумулятора. Когда мотор заводится и начинается генерация тока, индикатор гаснет.
Как выбрать?
Покупать «просто тихий» аппарат не совсем разумно. Как, впрочем, и самое мощное устройство. Прежде всего следует определиться, для какой цели будет применяться генератор:
-
в сезонном электропитании;
-
как резервная подстраховка;
-
как аварийное решение;
-
в качестве постоянного источника энергии.
Для туристов, охотников, рыбаков и части коммерческих потребителей правильнее выбирать мобильный генератор. Он же устроит и дачников
Но критически важное значение имеет мощность устройства. Она должна быть сбалансирована: слабая техника «не вытянет» задачу, а излишне сильная будет зря тратить ресурсы
Число фаз тоже весьма актуально. От однофазного электрогенератора можно запитать лишь однофазные приборы. Впрочем, для бытового и дачного применения это не слишком существенно. Трехфазные модели надо брать для оснащения стройплощадок, промышленных предприятий и их отдельных цехов
Важно: на одну фазу они выдают не более 1/3 мощности
Еще один немаловажный аспект — применяемое топливо. Бензиновая модель позволит снабдить током дом при периодических сбоях. Эти аппараты компактны, сравнительно легки и мало шумят. Их активно используют мелкие коммерческие фирмы – как производство, так и торговля. Дизельные модификации стоят дорого, издают сильный шум, зато выдают много тока и могут работать длительное время без перерывов. Модели ценны там, где электросети отсутствуют как класс.
Баллонный сжиженный газ существенно дешевле бензина. Еще выгоднее этот режим при подсоединении к магистрали. Асинхронные устройства предназначены для электропитания под открытым небом, их же стоит применять для особо влажных помещений.
Однако проблема в том, что бесщеточные генераторы не умеют выдавать безупречно качественный ток с оптимальной синусоидой. Бытовая аппаратура и компьютеры лучше всего подпитываются синхронными аппаратами. Даже подверженность к поражению пылью оправдывается стабильными параметрами и высокими характеристиками тока. Альтернатор с медной обмоткой обойдется дороже, зато куда лучше проводит тепло и имеет отличную выходную мощность
Дополнительно стоит обратить внимание на:
-
наличие системы AVR (без нее скачки напряжения могут поломать телефоны, планшеты и ноутбуки);
-
ручной или электрический тип стартера;
-
наличие опции автоматического запуска (а иногда и остановки);
-
закрытый либо открытый корпус (первый вариант устойчивее и надежнее, но может перегреваться);
-
отсчет моточасов (позволяющий вовремя проводить техобслуживание);
-
расход горючего;
-
отзывы;
-
сервисные возможности поставщика.
Какой электрогенератор выбрать смотрите далее.
Обзор электрогенератора HUTER DY6500LXA смотрите далее.
Классификация
Различают два вида генераторов постоянного тока:
- с независимым возбуждением обмоток;
- с самовозбуждением.
Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:
- устройства с параллельным возбуждением;
- альтернаторы с последовательным возбуждением;
- устройства смешанного типа (компудные генераторы).
Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.
С параллельным возбуждением
Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.
Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.
Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.
Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.
Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.
С независимым возбуждением
В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.
На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.
Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.
С последовательным возбуждением
Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.
В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.
Со смешанным возбуждением
Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.
Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.
Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.
Устройство автомобильного генератора
Основные части генератораГенератор в разрезеСтатор и ротор
Статор (неподвижная часть генератора) представляет собой обмотки с магнитопроводом, в которых образуется электрический ток. Ротор – вращающаяся часть генератора. Ротор состоит из обмоток возбуждения с полюсной системой, вала и контактных колец. Кольца выполняются чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. Для снижения износа и предотвращения окисления они могут изготавливатья из латуни или нержавеющей стали. К кольцам присоединяются выводы обмотки возбуждения. Питание к обмоткам подается через щетки (скользящие контакты), которые прижимаются к кольцам с помощью пружин. Щетки бывают двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют более высокое электрическое сопротивление, что снижает выходные характеристики генератора, зато они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Существуют и бесщеточные генераторы, у которых на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения – на статоре. Отсутствие щеток и контактных колец повышает надежность генератора, но увеличивает массу и шумность при работе.
При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно разнополярные полюсы, т. е. направление и величина магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и приводит к появлению в ней переменного напряжения. Так как потребители электрической сети автомобиля работают на постоянном напряжении, в схему генератора вводится диодный выпрямитель.
Диодный мост и регулятор напряженияКонструкция и привод генераторов
Электронные регуляторы напряжения, как правило, встроены в генератор (“таблетка”) и объединены со щеточным узлом. Иногда они располагаются отдельно в подкапотном пространстве. Регуляторы изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Устройства необслуживаемые, необходимо лишь контролировать надежность контактов. Существуют регуляторы напряжения, наделенные функцией термокомпенсации, – они измененяют напряжение зарядки в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для обеспечения оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к батарее, и наоборот.
Генераторы выпускаются в двух конструктивных исполнениях – “классическом”, с вентилятором у приводного шкива, и компактном, с двумя вентиляторами внутри генератора. Так как “компактные” генераторы имеют привод с более высоким передаточным отношением, их называют еще высокоскоростными генераторами.
Генератор устанавливается на специальном кронштейне двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала через ременную передачу. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток. На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра. Привод генератора может осуществляться как отдельно, так и одним ремнем вместе с насосом охлаждающей жидкости (“помпой”). Натяжение ремня регулируется либо отклонением корпуса генератора, либо (в случае применения поликлинового ремня) натяжными роликами при неподвижном генераторе.
Возможна ли замена генератора одной марки на другой? Вполне, если выполняются следующие условия:
- энергетические характеристики заменяющего генератора не ниже, чем у заменяемого;
- передаточное число от двигателя к генератору одинаково;
- габаритные и крепежные размеры заменяющего генератора позволяют установить его на двигатель. Большинство генераторов зарубежного производства имеют однолапное крепление, а отечественные крепятся за две лапы, поэтому замена “иномарочного” генератора отечественным потребует замены кронштейна;
- электрические схемы генераторных установок аналогичны.
