Электромеханический генератор принцип работы. Электрические генераторы переменного тока. Статоры синхронного и асинхронного генератора не отличаются друг от друга по конструкции

Когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.

Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.

Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.

Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.

Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле

Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собой простейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.

Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.

Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.

Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 - контактные кольца, 3 и 4 - щетки.

При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.

Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.

При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ - из-за плоскости чертежа на нас.

Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.

Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.

Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.

Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.

При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.

Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).

Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.

Так, например, если к зажимам данного простейшего генератора присоединить электрическую лампочку, то за первую половину оборота рамки электрический ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую.половину оборота - в другом.

Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки

Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название .

Электрический ток является основным видом энергии, совершающим полезную работу во всех сферах человеческой жизни. Он приводит в движение разные механизмы, дает свет, обогревает дома и оживляет целое множество устройств, которые обеспечивают наше комфортное существование на планете. Поистине, этот вид энергии универсален. Из нее можно получить все что угодно, и даже большие разрушения при неумелом использовании.

Но было время, когда электрические эффекты все так же присутствовали в природе, но никак не помогали человеку. Что же изменилось с тех пор? Люди стали изучать физические явления и придумали интересные машины - преобразователи, которые, в общем, и сделали революционный скачок нашей цивилизации, позволив человеку получать одну энергию из другой.

Так люди научились вырабатывать электричество из обычного металла, магнитов и механического движения - только и всего. Были построены генераторы, способные выдавать колоссальные по мощности потоки энергии, исчисляемые мегаваттами. Но интересно, что принцип действия этих машин не так уж сложен и вполне может быть понятен даже подростку. Что же такое Попробуем разобраться в этом вопросе.

Эффект электромагнитной индукции

Основой появления в проводнике электрического тока является электродвижущая сила - ЭДС. Она способна заставить перемещаться заряженные частицы, которых много в любом металле. Эта сила появляется только в случае, если проводник испытывает на себе изменение интенсивности магнитного поля. Сам эффект получил название электромагнитной индукции. ЭДС тем больше, чем больше скорость изменения потока магнитных волн. То есть, можно возле постоянного магнита перемещать проводник, или на неподвижный провод влиять полем электромагнита, меняя его силу, эффект будет один и тот же - в проводнике появится электрический ток.

Над этим вопросом в первой половине XIX века работали ученые Эрстед и Фарадей. Они же и открыли это физическое явление. В последствии на основе электромагнитной индукции были созданы генераторы тока и электродвигатели. Интересно, что эти машины легко могут быть преобразованы друг в друга.

Как работают генераторы постоянного и переменного тока

Понятно, что генератор электрического тока - это электромеханическая машина, вырабатывающая ток. Но на самом деле она есть преобразователь энергии: ветра, воды, тепла, чего угодно в ЭДС, которая уже вызывает ток в проводнике. Устройство любого генератора принципиально ничем не отличается от замкнутого проводящего контура, который вращается между полюсами магнита, как в первых опытах ученых. Только намного больше величина магнитного потока, создаваемого мощными постоянными или чаще электрическими магнитами. Замкнутый контур имеет вид многовитковой обмотки, которых в современном генераторе не одна, а минимум три. Все это сделано для того, чтобы получить как можно большую ЭДС.

Стандартный электрический генератор переменного тока (или постоянного) состоит из:

Корпуса . Выполняет функцию рамы, внутри которой крепят статор с полюсами электромагнита. В нем установлены подшипники качения роторного вала. Его изготавливают из металла, он также защищает всю внутреннюю начинку машины.
Статора с магнитными полюсами. На нем закреплена обмотка возбуждения магнитного потока. Его выполняют из ферромагнитной стали.
Ротора или якоря. Это подвижная часть генератора, вал которой приводит во вращательное движение посторонняя сила. На сердечнике якоря располагают обмотку самовозбуждения, где и образуется электрический ток.
Узла коммутации. Этот элемент конструкции служит для отведения электричества с подвижного вала ротора. Он включает в себя проводящие кольца, которые подвижно соединены с графитовыми токосъемными контактами.

Создание постоянного тока

В генераторе, продуцирующем постоянный ток, проводящий контур вращается в пространстве магнитной насыщенности. Причем за определенный момент вращения каждая половина контура оказывается вблизи того или иного полюсника. Заряд в проводнике за этот полуоборот движется в одном направлении.

Чтобы получить съем частиц, сделан механизм отвода энергии. Его особенность в том, что каждая половина обмотки (рамки) соединена с токопроводящим полукольцом. Полукольца между собой не замкнуты, а закреплены на диэлектрическом материале. За период, когда одна часть обмотки начинает проходить определенный полюс, полукольцо замыкается в электрическую схему щеточными контактными группами. Получается, на каждую клемму приходит только одного вида потенциал.

Правильнее назвать энергию не постоянной, а пульсирующей, с неизменной полярностью. Пульсация вызвана тем, что магнитный поток на проводник при вращении оказывает как максимальное, так и минимальное влияние. Чтобы эту пульсацию выровнять, применяют несколько обмоток на роторе и мощные конденсаторы на входе схемы. Для уменьшения потерь магнитного потока зазор между якорем и статором делают минимальным.

Схема генератора переменного тока

Когда происходит вращение подвижной части генерирующего ток устройства, в проводниках рамки также наводится ЭДС, как и в генераторе постоянного тока. Но небольшая особенность - генератор переменного тока устройство коллекторного узла имеет другое. В нем каждый вывод соединен со своим токопроводящим кольцом.

Принцип работы генератора переменного тока следующий: когда половина обмотки проходит возле одного полюса (другая, соответственно, возле противоположного полюса), в цепи движется ток в одном направлении от минимума к наивысшему своему значению и снова к нулю. Как только обмотки меняют свое положение относительно полюсов, ток начинает свое движение в обратном направлении с той же закономерностью.

При этом на входе схемы получается форма сигнала в виде синусоиды с частотой полуволн, соответствующей периоду вращения вала ротора. Для того, чтобы получить на выходе стабильный сигнал, где частота генератора переменного тока постоянна, период вращения механической части должен быть неизменным.

газового типа

Конструкции генераторов тока, где вместо металлической рамки как носитель зарядов используют токопроводящую плазму, жидкость или газ, получили название МГД-генераторов. Вещества под давлением прогоняют в поле магнитной напряженности. Под воздействием все той же ЭДС индукции заряженные частицы обретают направленное движение, создавая электрический ток. Величина тока прямо пропорциональна скорости прохождения через магнитный поток, а также его мощности.

Генераторы МГД имеют более простое конструктивное решение - в них отсутствует механизм вращения ротора. Такие источники питания способны выдавать большие мощности энергии в короткие промежутки времени. Их применяют в качестве резервных устройств и в условиях экстренных аварийных ситуаций. Коэффициент, определяющий полезное действие (КПД) этих машин выше, чем имеет электрический генератор переменного тока.

Генератор синхронный переменного тока

Существуют такие типы генераторов переменного тока:

Машины синхронные.
Машины асинхронные.

Синхронный генератор переменного тока имеет строгую физическую зависимость между вращательным движением ротора и электричества. В таких системах ротор - это электромагнит, собранный из сердечников, полюсов и возбуждающих обмоток. Последние запитываются от источника постоянного тока посредством щеток и кольцевых контактов. Статор же представляет собой катушки провода, соединенные между собой по принципу звезды с общей точкой - нолем. В них уже наводится ЭДС и вырабатывается ток.

Вал ротора приводится в движение посторонней силой, обычно турбинами, частота движения которых синхронизирована и постоянна. Электрическая цепь, подключаемая к такому генератору, представляет собой трехфазную схему, частота тока в отдельной линии которой смещена на фазу в 120 градусов относительно других линий. Чтобы получить правильную синусоиду, направление магнитного потока в просвете между статорной и роторной частью регулируют конструкцией последних.

Возбуждение генератора переменного тока реализуют двумя методами:

Контактным.
Бесконтактным.

В схеме контактного возбуждения на обмотки электромагнита через щеточную пару подают электроэнергию с другого генератора. Этот генератор может быть совмещен с валом основного. Он, как правило, имеет меньшую мощность, но достаточную, чтобы создать сильное магнитное поле.

Бесконтактный принцип предусматривает, что синхронный генератор переменного тока на валу имеет дополнительные трехфазные обмотки, в которых при вращении наводится ЭДС и вырабатывается электричество. Оно через выпрямляющую схему поступает на катушки возбуждения ротора. Конструктивно в такой системе отсутствуют подвижные контакты, что упрощает систему, делая ее более надежной.

Асинхронный генератор

Существует асинхронный генератор переменного тока. Устройство его отличается от синхронного. В нем нет точной зависимости ЭДС от частоты с которой вал ротора вращается. Присутствует такое понятие как «скольжение S», которое характеризует эту разницу влияния. Величина скольжения определяется вычислением, так что неправильно думать, будто бы нет закономерности электромеханического процесса в асинхронном двигателе.

Если генератор, работающий вхолостую, нагрузить, то протекающий в обмотках ток будет создавать магнитный поток, препятствующий вращению ротора с заданной частотой. Так образуется скольжение, что, естественно, влияет на выработку ЭДС.

Современный асинхронный генератор переменного тока устройство подвижной части имеет в трех разных исполнениях:

Полый ротор.
Короткозамкнутый ротор.
Фазный ротор.

Такие машины могут иметь само- и независимое возбуждение. Первая схема реализуется за счет включения в обмотку конденсаторов и полупроводниковых преобразователей. Возбуждение независимого типа создается дополнительным источником переменного тока.

Схемы включения генераторов

Все мощные источники питания линий электропередач вырабатывают трехфазный электрический ток. Они содержат в себе три обмотки, в которых образуются переменные токи со смещенной друг от друга фазой на 1/3 периода. Если рассматривать каждую отдельную обмотку такого источника питания, то получим однофазный переменный ток, идущий в линию. Напряжение в десятки тысяч вольт может вырабатывать генератор. потребитель получает с распределительного трансформатора.

Любой генератор переменного тока устройство обмоток имеет стандартное, но подключение к нагрузке бывает двух типов:

звездой;
треугольником.

Принцип работы генератора переменного тока, включенного звездой, предполагает объединение всех проводов (нулевых) в один, которые идут от нагрузки обратно к генератору. Это обусловлено тем, что сигнал (электрический ток) передается в основном через выходящий провод обмотки (линейный), который и называют фазой. На практике это очень удобно, ведь не нужно тянуть три дополнительных провода для подключения потребителя. Напряжение между линейными проводами и линейным и нулевым проводом будут отличаться.

Соединяя треугольником обмотки генератора, их замыкают друг с другом последовательно в один контур. Из точек их соединения выводят линии к потребителю. Тогда вообще не нужен нулевой провод, а напряжение на каждой линии будет одинаковым независимо от нагрузки.

Преимуществом трехфазного тока перед однофазным является его меньшая пульсация при выпрямлении. Это положительно сказывается на питаемых приборах, особенно двигателях постоянного напряжения. Также трехфазный ток создает вращающийся поток магнитного поля, который способен приводить в движение мощные асинхронные двигатели.

Где применимы генераторы постоянного и переменного тока

Генераторы постоянного тока значительно меньше по размерам и массе, чем машины переменного напряжения. Имея более сложное конструктивное исполнение чем последние, они все же нашли применение во многих отраслях промышленности.

Основное распространение они получили в качестве высокооборотных приводов в машинах, где требуется регулирование частоты вращения, например, в металлообрабатывающих механизмах, подъемниках шахт, прокатных станах. В транспорте такие генераторы установлены на тепловозах, различных судах. Множество моделей ветрогенераторов собраны на базе источников постоянного напряжения.

Генераторы постоянного тока специального назначения применяют в сварке, для возбуждения обмоток генераторов синхронного типа, в качестве усилителей постоянного тока, для питания гальванических и электролизных установок.

Назначение генератора переменного тока - вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Такой вид энергии подарил человечеству Никола Тесла. Почему именно изменяющий полярность ток, а не постоянный нашел широкое применение? Это связано с тем, что при передаче постоянного напряжения идут большие потери в проводах. И чем длиннее провод, тем потери выше. Переменное напряжение можно транспортировать на огромные расстояния при гораздо меньших затратах. Причем легко можно преобразовывать переменное напряжение (понижая и повышая его), который выработал генератор 220 В.

Заключение

Человек до конца не познал который пронизывает все вокруг. И электрическая энергия - это лишь малая часть открытых тайн мироздания. Машины, которые мы называем генераторами энергии, по сути очень просты, но то, что они могут нам дать, просто поражает воображение. Все же настоящее чудо здесь не в технике, а в мысли человека, которая смогла проникнуть в неисчерпаемый резервуар идей, разлитых в пространстве!

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии - в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: , когда при пересечении линиями магнитного поля проводника - в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» - униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить .

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p - число пар магнитных плюсов ротора, n - количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах , которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Андрей Повный

Развитие автомобилестроения сопровождалось ростом требований к безотказности и увеличению срока службы автомобилей, комфорту их эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также соответствие все возрастающим требованиям безопасности движения.
В связи с этим появилась необходимость существенного увеличения мощности и срока службы автомобильных генераторов, как основных источников электрического тока, улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Появилась необходимость уменьшения габаритных размеров и массы генераторов, как, впрочем, и многих других агрегатов и устройств, что позволяло гибко проектировать компоновку и внешний дизайн автомобилей, а также получать экономию дорогостоящих металлов.

Удовлетворение перечисленных требований путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность и малый срок службы щеточно-коллекторного узла, а также габаритные размеры и массу генераторов постоянного тока, стало неосуществимо. Поэтому было выбрано новое направление в развитии автомобильных генераторов – создание генераторов переменного тока.

Название «генератор переменного тока» несколько условно, и касается в основном особенностей конструкции генератора, поскольку они оснащены встроенными полупроводниковыми выпрямителями и питают потребители постоянным (выпрямленным) током.
В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, осуществляющий выпрямление переменного тока, полученного в обмотках якоря.
Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный и надежный выпрямитель на полупроводниковых диодах, в котором отсутствовали механические детали и узлы, подверженные износу и отказам.

Преимущества и недостатки генераторов переменного тока

К основным преимуществам генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока можно отнести следующие свойства:

при одинаковой мощности их масса в 1,8…2,5 раза меньше, причем примерно в три раза меньше расходуется ценного цветного металла – меди;
при одинаковых габаритах генераторы переменного тока выдают большую мощность;
ток начинает вырабатываться при меньшей частоте вращения ротора;
проще схема и конструкция регулирующего устройства вследствие отсутствия элемента ограничения силы тока и реле обратного тока;
проще и надежнее конструкция токосъемного устройства, особенно, в бесконтактных генераторах переменного тока;
меньше эксплуатационные затраты из-за высокой надежности работы и увеличения срока службы.

С практической точки зрения преимущества генератора переменного тока проявляются в том, что вырабатываемый им ток снимается с неподвижных обмоток, закрепленных на корпусе-статоре. Обмотка возбуждения, выполненная на вращающемся роторе, существенно легче неподвижных обмоток статора, поэтому ротор можно вращать с большей скоростью, не опасаясь явлений дисбаланса вращающихся масс. Да и ток возбуждения в этом случае подвести проще, поскольку он небольшой. В результате щетки и контактные кольца служат дольше.

Кроме того, генератор постоянного тока, в отличие от генератора переменного тока, начинает вырабатывать ток при относительно большой частоте вращение якоря. По этой причине для его полноценного функционирования, например, на холостых оборотах двигателя, необходимо значительное передаточное число привода, что в дальнейшем (на рабочей частоте коленчатого вала) может привести к дисбалансу (из-за значительной массы якоря), износу подшипников и элементов привода генератора.

Определенное преимущество генераторов переменного тока проявляется, также, в том, что при необходимости получения высокого напряжения (например, для питания высоковольтных потребителей), достаточно использовать небольшой трансформатор. Увеличить напряжение постоянного тока таким способом не удастся. Несмотря на то, что в автомобильных бортовых сетях необходимость получения высокого напряжения возникает крайне редко, такую возможность нельзя сбрасывать со счетов.

Основные недостатки генератора переменного тока - необходимость выпрямления вырабатываемого им тока, а также некоторое рассеивание мощности в окружающих ротор и статор металлических деталях из-за возникновения вихревых и реактивных токов в переменном электромагнитном поле. Тем не менее, достоинства генераторов переменного тока с лихвой окупают отмеченные недостатки.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры, и их приходилось размещать отдельно от генератора, в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для присоединения такого выпрямителя к генератору требовалась дополнительная проводка.
Кроме того, селеновые выпрямители были недостаточно теплостойки, и допускали максимальную рабочую температуру не выше +80 ˚С.
По этим причинам в дальнейшем от селеновых выпрямителей отказались, и стали применять кремниевые диоды, которые были менее габаритны, обладали хорошей теплостойкостью, что позволяло размещать их непосредственно в генераторе.

На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы.
Габаритные размеры интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который совместно со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.

Принципиальное устройство генератора переменного тока

На рис. 1 представлена упрощенная схема генератора переменного тока, который состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего магнитное поле.

Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек статора, размещенных на пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом изменяется направление магнитного потока, а, следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС.

Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе позволяет получить трехфазный ток. У трехфазных генераторов обмотки имеют одну общую точку, где соединяются их концы, поэтому такая схема соединения называется «звездой», а общая точка обмотки – нулевой точкой.

Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение.

Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, так как необходимо подводить напряжение к вращающейся детали – ротору, но в этом случае возможно регулирование напряжения изменением частоты вращения ротора. Кроме того, магнитные свойства постоянных магнитов существенно зависят от их температуры.

Более подробно устройство и работа автомобильного генератора переменного тока приведены на следующей странице .

Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются тремя факторами:

качеством электрической изоляции;
качеством подшипниковых узлов;
надежностью токосъемных (щеточно-контактных) устройств.

Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен путем использования бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и ресурс, чем контактные генераторы, использующие щеточно-контактные токосъемные устройства. Это стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением – индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.

К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушные зазоры между валом и элементами ротора, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора и крышку генератора.

Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора.
Магнитный поток Ф у индукторных генераторов пульсирующий. Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф mах , когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф min , когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180˚ электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную и переменную составляющую с амплитудой

Ф пер = 0,5 (Ф mах - Ф min)

3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора может быть определена по формуле:

f = zn/60 ,

где z - число зубцов ротора.

В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения с помощью немагнитной обоймы. Полюсы клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС.

Генераторы с укороченными полюсами просты по конструкции, технологичны. Роторы таких генераторов имеют малое рассеяние.
К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.

Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов долго сдерживалось следующими трудностями:

невысокие удельные показатели;
повышенный уровень пульсации выпрямленного напряжения;
повышенный уровень шума.

Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволило использовать индукторные генераторы переменного тока на автомобилях.

Впервые бесщеточные генераторы с укороченными полюсами 45.3701 и 49.3701 были использованы на автомобилях марки «УАЗ».

Небольшой видеоролик позволит наглядно понять основные принципы работы и устройство автомобильного генератора переменного тока.

Здравствуйте, ценители мира электрики и электроники. Если вы частенько заглядываете на наш сайт, то наверняка помните, что совсем недавно у нас вышел достаточно объемный материал про то, как устроен и работает генератор постоянного тока. Мы подробно описали его строение от самых простых лабораторных прототипов, до современных рабочих агрегатов. Обязательно почитайте, если еще этого не сделали.

Сегодня мы разовьем эту тему, и разберемся, в чем заключается принцип действия генератора переменного тока. Поговорим о сферах его применения, разновидностях и много еще о чем.

Начнем с самого основного – переменный ток отличается от постоянного тем, что он с некоторой периодичностью меняет свое направление движения. Также он меняет и величину, о чем мы подробнее поговорим далее.

Спустя определенный промежуток времени, который мы назовем «Т» значения параметров тока повторяются, что на графике можно изобразить в виде синусоиды – волнистой линии, проходящей с одинаковой амплитудой через центральную линию.

Базовые принципы

Итак, назначение и устройство генераторов переменного тока, называемого раньше альтернатором, заключается в преобразовании кинетической энергии, то есть механической, в электрическую. Подавляющее большинство современных генераторов используют вращающееся магнитное поле.

Работают такие устройства за счет электромагнитной индукции, когда при вращении в магнитном поле катушки из токопроводящего материала (обычно медная проволока), в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС).
Ток начинает образовываться в тот момент, когда проводники начинают пересекать магнитные линии силового поля.

Причем пиковое значение ЭДС в проводнике достигается при прохождении им главных полюсов магнитного поля. В те моменты, когда они скользят вдоль силовых линий, индукция не возникает и ЭДС падает до нуля. Взгляните на любую схему из представленных – первое состояние будет наблюдаться, когда рамка примет вертикальное положение, а второе – когда горизонтальное.

Для лучшего понимания протекающих процессов нужно вспомнить правило правой руки, изучавшееся всеми в школе, но мало кем помнящееся. Суть его заключается в том, что если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее со стороны ладони, большой палец, отведенный в сторону, укажет направление движения проводника, а остальные пальцы будут указывать на направление возникающей в нем ЭДС.
Взгляните на схему выше, положение «а». В этот момент ЭДС в рамке равно нулю. Стрелочками показано направление ее движения – часть рамки А двигается в сторону северного полюса магнита, а Б – южного, достигнув которых ЭДС будет максимальным. Применяя описанное выше правило правой руки, мы видим, что ток начинает течь в части «Б» в нашу сторону, а в части «А» – от нас.
Рамка вращается дальше и ток в цепи начинает падать, пока рамка снова не займет горизонтальное положение (в).
Дальнейшее вращение приводит к тому, что ток начинает течь в обратном направлении, так как части рамки поменялись местами, если сравнивать с начальным положением.

Спустя половину оборота, все снова вернется в изначальное состояние, и цикл повторится снова. В итоге мы получили, что за время совершения полного оборота рамки, ток дважды возрастал до максимума и падал до нуля, и единожды менял свое направление относительно нчального движения.

Переменный ток

Принято считать, что длительность периода обращения равняется 1 секунде, а число периодов «Т» является частотой электрического тока. В стандартных электрических сетях России и Европы за одну секунду ток меняет свое направление 50 раз – 50 периодов в секунду.

Обозначают в электронике один такой период особой единицей, названной в честь немецкого физика Г. Герца. То есть в приведенном примере российских сетей частота тока составляет 50 герц.

Вообще, переменный ток нашел очень широкое применение в электронике благодаря тому, что: величину его напряжения очень просто изменять при помощи трансформаторов, не имеющих движущихся частей; его всегда можно преобразовать в постоянный ток; устройство таких генераторов намного надежнее и проще, чем для выработки постоянного тока.

Строение генератора переменного тока

Как устроен генератор переменного тока, в принципе, понятно, но вот, сравнивая его с собратом для выработки постоянного, не сразу можно уловить разницу.

Основные рабочие части и их подключение

Если вы прочли предыдущий материал, то наверняка помните, что рамка в простейшей схеме была соединена с коллектором, разделенным на изолированные контактные пластины, а тот, в свою очередь, был связан со щетками, скользящими по нему, через которые и была подключена внешняя цепь.

За счет того, что пластины коллектора постоянно меняются щетками, не происходит смены направления тока – он просто пульсирует, двигаясь в одном направлении, то есть коллектор является выпрямителем.

Для переменного тока такого приспособления не нужно, поэтому его заменяют контактные кольца, к которым привязаны концы рамки. Вся конструкция вместе вращается вокруг центральной оси. К кольцам примыкают щетки, которые также по ним скользят, обеспечивая постоянный контакт.
Как и в случае с постоянным током, ЭДС, возникающие в разных частях рамки, будут суммироваться, образуя результирующее значение этого параметра. При этом во внешней цепи, подключенной через щетки (если подсоединить к ней резистор нагрузки RH), будет протекать электрический ток.
В рассмотренном выше примере «Т» равняется полному обороту рамки. Отсюда можно сделать логичный вывод, что частота тока, вырабатываемая генератором, напрямую зависит от скорости вращения якоря (рамки), или другими словами ротора, в секунду. Однако это касается только такого простейшего генератора.

Если увеличить число пар полюсов, то в генераторе пропорционально возрастет и число полных изменений тока за один оборот якоря, и частота его будет измерять иначе, по формуле: f = np, где f – это частота, n – число оборотов в секунду, p – количество пар магнитных полюсов устройства.

Как мы уже писали выше, течение переменного тока графически изображается синусоидой, поэтому такой ток еще называется и синусоидальным. Сразу можно выделить основные условия, задающие постоянство характеристик такого тока – это равномерность магнитного поля (постоянная его величина) и неизменная скорость вращения якоря, в котором он индуктируется.
Для того чтобы сделать устройство достаточно мощным, в нем применяются электрические магниты. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, в действующих агрегатах тоже не является рамкой, как мы показывали в схемах выше. Применяется очень большое количество проводников, которые соединены друг с другом по определенной схеме

Интересно знать! Образование ЭДС происходит не только тогда, когда проводник смещается относительно магнитного поля, но и наоборот, когда двигается само поле относительно проводника, чем активно и пользуются конструкторы электродвигателей и генераторов.

Данное свойство позволяет размещать обмотку, в которой индуктируется ЭДС, не только на вращающейся центральной части устройства, но и на неподвижной части. При этом в движение приводится магнит, то есть полюсы.

При таком строении внешняя обмотка генератора, то есть силовая цепь, не нуждается ни в каких подвижных частях (кольцах и щетках) – соединение выполняется жесткое, чаще болтовое.
Да, но можно резонно возразить, мол, эти же элементы потребуется установить на обмотке возбуждения. Так и есть, однако сила тока, протекающая здесь, будет намного меньше итоговой мощности генератора, что значительно упрощает организацию подвода тока. Элементы будут малы по размерам и массе и очень надежны, что делает именно такую конструкцию самой востребованной, особенно для мощных агрегатов, например, тяговых, устанавливаемых на тепловозах.
Если же речь идет о маломощных генераторах, где токосъем не представляет каких-то сложностей, поэтому часто применяется «классическая» схема, с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным магнитом (индуктором).

Совет! Кстати, неподвижная часть генератора переменного тока называется статором, так как она статична, а вращающаяся – ротором.

Виды генераторов переменного тока

Классифицировать и отличить генераторы можно по нескольким признакам. Давайте назовем их.

Трехфазные генераторы

Отличаться они могут по количеству фаз и быть одно-, двух- и трехфазными. На практике наибольшее распространение получил последний вариант.

Как видно из картинки выше, силовая часть агрегата имеет три независимые обмотки, расположенные на статоре по окружности, со смещением друг относительно друга на 120 градусов.
Ротор в данном случае представляет собой электромагнит, который, вращаясь, индуктирует в обмотках переменные ЭДС, которые сдвинуты друг относительно друга во времени на одну третью периода «Т», то есть такта. По сути, каждая обмотка представляет собой отдельный однофазный генератор, который питает переменным током свою внешнюю цепь R. То есть мы имеет три значения тока I(1,2,3) и такое же количество цепей. Каждая такая обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы.

Чтобы сократить число проводов, ведущих к генератору, три обратных провода, ведущих к нему от потребителей энергии, заменяют одним общим, по которому будут проходить токи от каждой фазы. Такой общий провод называют нулевым
Соединение всех обмоток такого генератора, когда их концы соединяются друг с другом, называется звездой. Отдельные три провода, соединяющие начала обмоток с потребителями электроэнергии называются линейными – по ним и идет передача.
Если нагрузка всех фаз будет одинаковой, то необходимость в нулевом проводе полностью отпадет, так как общий ток в нем будет равен нулю. Как так получается, спросите вы? Все предельно просто – для понятия принципа достаточно сложить алгебраические значения каждого синусоидального тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Схема выше поможет понять этот принцип, если представить, что кривые на нем – это изменение тока в трех фазах генератора.
Если же нагрузка в фазах будет неодинаковой, то нулевой провод начнет пропускать ток. Именно поэтому распространена 4-х проводная схема подключения звездой, так как она позволяет сохранять электрические приборы, включенные в этот момент в сеть.

Напряжение между линейными проводами называется линейным, тогда как напряжение на каждой фазе – фазным. Токи, протекающие в фазах, являются и линейными.
Схема подключения звездой не является единственной. Существует и другой вариант последовательного подключения трех обмоток, когда конец одной соединен с началом второй, и так далее, пока не образуется замкнутое кольцо (см. схему выше «б»). Исходящие от генератора провода подключаются в местах соединения обмоток.
В таком случае фазовые и линейные напряжения будут одинаковыми, а ток линейного провода будет больше фазного, при их одинаковой нагрузке.
Такое соединение также не нуждается в нулевом проводе, в чем и заключается основное преимущество трехфазного генератора. Наличие меньшего количества проводов делают его проще, и цена его ниже, из-за меньшего количества используемых цветных металлов.

Еще одной особенностью трехфазной схемы подключения является появление вращающегося магнитного поля, что позволяет создавать простые и надежные асинхронные электродвигатели.

Но и это не все. При выпрямлении однофазного тока на выходе выпрямителя получается напряжение с пульсациями от нуля до максимального значения. Причина, думаем, ясна, если вы поняли основной принцип работы такого устройства. Когда же присутствует сдвиг по времени фаз, пульсации сильно уменьшаются, не превышая 8%.

Различие по виду

Отличаются генераторы и по виду, которых существует 2:

Синхронный генератор переменного тока – главная особенность такого агрегата заключается в жесткой связи частоты переменной ЭДС, которая наведена в обмотке и синхронной частотой вращения, то есть вращения ротора.

Взгляните на схему выше. На ней мы видим статор с трехфазной обмоткой, соединенной по треугольной схеме, которая мало чем отличается от той, что стоит на асинхронном двигателе.
На роторе генератора располагается электромагнит с обмоткой возбуждения, питающаяся от постоянного тока, который может быть подан на него любым известным способом – об этом подробнее будет расписано далее.
Вместо электромагнита может быть применен постоянный, тогда необходимость в скользящих частях схемы, в виде щеток и контактных колец, отпадает вовсе, на такой генератор не будет достаточно мощным и не сможет нормально стабилизировать выходные напряжения.
К валу ротора подключается привод – любой двигатель, создающий механическую энергию, и он приводится в движение с определенной синхронной скоростью.
Так как магнитное поле главных полюсов вращается вместе с ротором, начинается индукция переменных ЭДС в обмотке статора, которые можно обозначить как Е1, Е2 и Е3. Эти переменные будут одинаковыми по значению, но как уже не раз говорилось, смещенными на 120 градусов по фазе. Вместе эти значения образуют трехфазную систему ЭДС, которая симметрична.
К точкам С1,С2 и С3 подключается нагрузка, и на фазах обмотки в статоре появляются токи I1,I2,и I В это время каждая фаза статора сама становится мощным электромагнитом и создает вращающееся магнитное поле.
Частота вращения магнитного поля статора будет соответствовать частоте вращения ротора.

Асинхронные генераторы – их отличает от описанного выше примера то, что частоты ЭДС и вращения ротора жестко не привязаны друг к другу. Разница между этими параметрами называется скольжением.

Электромагнитное поле такого генератора в обычном рабочем режиме оказывает под нагрузкой тормозной момент на вращение ротора, поэтому частота изменения магнитного поля будет меньшим.
Эти агрегаты не требуют для создания сложных узлов и применения дорогих материалов, поэтому нашли широкое применение, как электрические двигатели для транспорта, из-за легкого обслуживая и простоты самого устройства. Данные генераторы устойчивы к перегрузкам и коротким замыканиям, однако на устройствах сильно зависящих от частоты тока они неприменимы.

Способы возбуждения обмотки

Последнее различие моделей, которое хотелось бы затронуть, связано со способом запитки возбуждающей обмотки.

Тут можно выделить 4 типа:

Питание на обмотку подается через сторонний источник.
Генераторы с самовозбуждением – питание берется от самого генератора, при этом напряжение выпрямляется. Однако находясь в неактивном состоянии, такой генератор не сможет выработать достаточного напряжения, чтобы стартовать, для чего в схеме применяется аккумулятор, который будет задействован во время старта.
Вариант с обмоткой возбуждения, питающейся от другого генератора меньшей мощности, установленного с ним на одном валу . Второй генератор уже должен стартовать от стороннего источника, например, того же аккумулятора.
Последняя разновидность вообще не нуждается в подаче питания на обмотку возбуждения, так как ее у него нет, ведь применяется в устройстве постоянный магнит.

Применение генераторов переменного тока на практике

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.

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.

Генератор на жидком топливе

Устройство бензинового генератора переменного тока, ровно, как и дизельного, мало чем отличается от того, что установлен в вашем автомобиле, за исключением нюанса, что ток он будет выдавать, как положено, переменный.

Из особенностей можно выделить то, что ротор агрегата всегда должен вращаться с одной скоростью, так как при перепадах выработка электроэнергии становится хуже. В этом кроется существенный недостаток подобных устройств – подобный эффект происходит при износе деталей.

Интересно знать! Если к генератору подключить нагрузку, которая будет ниже рабочей, то он не будет использовать свою мощность на полную, съедая часть жидкого топлива впустую.

На рынке представлен большой выбор подобных агрегатов, рассчитанных на разную мощность. Они пользуются большой популярность за счет своей мобильности. При этом инструкция по пользованию предельно проста – заливаем своими руками топливо, запускаем двигатель поворотом ключа и подключаемся…

На этом, пожалуй, закончим. Мы разобрали назначение и общее устройство этих приборов максимально просто. Надеемся, генератор переменного тока и принцип его действия стали к вам чуточку ближе, и с нашей подачи вы захотите погрузиться в увлекательный мир электротехники.