Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Мощность автогенератора

Если включить в машине все энергоемкие устройства, генератор может не справиться с нагрузкой, и часть энергии будет поступать в аккумулятор.

Для расчета мощности генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где P — мощность, I — ток, U — напряжение.

Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в пределах от 13,5 В до 14,2 В. Фактическая сила может варьироваться от модели к модели. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение 100А.

По формуле получаем 13,5В * 100А = 1350Вт или 1,35кВт. Это мощность генератора, измеряемая в ваттах. Также следует учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об / мин и выше. Как минимум, передаваемая мощность равна 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля достаточно 80А. При использовании более мощного автогенератора бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Мы должны это учитывать. Больше мощности не всегда полезно.

Питание бортовой сети

После пуска практически все бортовые приборы питаются именно от генерирующего элемента, он несет на себе основную нагрузку. Подзаряжает аккумулятор, восполняет его потраченную энергию на пуск, а также дает энергию для освещения, системы зажигания, подачи топлива, развлекательный комплекс (аудио, видео), всевозможные подогревы (сидений, стекол, зеркал).

Стоит отметить, что если генерирующее устройство не справляется, то часть энергии ему может дать АКБ, это происходит в моменты максимальной нагрузки, например — ночью в мороз, когда включены многие электрические приборы. Если какой-то источник отключается, и энергии только одного генератора становится достаточно, то он автоматически подзаряжает АКБ. Так цикл повторяется.

1.4 Индукторные генераторы

В индукторных
генераторах (ИГ) магнитная индукция в каждой точке якорной зоны меняется только
по величине, а её направление сохраняется неизменным. Изменение во времени
магнитного потока, сцепленного с каждой секцией обмотки якоря, достигается за
счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути потока.

Рисунок 8 – Однопакетный ИГ

На рисунке 8
показан однопакетный ИГ с неявнополюсным статором, на котором размещается
якорная обмотка 1, распо­ложенная в пазах шихтованного сердечника 2. Кроме
того, на статоре размещается обмотка возбуждения 3, питаемая по­стоянным током.
На роторе имеется стальная втулка 4, на которой находятся шихтованные выступы
5. Основной магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой воз­буждения, замыкается по
пути: корпус 6 — втулка 4 — сердеч­ник 2 — корпус 6. Между втулкой 4 .и
сердечником статора 2 поток разветвляется: его большая часть Фmax
замыкается че­рез выступы 5 и наименьший зазор 6 min,
а меньшая часть Фmin — через наибольший зазор бmax. (величина потока обрат­но пропорциональна магнитному
сопротивлению на его пути). При вращении ротора с каждой секцией якорной
обмотки бу­дет поочередно сцеплен то Фmax, то Фmin.. Таким образом, по­ток меняется по величине, но
его направление (на рисунке 8 – от центра к периферии) сохраняется в каждой
точке зазора. За счет изменения Ф во времени в обмотке якоря наводится э.д.с.

На рисунке 9
(обозначения те же, что и на рисунке по­казан двух пакетный ИГ с явно
полюсным статором. Здесь якорная обмотка выполнена в виде катушек, охватывающих
ших­тованные выступы сердечника статора. Имеются одна обмотка возбуждения 3 и
две симметричные активные зоны слева и справа от обмотки 3, в которых, как и на
рисунке 8, через δmin замыкается Фmах,
а через δmах замыкается Фmin.

Конструкции,
показанные на рис, 8 и 9, называют­ся одноименно полюсными, так как магнитная
индукция имеет одинаковое направление в каждой точке зазора.

Рисунок 9 – Двухпакетный
ИГ с явно полюсным статором

Внешние
характеристики индукторных генераторов подобны характеристикам явнополюсных
синхронных генераторов.

Достоинства:
отсутствие вращающейся обмотки, простота и надежность конструкции; относительно
малые вес обмотки возбуждения и потери в ней, а следовательно, и в регуляторе;
относительно высокий к. п. д. и простота регулирования по­тока взаимоиндукции.
Допускают высокие частоты вращения. Могут быть выполнены на большие частоты
(тысячи Гц), при которых они наиболее конкурентоспособны с генераторами других
типов.

К
недостаткам относятся: низкое использование (менее чем на 50%) активного слоя
вследствие того, что полезно используется лишь переменная составляющая пульси­рующего
потока; высокая реактивность, что иногда требует емкостную компенсацию;
зависимость формы кривой э. д. с. от величины и характера нагрузки.

Существуют
разноименно полюсные ИГ, в которых якорная зона имеет области с магнитным полем
разного направления (напомним, однако, что в каждой данной точке рабочего
зазора поле сохраняет направление и меняется только по величине). Такой ИГ
показан на рисунке 10, а.

Рисунок
10 – Разноименно полюсные ИГ

Он имеет обмотку возбуждения 1, стороны которой
параллельны оси. На статоре есть выступы с обмоткой якоря 2. Ротор также
явнонополюсный. Полный поток вокруг обмотки возбуждения 1 замыкается по двум
основным путям: через δmin замыкается поток Фmаx и
через δmах — поток Фmin. При вращении
якоря поток в каждой катушке якорной обмотки 2 меняется во време­ни и наводит
э.д.с. В верхней половине сечения на рисунке 10, а поле всюду направлено от
центра, а в нижней — к центру, т.е. на роторе и статоре можно выделить
полюсы разной полярности, в отличие от предыдущих конструкций ИГ, где в каждом
сечении активной зоны полюсы имели одинаковую полярность.

Общими недостатками для всех типов индукторных генераторов является их
больший вес (на 40—60% больше, чем у генераторов с вращающимися выпрямителями).
Пакет якоря имеет, по меньшей мере, удвоенные размеры и вес по сравнению с
якорем альтернативного генератора. Индукторные генераторы имеют плохую форму
кривой напряжения, крутопадающие внешние характеристики и малый коэффициент
перегрузки. Динамические характеристики их невысокие.

Виды и их особенности

Современные модели бытовых электрогенераторов классифицируются по 3-м признакам:

1. Синхронности.
2. Типу используемого топлива.
3. Назначению.

Бытовой переносной газовый электрогенератор мощностью 2 кВтИсточник alicdn.com

Разберем их особенности более подробно.

Синхронные и асинхронные

В зависимости от того, какой принцип лежит в работе, агрегаты разделяются на 2 вида:

Синхронные.

Главная специфика генераторов данного типа – прямая зависимость характеристик вырабатываемого тока от скорости вращения якоря. Благодаря этому возникает возможность точно задавать параметры выдаваемого электричества.

Работает по алгоритму:

1. Ротор вращается от любого двигателя, например, турбины.
2. На его обмотку подается постоянный ток.
3. Возникающая при этом ЭДС генерирует переменное магнитное поле.
4. Под его действием в статорной обмотке возникает ток.

Именно такого рода электрогенераторами оснащается большая часть электростанций.

Асинхронные.

Асинхронный генератор переменного тока – это, по сути, асинхронный электродвигатель, так как оба относятся к однотипным статорно-роторным устройствам. При этом чтобы мотор заработал в качестве электрогенератора, потребуется увеличить скорость вращения якоря до нужного значения.

Асинхронный двигатель легко переделывается в электрогенераторИсточник ytimg.com

Недостатки данного типа агрегатов выражаются в необходимости возбуждать обмотку после подключения реактивной нагрузки – ввиду роста стартовой нагрузки и последующего провала мощности. Кроме того, требуется точно подобранный конденсатор. В противном случае ток будет меньше, чем необходим или установка будет перегреваться.

Вид топлива

Для получения вращающего момента применяется ДВС. В нем тепловая энергия от сжигания топлива превращается в механическую энергию, которая в свою очередь передается на вращение вала ротора. Для этой цели применяются следующие виды энергоресурса:

Газ.

Особенности газовых агрегатов проявляются в следующем:

1. Отсутствие загрязняющих окружающую среду выхлопов.
2. Доступность и дешевизна топлива.
3. Автоматическая подача и контроль уровня газа.

Недостаток выражается в необходимости обустройства отдельного теплого помещения под контролирующую аппаратуру. Более того, к газовому хранилищу предъявляются особые требования безопасности.

Автономная газовая электростанция для питания приборов частного домаИсточник ytimg.com

Простейшие дизельные генераторы переменного тока имеют следующий ряд плюсов:

1. Доступность и дешевизна энергоресурса.
2. Пожаро-взрывобезопасность, что особенно актуально в сравнении с газовыми моделями.
3. Длительная работа без остановок и аварий с одного запуска.
4. Возможность оснащения автозапуском.
5. Долговечность.

Проблема дизельных агрегатов выражается в затрудненном запуске на морозе.

Бензин.

Преимущества бензиновых моделей выражаются в следующем:

1. Малые размеры и вес установок.
2. Доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
3. Оснащенность автоматической защитой.
4. Минимальный уровень рабочего шума.
5. Возможность использования в помещении.

Видео о том, что такое генератор и как он работает:

Главный минус проявляется в высокой цене топлива.

Назначение

По назначению электрогенераторы разделяются на 3 вида:

• Бытовые. В зависимости от цели использования в быту применяются установки мощностью от 0,6 до 25-27 кВт. Ими снабжаются приборы, работающие в доме, гараже, придомовых постройках и на участке. Такие модели также берутся и на стройплощадку, и на отдых на природе.
• Профессиональные. Мощность установок ограничивается номиналом в 100 кВт. Агрегат может использоваться на объектах как временно, так и постоянно.
• Промышленные. Для питания мощного цехового оборудования применяются агрегаты мощностью более 100 кВт. Характеризуются большими габаритами, весом и сложностью в обслуживании.

Видео-пример изготовления генератора из асинхронного двигателя:

Коротко о главном

Электрогенератор работает по закону электромагнитной индукции – когда при пропускании переменного магнитного поля через неподвижный проводник возникает ток. Состоит агрегат из вращающегося от внешнего привода ротора и неподвижного статора в виде обмотки, с контактов которой в итоге снимается электроток.

Применяются электрогенераторы в различных сферах – и в быту, и в промышленности. Подключаться они могут вручную, автоматически и синхронно. Классифицируются по нескольким признакам:

• Асинхронные и синхронные.
• Газовые, дизельные и бензиновые.
• Бытовые, профессиональные, промышленные.

Опции и возможности бытовых электрогенераторов

Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:

• устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
• наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
• контроль параметров и отображение их на дисплее;
• защита от перегрузки.

При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.

Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.

Применение генераторов переменного тока на практике

Промышленное производство мощных генераторов

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

На фото — электрический генератор для автомобиля

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Принципиальная схема автомобильного генератора

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Трехфазный генератор – принцип работы и его устройство

Тот, кто незнаком с генераторами, объясняем, что это агрегат, в котором из одного вида энергии получается другая. А, точнее, из механической электрическая. При этом эти приборы могут генерировать как ток постоянный, так и ток переменный.

До середины двадцатого века использовались в основном генераторы постоянного тока. Это были аппараты больших размеров, которые работали не очень хорошо. Появление на рынке диодов полупроводникового типа позволило изобрести трехфазный генератор переменного тока.

Именно диоды позволяют выпрямить переменный ток.

Принцип работы

В основе работы трехфазного генератора лежит закон Фарадея – закон электромагнитной индукции, который гласит, что электродвижущая сила будет обязательно индуцироваться во вращающейся прямоугольной рамке, которая установлена между двумя магнитами.

При этом делается оговорка, что магниты будут создавать вращающееся магнитное поле. Направление вращения и рамки, и магнитного поля обязательно совпадают.

Но электродвижущая сила будет возникать и в том случае, если рамка останется неподвижной, а внутри нее вращать магнит.

Чтобы разобраться, как работает генератор, обратите внимание на рисунок ниже. Это простейшая схема его работы

Здесь хорошо видны магниты с разными полюсами, рамка, вал и токосъемные кольца, с помощью которых производится отвод тока.

Конечно, это просто схема, хотя лабораторные генераторы так и создавались. На практике же обычные магниты заменяют электромагнитами. Последние – это медная обмотка или катушки индуктивности. Когда по ним проходит электрический ток, образуется необходимое магнитное поле.

Такие генераторы установлены во всех автомобилях (это для примера), чтобы их запустить, под капотом устанавливается аккумулятор, то есть, источник постоянного тока. Некоторые модели генераторов запускаются по принципу самовозбуждения или при помощи маломощных генераторов.

Схемa генерaторa переменного токa

Разновидности

В основе классификации заложен принцип действия, поэтому эти агрегаты переменного тока делятся на два класса:

• Асинхронные. Это самые надежные в работе, небольших размеров и веса, простых по конструкции генераторы. Они прекрасно справляются с перегрузками и коротким замыканием. Правда, необходимо учитывать, что данный вид сразу же выходит из строя, если на него будет действовать большая перегрузка. К примеру, пусковой ток электрооборудования. Поэтому стоит учитывать этот факт, для чего придется приобретать генератор мощностью большей раза в три или четыре, чем потребляемая мощность оборудования при запуске.
• Синхронные. А вот этот вид легко справляется с краткосрочными нагрузками. Такой генератор может выдержать перегруз раз в пять или шесть. Правда, высокой надежностью он не отличается по сравнению с асинхронным вариантов, к тому же он является обладателем больших размеров и массы.

Лучшие бензогенераторы инверторного типа

Если не нужно подключать станки, насосы и тепловые пушки следует обратить внимание на эту модель. Самый надежный производитель бензогенераторов предлагает готовое решение для дежурного электропитания дачи. Эта техника весит всего 12 кг, поэтому хорошо подходит для организации турпоходов, выездов на пикник и проведения иных мероприятий

Минимальный шум почти не слышен на расстоянии 8-10 метров

Эта техника весит всего 12 кг, поэтому хорошо подходит для организации турпоходов, выездов на пикник и проведения иных мероприятий. Минимальный шум почти не слышен на расстоянии 8-10 метров.

Плюсы:

• надежный четырехтактный двигатель;
• удобная ручка для переноски;
• подробная понятная инструкция;
• эффективная звукоизоляция;
• очень легкий пуск в любую погоду;
• информативная индикация;
• компактность, легкость.

Эксплуатация этого инверторного генераторва не вызывает затруднений у рядовых пользователей. Встроенный инвертор поддерживает стабильный сигнал на выходе в разных рабочих режимах. При ошибочном подключении слишком мощной нагрузки срабатывает автоматическое выключение. Эффективный глушитель в комплекте с навесными элементами обеспечивает хорошую звукоизоляцию (58 дБ).

Плюсы:

• легкий запуск генератора;
• невысокий уровень шума;
• интуитивно понятное управление;
• прорезиненные ножки обеспечивают хорошую устойчивость;
• тихая работа;
• компактные размеры и небольшой вес;
• высокое качество электропитания;
• две розетки (220V и 12V).

Минусы:

для заливки масла рекомендуется применять узкую длинную воронку, так как доступ к отверстию ограничен.

Для подключения ноутбука или телевизора необходим стабилизированный источник питания. Помехи в сети провоцируют сбои в работе программного обеспечения. Качественное электроснабжение обеспечивает высокий КПД подключенной техники. Надежная защита предотвращает повреждение бензогенератора при подсоединении мощной индуктивной нагрузки.

Плюсы:

• отличный инверторный бензогенератор для дачи со стабильными рабочими характеристиками;
• большая мощность (2,3 кВт);
• три розетки с двумя выходами по 220V, одним – 12V;
• встроенные колеса;
• экономно расходует топливо;
• время непрерывной работы может достигать 5,5 часов;
• удобные ручки;
• качественная отделка.

Предлагаем ознакомиться Белые грибы: сколько жарить свежие, замороженные, сушеные, рецепты

Устройство простейшего генератора

Простейший генератор представляет собой обыкновенную прямоугольную рамку, которая размещена между магнитами с разными полюсами. Для снятия напряжения с вращающейся рамки используют токосъемные кольца.

В автомобилестроение используют электромагниты – катушки индуктивности или обмотки медного провода. При прохождении электрического тока через обмотку, последняя насыщается электромагнитными свойствами. Для возбуждения обмотки используется аккумуляторная батарея.

Устройство автомобильного генератора переменного тока

Автомобильный генератор состоит из корпуса с крышками, в которых имеются отверстия для вентиляции. Ротор устанавливается в подшипниках 2 и вращается в них. Привод ротора осуществляется путем ременной передачи (ремень одевается на шкив). Ротор выступает электромагнитом (обмоткой). Ток на обмотку поступает с помощью двух медных колец и графитных щеток, которые соединены с электронным регулятором. Электронный реле регулятор отвечает за напряжение на выходе, которое должно находиться в пределах 12 Вольт вне зависимости от частоты вращения шкива привода генератора. Реле регулятор может встраиваться в корпус, а может находиться отдельно.

Статор – представляет собой три медные обмотки, которые соединяются в треугольник. К точкам соединения обмоток подключается выпрямительный мост, который состоит из 6 полупроводниковых диодов, которые служат для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Генера́тор (с латыни generator означает «производитель») — устройство, что вырабатывает электроэнергию, производит продукты или преобразует один вид энергии в другой.

Автомобильный генератор — устройство, которое преобразует механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя автомобиля в электрическую.

Автомобильный генератор применяется для питания потребителей электроэнергии, таких как система зажигания, приборы освещения, бортовой компьютер автомобиля, системы диагностики, а также для зарядки аккумуляторной батареи (АКБ).

От надежности работы генератора зависит бесперебойность работы остальных систем автомобиля и других его компонентов. Мощность современного автомобильного генератора составляет 1 кВт.

Принцип работы автомобильного генератора

Первые автомобильные генераторы были генераторы постоянного тока. Они требовали много внимания к себе, что обуславливалось частым обслуживанием и контролем работы устройства.

Затем был придуманы диодные выпрямители, что значительно увеличило ресурс работы генератора и увеличило срок его работы. Генераторы с диодными выпрямителями тока стали называться генераторами переменного тока. На производство генератора переменного тока уходило меньше материалов, соответственно он стал легче и значительно меньше, а КПД вырос, обеспечивая более стабильный ток на выходе.

В современных иномарках используют синхронные трехфазные генераторы переменного тока, а в качестве выпрямителя – трехфазный выпрямитель Ларионова.

От поворота ключа до выдачи напряжения…

Во время поворота ключа замка зажигания в рабочее положение питание подается на обмотку возбуждения и генератор начинает отдавать ток в нагрузку. За управление током в обмотке возбуждения отвечает стабилизатор напряжения, который входит в щеточный узел генератора. Питание стабилизатора напряжения осуществляется от выпрямителя.

Ротор генератора приводится во вращение от коленчатого вала через шкив посредством клинового ремня. В обмотке возбуждения создается электромагнитное поле, которое индуцирует электрический ток в фазовых обмотках статора.

Выдаваемый ток – скачкообразный и зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, поэтому для его стабилизации применяется стабилизатор напряжения.

Напряжение бортовой сети в работающей системе должно находится в пределах 13,8-14,2 В, что обеспечит нормальную подзарядку АКБ.

На крупногабаритных автомобилях используются автомобильные генераторы повышенной мощности 24 В.

Принцип работы генератора постоянного тока

Если к концам петли проводника, внутри которой вращается постоянный магнит, подключить нагрузку, то в ней потечет переменный ток. Произойдет это потому, что полюса магнита меняются местами. На этом эффекте основан принцип работы генераторов переменного тока, являющихся братьями-близнецами машин постоянного напряжения.

Вся хитрость, благодаря которой получаемый ток не меняет направления, заключается в том, чтобы успевать коммутировать точки подключения нагрузки с той же скоростью, с какой вращается магнит. Осуществить эту задачу может только коллектор – особое устройство, состоящее из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно закрепляется на якоре электрической машины и вращается синхронно с ним.

Съем электрической энергии с якоря осуществляется щетками – кусочками графита, имеющего высокую электропроводность и низкий коэффициент трения скольжения. В тот момент, когда токопроводящие сектора коллектора меняются местами, индуцируемая ЭДС становится нулевой, но изменить знак она не успевает, поскольку щетка передана токосъемному сектору, подключенному к другому концу проводника.

Есть несколько методов для решения вопроса: как подключить генератор к сети дома. Можно использовать перекидной или реверсивный рубильник, или же устанавливать агрегат с автоматической системой запуска.

Как находить возможные неисправности генераторов и чинить их — подскажет подробная инструкция.

В результате, на выходе устройства получается пульсирующее напряжение одной величины. Чтобы сгладить пульсацию напряжения используется несколько якорных обмоток. Чем их больше, тем меньше броски напряжения на выходе генератора. Количество токосъемных секторов на коллекторе всегда в два раза больше, чем обмоток якоря.

Съем генерируемого напряжения с обмотки якоря, а не статора, является коренным отличием машины постоянного тока от переменного. Это же предопределило и их существенный недостаток: потери на трение между щетками и коллектором, искрение и нагрев.